SLC7A11/xCT在肝臟疾病中的研究進展

蘭玥, 嚴文靜,2, 王雯,2

(1. 首都醫科大學基礎醫學院, 北京 100069; 2. 代謝紊亂相關心血管疾病北京市重點實驗室, 北京 100069)

氨基酸在體內參與能量產生、大分子合成和氧化還原穩態等多種細胞生物過程,對于細胞生長至關重要。細胞通過位于質膜或胞內細胞器中的轉運蛋白運輸氨基酸參與代謝,以維持細胞的正常生理功能[1]。由三種氨基酸構成的谷胱甘肽(glutathione,GSH)是激活或誘導抗氧化酶的關鍵輔助因子,它還能維持蛋白質的正常功能并中和細胞毒性物質。肝臟是發揮代謝解毒功能的重要器官,同時也是GSH合成的主要場所[2]。GSH在肝內濃度最高,在肝臟生化代謝中起重要作用。半胱氨酸是胱氨酸的還原產物,是GSH合成的限速前體[2]。溶質載體家族7成員11(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11/xCT)是L-胱氨酸/L-谷氨酸反向轉運體系統XC-的功能亞基,介導細胞攝取胱氨酸,并在防御氧化應激、抑制鐵死亡和提高腫瘤治療敏感性方面發揮重要作用[3-4]。

2023年2月,由甘波誼教授團隊最新研究發現,在葡萄糖缺乏條件下,高表達SLC7A11癌細胞可促進細胞發生雙硫死亡(disulfidptosis)——一種全新的細胞死亡類型[5]。越來越多的研究表明,SLC7A11在急性肝損傷[6]、肝纖維化[7]、非酒精性脂肪肝病[8]、酒精性脂肪肝病[9]以及肝細胞癌[10]等多種肝臟疾病的病理生理過程中均發揮重要作用。本文針對SLC7A11結構、功能、調控機制及近年來SLC7A11在肝臟疾病中的研究進展作一綜述。

1 SLC7A11概述

1.1 SLC7A11結構和功能

人類SLC7A11基因位于4號染色體,其編碼的蛋白質由包含14個外顯子的501個氨基酸殘基組成。SLC7A11含12個高度疏水的跨膜結構域,其N端和C端均位于細胞質中[11]。生理情況下,SLC7A11在大腦和肝臟等組織以及巨噬細胞中廣泛表達[12]。此外,SLC7A11在肝細胞癌[13]、肺腺癌[14]和神經膠質瘤[15]等多種腫瘤中呈高表達。

溶質載體家族是人類基因組中僅次于G蛋白偶聯受體的第二大基因家族,參與介導代謝物和溶質跨細胞膜的轉運[16]。SLC7A11是一種參與氨基酸代謝以維持胞內氧化還原穩態的重要跨膜蛋白。SLC7A11與溶質載體家族3成員2(solute carrier family 3 member 2,SLC3A2)共同組成XC-系統,其中,SLC3A2作為伴侶蛋白參與維持SLC7A11的穩定性,SLC7A11作為功能亞基發揮主要生物學功能和轉運活性[3]。SLC7A11以1 ∶1的比例攝入胞外胱氨酸并排出胞內谷氨酸[3];進入細胞質的胱氨酸迅速還原為半胱氨酸用于合成GSH[17]。谷胱甘肽過氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)通過氧化GSH將脂質過氧化物解毒為脂質醇,降低細胞氧化應激水平從而抑制細胞發生鐵死亡[18]。鐵死亡是一種以過度的鐵蓄積和脂質過氧化為特征的細胞死亡形式,SLC7A11是調控鐵死亡的上游轉運蛋白之一[17]。SLC7A11介導的轉運功能可被鐵死亡激動劑伊拉斯汀(Erastin)阻斷,導致細胞內胱氨酸水平降低和GSH生物合成耗竭,間接抑制GPX4活性從而促進鐵死亡[19]。

盡管眾多研究聚焦SLC7A11在腫瘤中的抗鐵死亡效益,但越來越多證據也表明,SLC7A11發揮著獨立于鐵死亡的其他重要生物學功能。研究發現,小鼠黑色素細胞中Slc7a11缺陷可導致大量細胞死亡,并伴有半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3的活化這一細胞凋亡特征[20]。隨后研究表明,抑制SLC7A11表達可在不同環境下誘導癌細胞凋亡[21-22]。雖然Erastin通過抑制SLC7A11介導的胱氨酸攝取能夠有效誘導鐵死亡,但是另有研究發現,SLC7A11抑制劑HG106不誘導鐵死亡而更傾向使細胞發生凋亡[23]。

此外,SLC7A11還可通過調節細胞對葡萄糖的敏感性從而參與腫瘤細胞的增殖[24]。研究發現,通過SLC7A11敲低、過表達以及SLC7A11抑制劑的使用,在缺乏葡萄糖的條件下SLC7A11促進癌細胞死亡[4]。SLC7A11向胞內運輸胱氨酸可以促進腫瘤生長,但過量胱氨酸和其他二硫化物水平升高具有細胞毒性[25],且胱氨酸還原為半胱氨酸過程高度依賴于葡萄糖-磷酸戊糖途徑生成的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)。近期一項研究表明,高表達SLC7A11的癌細胞利用NADPH分子將有毒的二硫化物迅速轉化為其他無毒分子;但在葡萄糖缺乏時,NADPH被大量消耗,大量積累的胱氨酸等二硫化物分子誘發二硫化物應激,導致肌動蛋白細胞骨架之間的異常二硫鍵交聯,最終導致肌動蛋白網絡崩潰,進而引發細胞死亡[5]。這種葡萄糖缺乏誘導的高表達SLC7A11癌細胞死亡不屬于任何一種已知的細胞死亡類型,且不能被一般細胞死亡抑制劑或敲除鐵死亡/細胞凋亡關鍵基因所阻斷,但硫醇氧化劑(如二酰胺和馬來酸二乙酯)則可以顯著增強,因而將該種細胞死亡方式命名為“雙硫死亡”[5]。進一步研究發現,利用葡萄糖轉運體抑制劑可誘導高表達SLC7A11癌細胞發生雙硫死亡,有效抑制腫瘤生長,且對正常組織無明顯毒性[5];該方法有望成為癌癥治療的新策略。SLC7A11參與多種細胞死亡方式的簡要機制見圖1。

SLC7A11:溶質載體家族7成員11;NADPH:還原型輔酶Ⅱ;NADP+:氧化型輔酶Ⅱ圖1 SLC7A11參與多種細胞死亡方式的簡要機制圖

1.2 SLC7A11及其蛋白的調控機制

SLC7A11及其蛋白的調控機制較復雜。現有研究表明,多種轉錄因子、表觀遺傳及翻譯后修飾機制參與SLC7A11及其蛋白調控,包括參與調節SLC7A11轉錄活性、蛋白的表達和定位等。

1.2.1 轉錄因子對SLC7A11的調控 氧化應激、氨基酸缺乏等多種應激原均會顯著上調SLC7A11表達,從而維持細胞氧化還原穩態的平衡[26]。激活轉錄因子4(activating transcription factor 4,ATF4)和核因子E2相關因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)是參與應激誘導SLC7A11轉錄的兩個主要轉錄因子。ATF4是轉錄激活因子/環磷腺苷反應元件結合蛋白(CREB)轉錄因子家族的成員,可調節氧化還原穩態、氨基酸代謝和內質網應激[27]。當細胞生存環境缺乏氨基酸尤其是谷氨酰胺和半胱氨酸時,細胞可通過控制非去阻遏蛋白2/真核起始因子2α/ATF4信號軸將ATF4轉入細胞核并結合至基因啟動子中的氨基酸反應元件,從而促進包括SLC7A11在內的多種參與氨基酸代謝和應激反應的基因轉錄[28]。Nrf2是一種主要介導抗氧化反應的轉錄因子。在生理條件下Nrf2極不穩定,可被Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白1 (Kelch-like ECH-associated protein 1,KEAP1)泛素化,并經蛋白酶體降解;在氧化應激情況下,KEAP1介導的Nrf2降解途徑被阻斷,Nrf2可以保持穩定并與抗氧化反應元件的氨基酸反應元件區域結合,誘導SLC7A11轉錄[11]。研究表明,ATF4和Nrf2相互作用于SLC7A11啟動子區域,在多種代謝應激條件下協同調控SLC7A11轉錄[29]。

轉錄因子p53和激活轉錄因子3(activating transcription factor 3,ATF3)也可以對SLC7A11進行負調控。眾所周知p53是抑癌基因,而p53蛋白是一種轉錄因子。研究表明,p53可以在多種條件下通過抑制SLC7A11表達促進細胞鐵死亡[30]。p53缺陷可顯著上調SLC7A11表達,從而增強腫瘤細胞對鐵死亡的抵抗[30]。該研究進一步揭示,p53可以通過減弱Nrf2功能進而抑制SLC7A11表達[30]。ATF3是ATF/CREB轉錄因子家族的另一個成員。在堿性條件下,ATF3可以與SLC7A11啟動子結合并抑制SLC7A11表達。Erastin可通過上調ATF3促進細胞鐵死亡[31]。

總體而言,各種應激原可以通過ATF4和(或)Nrf2促進SLC7A11轉錄,而在生理條件下p53和ATF3主要抑制SLC7A11表達。這些轉錄因子通過調節SLC7A11轉錄活性和蛋白表達影響SLC7A11介導的下游生物學效應,進而影響細胞對鐵死亡的敏感性。

1.2.2 表觀遺傳修飾對SLC7A11的調控 表觀遺傳調控主要是通過DNA或DNA相關組蛋白的修飾影響基因的轉錄,包括DNA甲基化、組蛋白乙酰化、甲基化和泛素化等[32]。

含溴結構域蛋白4(bromodomain-containing protein 4,BRD4)的主要功能是識別乙酰化組蛋白并募集轉錄因子進而調節基因轉錄[33]。研究表明,敲除BRD4或使用BRD4抑制劑可顯著抑制SLC7A11表達并促進鐵死亡[33]。乳腺癌1號基因相關蛋白1(BRCA1-associated protein 1,BAP1)是一種具有去泛素化酶活性的核蛋白,其可在SLC7A11啟動子處使組蛋白H2A的119位賴氨酸去泛素化,進而抑制SLC7A11表達導致胱氨酸攝取減少和鐵死亡敏感性增強;相反,癌細胞中BAP1缺陷則會導致SLC7A11上調和鐵死亡抵抗[34]。

染色質重塑是調控基因的另一個關鍵表觀遺傳機制。研究表明,酵母交換型轉換/蔗糖不發酵型(yeast mating-type switching/sucrose non-fermenting,SWI/SNF)復合物介導的染色質重塑參與調節SLC7A11轉錄[35]。SWI/SNF復合物可以與SLC7A11啟動子結合,通過自身染色質重塑促進Nrf2介導的SLC7A11轉錄激活[35]。SWI/SNF缺陷抑制SLC7A11轉錄,導致胱氨酸攝取和GSH生物合成受阻,隨后促進活性氧誘導的細胞鐵死亡[35]。

1.2.3 翻譯后修飾對SLC7A11蛋白的調控 除SLC3A2外,近期研究發現黏附分子CD44變體(CD44 variant,CD44v)可通過與SLC7A11結合形成復合物,從而維持SLC7A11蛋白的穩定性。CD44v失活可破壞SLC7A11的穩定性,進而導致SLC7A11在調節GSH合成、氧化還原方面的功能受損[36]。一項研究將含去泛素化酶卵巢腫瘤蛋白(ovarian tumor, OTU)域的泛素乙酰結合蛋白1(OTU domain-containing ubiquitin aldehyde-binding protein 1, OTUB1)歸為一種與SLC7A11相互作用的蛋白,發現OTUB1可通過阻止SLC7A11泛素化和蛋白酶體降解從而穩定SLC7A11[37]。進一步研究發現,OTUB1、CD44v和SLC7A11可以形成三聚體復合物,CD44v通過維持OTUB1和 SLC7A11之間的相互作用從而促進SLC7A11的穩定[37]。因此,CD44v或OTUB1失活可破壞SLC7A11的穩定性并增強細胞對鐵死亡的敏感性。

如前所述,SLC7A11促進癌細胞的葡萄糖依賴性,導致高表達SLC7A11的癌細胞對葡萄糖缺乏的敏感性增強[4]。在葡萄糖缺乏時,癌細胞一定程度是通過下調SLC7A11蛋白的表達水平從而降低癌細胞之間的接觸抑制[38]。研究表明,較高的細胞密度可通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)促進SLC7A11在溶酶體中的降解[19]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)在細胞內主要通過與其他蛋白質分子相互作用形成多蛋白復合體發揮作用。根據對雷帕霉素是否敏感,mTOR分為對雷帕霉素敏感的mTORC1和對雷帕霉素不敏感的mTORC2。值得注意的是,SLC7A11不僅受mTORC1調控,還受mTORC2調控;mTORC2可與SLC7A11相互作用并磷酸化其25及26位絲氨酸位點致SLC7A11失活[39-40]。

另有研究表明,SLC7A11細胞表面定位也受到調節。表皮生長因子受體與SLC7A11相互作用并保持其在質膜上的合適定位[41]。高表達表皮生長因子受體的膠質瘤細胞可促進胱氨酸攝取和GSH生物合成進而促進腫瘤生長和侵襲[41]。

2 SLC7A11在肝臟疾病中的作用

2.1 SLC7A11與急性肝損傷

急性肝損傷是由藥物、缺血/再灌注損傷或病毒性肝炎等多種因素引起的急性肝功能障礙,嚴重時可導致急性肝功能衰竭[42]。急性肝損傷具有高發病率和高死亡率等特點,是導致肝臟疾病的最主要原因之一[43]。

研究表明,具有肝臟毒性的四氯化碳可以下調SLC7A11表達進而促進肝細胞鐵死亡,從而引起急性肝損傷的發生[6]。間充質干細胞是一類具有促進肝再生和修復肝損傷等方面的潛力細胞,間充質干細胞移植可以通過介導SLC7A11的去泛素化穩定其功能,抑制肝細胞鐵死亡,從而介導急性肝損傷小鼠的肝臟修復[6]。

臨床上,肝移植、全身性休克、心力衰竭、出血和敗血癥等多種因素均可引起肝臟缺血/再灌注損傷從而誘發急性肝損傷[44]。富馬酸二甲酯(dimethyl fumarate,DMF)是一種具有細胞保護和抗氧化作用的藥物,可通過激活Nrf2/SLC7A11軸抑制鐵死亡,并對肝臟缺血/再灌注損傷發揮保護作用[45]。

乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)感染是全球急性肝功能衰竭的主要原因之一[46]。HBV X蛋白(HBx)是一種重要的HBV調節蛋白,可通過抑制SLC7A11功能從而促進肝細胞鐵死亡,加快急性肝功能衰竭進程[47]。而在肝細胞過表達SLC7A11則可減弱HBx對原代肝細胞鐵死亡的影響[48]。

綜上所述,SLC7A11參與部分急性肝損傷的發病機制,靶向SLC7A11可能是一種治療和預防急性肝損傷的新策略。

2.2 SLC7A11與肝纖維化

全球每年約有200萬人死于慢性肝病,普遍認為肝纖維化是慢性肝病進展過程中必不可少的病理生理過程[49]。肝纖維化的特征是細胞外基質過度積累[49]。作為主要的細胞外基質生成細胞,肝星狀細胞(hepatic stellate cell,HSC)經炎癥介質激活后大量分泌細胞外基質,從而促進纖維組織沉積和瘢痕形成[50]。肝纖維化的消退伴隨著活化的HSC減少或丟失,促進HSC失活可能是一種抗纖維化策略[51]。

研究發現,原代小鼠HSC中Slc7a11mRNA水平幾乎是原代小鼠肝細胞的數倍[7]。抑制原代小鼠HSC中SLC7A11的功能可阻斷GSH合成,減少HSC的生長和纖維化基因表達,并引發HSC發生鐵死亡[7]。由此表明,使用SLC7A11抑制劑可減輕HSC介導的肝纖維化。然而,SLC7A11抑制劑會加劇肝細胞的損傷并損害其再生功能[7]。

HBx不僅可以引起急性肝損傷,還可以通過抑制HSC鐵死亡進而促進肝纖維化[47]。大黃酚是一種存在于傳統中藥中的蒽醌,具有保護神經、抗癌、抗菌、抗病毒、抗氧化和調節血脂等多種功效[52]。有研究表明,大黃酚可以通過下調GPX4和SLC7A11表達從而減弱HBx對HSC鐵死亡的抑制效應,進而改善肝纖維化[53]。除大黃酚外,黃芩中提取的黃酮類化學物質漢黃芩苷也對肝臟具有保護作用[54]。漢黃芩苷可以通過p53/SLC7A11通路誘導HSC鐵死亡進而減輕肝纖維化[55]。

纖維化的肝臟多出現缺氧區域,并伴有缺氧誘導因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)表達增加[56]。索拉非尼是一種具有抗腫瘤作用的多激酶抑制劑,此外,還可通過抑制細胞增殖和促進細胞凋亡進而降低HSC活力,從而在肝臟中表現出抗纖維化作用[57]。索拉非尼通過HIF-1α/SLC7A11通路誘導HSC鐵死亡,降低肝纖維化水平[58]。索拉非尼治療可降低HIF-1α水平,進而降低HSC中SLC7A11表達,導致GPX4失活、GSH耗盡,并最終誘導HSC鐵死亡從而減少細胞外基質形成[58]。

綜上,SLC7A11在肝細胞和HSC中的表達影響肝臟纖維化的進程。因此,通過藥物特異性靶向抑制HSC中的SLC7A11有可能成為臨床治療肝纖維化的新策略。

2.3 SLC7A11與非酒精性脂肪肝病

作為全球慢性肝病的最常見原因,非酒精性脂肪肝病(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)表現為肝臟脂質異常蓄積,包括單純性肝脂肪變性和非酒精性脂肪性肝炎等多種肝臟疾病[59]。近年來,為了更好地強調代謝功能障礙在肝臟疾病中的病理生理學意義,專家將NAFLD重新定義為代謝功能障礙相關脂肪肝病(metabolic dysfunction-associated fatty liver disease,MAFLD)[60]。迄今為止,尚不完全清楚MAFLD的確切致病機制,也沒有針對NAFLD/MAFLD的有效治療藥物。

近期一項研究在分析NAFLD體外細胞模型中蛋白質譜的變化時發現,SLC7A11存在差異表達,但是目前尚無NAFLD動物模型中關于SLC7A11差異表達的研究報道[61]。胰島素抵抗是誘發NAFLD的重要因素,其引起的高胰島素水平會干擾脂質代謝從而加重肝臟的脂質蓄積[62]。研究表明,Erastin可通過抑制SLC7A11的功能引起胰腺β細胞發生鐵死亡,而槲皮苷可一定程度降低胰腺β細胞對鐵死亡的敏感性從而減輕胰島素抵抗[8]。

盡管目前的研究結果尚不能證明SLC7A11與NAFLD存在直接的因果關系,但是越來越多的證據表明SLC7A11異常表達可以通過多種參與代謝功能障礙的影響因素加快NAFLD的疾病進展。

2.4 SLC7A11與酒精性肝病

酒精性肝病(alcoholic liver disease,ALD)是由于乙醇攝入過多而引起的逐漸加重的肝損傷疾病[63],其發病率逐年上升[64]。戒酒是預防和緩解ALD的最有效策略,但目前仍需篩選有效藥物并確定新的治療分子靶點。

乙醇的攝入可降低肝細胞和ALD小鼠模型肝組織中SLC7A11表達,導致脂質過氧化水平升高,而Erastin可一定程度逆轉該現象[9]。Nrf2作為細胞抗氧化反應的關鍵調節因子,在減輕ALD的脂質過氧化和鐵死亡中起關鍵作用[65]。研究發現,DMF通過激活Nrf2通路上調SLC7A11蛋白表達進而抑制鐵死亡,從而對乙醇誘導的氧化損傷具有保護作用[66]。

總體而言,抑制SLC7A11表達可以一定程度加劇ALD的惡化,然而為ALD患者探索基于SLC7A11的有效治療靶點仍需要進一步研究。

2.5 SLC7A11與肝細胞癌

全球每年約有70萬新發肝細胞癌患者,其中我國病例數占一半以上[67]。肝細胞癌對放療和化療的敏感性較低,且肝癌細胞易于轉移,手術和肝移植治療也往往無法達到預期的效果[68]。一項轉錄組學的研究在分析SLC7A11與肝細胞癌臨床特征之間的關聯時指出,SLC7A11具有判斷肝細胞癌患者預后的價值[69]。近期研究發現,與正常組織和細胞相比,SLC7A11蛋白在肝癌組織和細胞中呈高表達,與患者晚期預后不良顯著相關,表明SLC7A11可作為一個獨立的肝癌預后因素[70]。Wada等[10]進一步研究發現,SLC7A11在低分化肝癌中呈高表達;體外實驗也證實,SLC7A11抑制劑之一的柳氮磺胺吡啶(SASP) 可以抑制胱氨酸的攝取,并通過抑制CD44v-SLC7A11復合物的形成進而促進肝癌細胞的鐵死亡。

放射抗性是肝細胞癌放療失敗的主要原因。近期的研究發現,細胞因子信號轉導抑制因子2(suppressor of cytokine signaling 2,SOCS2)可作為肝細胞癌放療的潛在預后預測因子,且SOCS2和SLC7A11在具有不同放射敏感性的肝細胞癌組織和腫瘤異種移植物中表達呈負相關[71]。進一步研究發現,SOCS2可將泛素轉移至SLC7A11,促進SLC7A11泛素化降解,最終導致肝細胞癌的鐵死亡和放射增敏的發生[71]。

上述研究表明,SLC7A11在肝細胞癌中起重要作用,抑制SLC7A11表達的藥物可能成為治療肝細胞癌的潛在靶點。

3 總結與展望

SLC7A11作為細胞膜上的氨基酸轉運活性亞基,在體內發揮著廣泛的生物學效應。SLC7A11與多種肝臟疾病的發生發展有關,且病理機制復雜。高表達SLC7A11的肝癌細胞可增強其耐藥性和放射抗性,而抑制SLC7A11在HSC中的表達可以抑制肝臟纖維化的進展。總體而言,SLC7A11是維持肝臟細胞氧化還原穩態、抵抗細胞死亡的重要蛋白。盡管高表達SLC7A11的癌細胞在葡萄糖缺乏條件下可觸發細胞發生雙硫死亡,但是目前雙硫死亡在肝臟疾病中的作用仍有待進一步探索。

越來越多的證據表明SLC7A11可作為肝臟疾病尤其是腫瘤治療的重要靶點,使用SLC7A11抑制劑拮抗SLC7A11在腫瘤耐藥中的作用,從而提高腫瘤治療效果。此外,由于SLC7A11高表達的癌細胞會增強細胞對葡萄糖的依賴性,利用葡萄糖轉運體抑制劑促進癌細胞雙硫死亡也受到了廣泛關注。最近研究報道了人類SLC7A11-SLC3A2復合物的結構[72],且Erastin結合該復合物的高分辨率結構已被解析[73],由此可能為合理設計有效的鐵死亡誘導劑提供結構基礎,從而產生更有效的治療策略。目前,針對SLC7A11的疫苗已經研制成功,但可能需要大劑量才能達到抑制SLC7A11的效果;且疫苗的安全性仍有待探索,其毒副作用需進一步評估[74]。開發靶向SLC7A11的新型高效小分子藥物可能是未來治療肝臟疾病的發展方向之一。