SLC7A11/xCT在肝脏疾病中的研究进展

兰玥, 严文静,2, 王雯,2

(1. 首都医科大学基础医学院, 北京 100069; 2. 代谢紊乱相关心血管疾病北京市重点实验室, 北京 100069)

氨基酸在体内参与能量产生、大分子合成和氧化还原稳态等多种细胞生物过程,对于细胞生长至关重要。细胞通过位于质膜或胞内细胞器中的转运蛋白运输氨基酸参与代谢,以维持细胞的正常生理功能[1]。由三种氨基酸构成的谷胱甘肽(glutathione,GSH)是激活或诱导抗氧化酶的关键辅助因子,它还能维持蛋白质的正常功能并中和细胞毒性物质。肝脏是发挥代谢解毒功能的重要器官,同时也是GSH合成的主要场所[2]。GSH在肝内浓度最高,在肝脏生化代谢中起重要作用。半胱氨酸是胱氨酸的还原产物,是GSH合成的限速前体[2]。溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7 member 11,SLC7A11/xCT)是L-胱氨酸/L-谷氨酸反向转运体系统XC-的功能亚基,介导细胞摄取胱氨酸,并在防御氧化应激、抑制铁死亡和提高肿瘤治疗敏感性方面发挥重要作用[3-4]。

2023年2月,由甘波谊教授团队最新研究发现,在葡萄糖缺乏条件下,高表达SLC7A11癌细胞可促进细胞发生双硫死亡(disulfidptosis)——一种全新的细胞死亡类型[5]。越来越多的研究表明,SLC7A11在急性肝损伤[6]、肝纤维化[7]、非酒精性脂肪肝病[8]、酒精性脂肪肝病[9]以及肝细胞癌[10]等多种肝脏疾病的病理生理过程中均发挥重要作用。本文针对SLC7A11结构、功能、调控机制及近年来SLC7A11在肝脏疾病中的研究进展作一综述。

1 SLC7A11概述

1.1 SLC7A11结构和功能

人类SLC7A11基因位于4号染色体,其编码的蛋白质由包含14个外显子的501个氨基酸残基组成。SLC7A11含12个高度疏水的跨膜结构域,其N端和C端均位于细胞质中[11]。生理情况下,SLC7A11在大脑和肝脏等组织以及巨噬细胞中广泛表达[12]。此外,SLC7A11在肝细胞癌[13]、肺腺癌[14]和神经胶质瘤[15]等多种肿瘤中呈高表达。

溶质载体家族是人类基因组中仅次于G蛋白偶联受体的第二大基因家族,参与介导代谢物和溶质跨细胞膜的转运[16]。SLC7A11是一种参与氨基酸代谢以维持胞内氧化还原稳态的重要跨膜蛋白。SLC7A11与溶质载体家族3成员2(solute carrier family 3 member 2,SLC3A2)共同组成XC-系统,其中,SLC3A2作为伴侣蛋白参与维持SLC7A11的稳定性,SLC7A11作为功能亚基发挥主要生物学功能和转运活性[3]。SLC7A11以1 ∶1的比例摄入胞外胱氨酸并排出胞内谷氨酸[3];进入细胞质的胱氨酸迅速还原为半胱氨酸用于合成GSH[17]。谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4, GPX4)通过氧化GSH将脂质过氧化物解毒为脂质醇,降低细胞氧化应激水平从而抑制细胞发生铁死亡[18]。铁死亡是一种以过度的铁蓄积和脂质过氧化为特征的细胞死亡形式,SLC7A11是调控铁死亡的上游转运蛋白之一[17]。SLC7A11介导的转运功能可被铁死亡激动剂伊拉斯汀(Erastin)阻断,导致细胞内胱氨酸水平降低和GSH生物合成耗竭,间接抑制GPX4活性从而促进铁死亡[19]。

尽管众多研究聚焦SLC7A11在肿瘤中的抗铁死亡效益,但越来越多证据也表明,SLC7A11发挥着独立于铁死亡的其他重要生物学功能。研究发现,小鼠黑色素细胞中Slc7a11缺陷可导致大量细胞死亡,并伴有半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3的活化这一细胞凋亡特征[20]。随后研究表明,抑制SLC7A11表达可在不同环境下诱导癌细胞凋亡[21-22]。虽然Erastin通过抑制SLC7A11介导的胱氨酸摄取能够有效诱导铁死亡,但是另有研究发现,SLC7A11抑制剂HG106不诱导铁死亡而更倾向使细胞发生凋亡[23]。

此外,SLC7A11还可通过调节细胞对葡萄糖的敏感性从而参与肿瘤细胞的增殖[24]。研究发现,通过SLC7A11敲低、过表达以及SLC7A11抑制剂的使用,在缺乏葡萄糖的条件下SLC7A11促进癌细胞死亡[4]。SLC7A11向胞内运输胱氨酸可以促进肿瘤生长,但过量胱氨酸和其他二硫化物水平升高具有细胞毒性[25],且胱氨酸还原为半胱氨酸过程高度依赖于葡萄糖-磷酸戊糖途径生成的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)。近期一项研究表明,高表达SLC7A11的癌细胞利用NADPH分子将有毒的二硫化物迅速转化为其他无毒分子;但在葡萄糖缺乏时,NADPH被大量消耗,大量积累的胱氨酸等二硫化物分子诱发二硫化物应激,导致肌动蛋白细胞骨架之间的异常二硫键交联,最终导致肌动蛋白网络崩溃,进而引发细胞死亡[5]。这种葡萄糖缺乏诱导的高表达SLC7A11癌细胞死亡不属于任何一种已知的细胞死亡类型,且不能被一般细胞死亡抑制剂或敲除铁死亡/细胞凋亡关键基因所阻断,但硫醇氧化剂(如二酰胺和马来酸二乙酯)则可以显著增强,因而将该种细胞死亡方式命名为“双硫死亡”[5]。进一步研究发现,利用葡萄糖转运体抑制剂可诱导高表达SLC7A11癌细胞发生双硫死亡,有效抑制肿瘤生长,且对正常组织无明显毒性[5];该方法有望成为癌症治疗的新策略。SLC7A11参与多种细胞死亡方式的简要机制见图1。

SLC7A11:溶质载体家族7成员11;NADPH:还原型辅酶Ⅱ;NADP+:氧化型辅酶Ⅱ图1 SLC7A11参与多种细胞死亡方式的简要机制图

1.2 SLC7A11及其蛋白的调控机制

SLC7A11及其蛋白的调控机制较复杂。现有研究表明,多种转录因子、表观遗传及翻译后修饰机制参与SLC7A11及其蛋白调控,包括参与调节SLC7A11转录活性、蛋白的表达和定位等。

1.2.1 转录因子对SLC7A11的调控 氧化应激、氨基酸缺乏等多种应激原均会显著上调SLC7A11表达,从而维持细胞氧化还原稳态的平衡[26]。激活转录因子4(activating transcription factor 4,ATF4)和核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,Nrf2)是参与应激诱导SLC7A11转录的两个主要转录因子。ATF4是转录激活因子/环磷腺苷反应元件结合蛋白(CREB)转录因子家族的成员,可调节氧化还原稳态、氨基酸代谢和内质网应激[27]。当细胞生存环境缺乏氨基酸尤其是谷氨酰胺和半胱氨酸时,细胞可通过控制非去阻遏蛋白2/真核起始因子2α/ATF4信号轴将ATF4转入细胞核并结合至基因启动子中的氨基酸反应元件,从而促进包括SLC7A11在内的多种参与氨基酸代谢和应激反应的基因转录[28]。Nrf2是一种主要介导抗氧化反应的转录因子。在生理条件下Nrf2极不稳定,可被Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1 (Kelch-like ECH-associated protein 1,KEAP1)泛素化,并经蛋白酶体降解;在氧化应激情况下,KEAP1介导的Nrf2降解途径被阻断,Nrf2可以保持稳定并与抗氧化反应元件的氨基酸反应元件区域结合,诱导SLC7A11转录[11]。研究表明,ATF4和Nrf2相互作用于SLC7A11启动子区域,在多种代谢应激条件下协同调控SLC7A11转录[29]。

转录因子p53和激活转录因子3(activating transcription factor 3,ATF3)也可以对SLC7A11进行负调控。众所周知p53是抑癌基因,而p53蛋白是一种转录因子。研究表明,p53可以在多种条件下通过抑制SLC7A11表达促进细胞铁死亡[30]。p53缺陷可显著上调SLC7A11表达,从而增强肿瘤细胞对铁死亡的抵抗[30]。该研究进一步揭示,p53可以通过减弱Nrf2功能进而抑制SLC7A11表达[30]。ATF3是ATF/CREB转录因子家族的另一个成员。在碱性条件下,ATF3可以与SLC7A11启动子结合并抑制SLC7A11表达。Erastin可通过上调ATF3促进细胞铁死亡[31]。

总体而言,各种应激原可以通过ATF4和(或)Nrf2促进SLC7A11转录,而在生理条件下p53和ATF3主要抑制SLC7A11表达。这些转录因子通过调节SLC7A11转录活性和蛋白表达影响SLC7A11介导的下游生物学效应,进而影响细胞对铁死亡的敏感性。

1.2.2 表观遗传修饰对SLC7A11的调控 表观遗传调控主要是通过DNA或DNA相关组蛋白的修饰影响基因的转录,包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化、甲基化和泛素化等[32]。

含溴结构域蛋白4(bromodomain-containing protein 4,BRD4)的主要功能是识别乙酰化组蛋白并募集转录因子进而调节基因转录[33]。研究表明,敲除BRD4或使用BRD4抑制剂可显著抑制SLC7A11表达并促进铁死亡[33]。乳腺癌1号基因相关蛋白1(BRCA1-associated protein 1,BAP1)是一种具有去泛素化酶活性的核蛋白,其可在SLC7A11启动子处使组蛋白H2A的119位赖氨酸去泛素化,进而抑制SLC7A11表达导致胱氨酸摄取减少和铁死亡敏感性增强;相反,癌细胞中BAP1缺陷则会导致SLC7A11上调和铁死亡抵抗[34]。

染色质重塑是调控基因的另一个关键表观遗传机制。研究表明,酵母交换型转换/蔗糖不发酵型(yeast mating-type switching/sucrose non-fermenting,SWI/SNF)复合物介导的染色质重塑参与调节SLC7A11转录[35]。SWI/SNF复合物可以与SLC7A11启动子结合,通过自身染色质重塑促进Nrf2介导的SLC7A11转录激活[35]。SWI/SNF缺陷抑制SLC7A11转录,导致胱氨酸摄取和GSH生物合成受阻,随后促进活性氧诱导的细胞铁死亡[35]。

1.2.3 翻译后修饰对SLC7A11蛋白的调控 除SLC3A2外,近期研究发现黏附分子CD44变体(CD44 variant,CD44v)可通过与SLC7A11结合形成复合物,从而维持SLC7A11蛋白的稳定性。CD44v失活可破坏SLC7A11的稳定性,进而导致SLC7A11在调节GSH合成、氧化还原方面的功能受损[36]。一项研究将含去泛素化酶卵巢肿瘤蛋白(ovarian tumor, OTU)域的泛素乙酰结合蛋白1(OTU domain-containing ubiquitin aldehyde-binding protein 1, OTUB1)归为一种与SLC7A11相互作用的蛋白,发现OTUB1可通过阻止SLC7A11泛素化和蛋白酶体降解从而稳定SLC7A11[37]。进一步研究发现,OTUB1、CD44v和SLC7A11可以形成三聚体复合物,CD44v通过维持OTUB1和 SLC7A11之间的相互作用从而促进SLC7A11的稳定[37]。因此,CD44v或OTUB1失活可破坏SLC7A11的稳定性并增强细胞对铁死亡的敏感性。

如前所述,SLC7A11促进癌细胞的葡萄糖依赖性,导致高表达SLC7A11的癌细胞对葡萄糖缺乏的敏感性增强[4]。在葡萄糖缺乏时,癌细胞一定程度是通过下调SLC7A11蛋白的表达水平从而降低癌细胞之间的接触抑制[38]。研究表明,较高的细胞密度可通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)促进SLC7A11在溶酶体中的降解[19]。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)在细胞内主要通过与其他蛋白质分子相互作用形成多蛋白复合体发挥作用。根据对雷帕霉素是否敏感,mTOR分为对雷帕霉素敏感的mTORC1和对雷帕霉素不敏感的mTORC2。值得注意的是,SLC7A11不仅受mTORC1调控,还受mTORC2调控;mTORC2可与SLC7A11相互作用并磷酸化其25及26位丝氨酸位点致SLC7A11失活[39-40]。

另有研究表明,SLC7A11细胞表面定位也受到调节。表皮生长因子受体与SLC7A11相互作用并保持其在质膜上的合适定位[41]。高表达表皮生长因子受体的胶质瘤细胞可促进胱氨酸摄取和GSH生物合成进而促进肿瘤生长和侵袭[41]。

2 SLC7A11在肝脏疾病中的作用

2.1 SLC7A11与急性肝损伤

急性肝损伤是由药物、缺血/再灌注损伤或病毒性肝炎等多种因素引起的急性肝功能障碍,严重时可导致急性肝功能衰竭[42]。急性肝损伤具有高发病率和高死亡率等特点,是导致肝脏疾病的最主要原因之一[43]。

研究表明,具有肝脏毒性的四氯化碳可以下调SLC7A11表达进而促进肝细胞铁死亡,从而引起急性肝损伤的发生[6]。间充质干细胞是一类具有促进肝再生和修复肝损伤等方面的潜力细胞,间充质干细胞移植可以通过介导SLC7A11的去泛素化稳定其功能,抑制肝细胞铁死亡,从而介导急性肝损伤小鼠的肝脏修复[6]。

临床上,肝移植、全身性休克、心力衰竭、出血和败血症等多种因素均可引起肝脏缺血/再灌注损伤从而诱发急性肝损伤[44]。富马酸二甲酯(dimethyl fumarate,DMF)是一种具有细胞保护和抗氧化作用的药物,可通过激活Nrf2/SLC7A11轴抑制铁死亡,并对肝脏缺血/再灌注损伤发挥保护作用[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)是一种重要的HBV调节蛋白,可通过抑制SLC7A11功能从而促进肝细胞铁死亡,加快急性肝功能衰竭进程[47]。而在肝细胞过表达SLC7A11则可减弱HBx对原代肝细胞铁死亡的影响[48]。

综上所述,SLC7A11参与部分急性肝损伤的发病机制,靶向SLC7A11可能是一种治疗和预防急性肝损伤的新策略。

2.2 SLC7A11与肝纤维化

全球每年约有200万人死于慢性肝病,普遍认为肝纤维化是慢性肝病进展过程中必不可少的病理生理过程[49]。肝纤维化的特征是细胞外基质过度积累[49]。作为主要的细胞外基质生成细胞,肝星状细胞(hepatic stellate cell,HSC)经炎症介质激活后大量分泌细胞外基质,从而促进纤维组织沉积和瘢痕形成[50]。肝纤维化的消退伴随着活化的HSC减少或丢失,促进HSC失活可能是一种抗纤维化策略[51]。

研究发现,原代小鼠HSC中Slc7a11mRNA水平几乎是原代小鼠肝细胞的数倍[7]。抑制原代小鼠HSC中SLC7A11的功能可阻断GSH合成,减少HSC的生长和纤维化基因表达,并引发HSC发生铁死亡[7]。由此表明,使用SLC7A11抑制剂可减轻HSC介导的肝纤维化。然而,SLC7A11抑制剂会加剧肝细胞的损伤并损害其再生功能[7]。

HBx不仅可以引起急性肝损伤,还可以通过抑制HSC铁死亡进而促进肝纤维化[47]。大黄酚是一种存在于传统中药中的蒽醌,具有保护神经、抗癌、抗菌、抗病毒、抗氧化和调节血脂等多种功效[52]。有研究表明,大黄酚可以通过下调GPX4和SLC7A11表达从而减弱HBx对HSC铁死亡的抑制效应,进而改善肝纤维化[53]。除大黄酚外,黄芩中提取的黄酮类化学物质汉黄芩苷也对肝脏具有保护作用[54]。汉黄芩苷可以通过p53/SLC7A11通路诱导HSC铁死亡进而减轻肝纤维化[55]。

纤维化的肝脏多出现缺氧区域,并伴有缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α,HIF-1α)表达增加[56]。索拉非尼是一种具有抗肿瘤作用的多激酶抑制剂,此外,还可通过抑制细胞增殖和促进细胞凋亡进而降低HSC活力,从而在肝脏中表现出抗纤维化作用[57]。索拉非尼通过HIF-1α/SLC7A11通路诱导HSC铁死亡,降低肝纤维化水平[58]。索拉非尼治疗可降低HIF-1α水平,进而降低HSC中SLC7A11表达,导致GPX4失活、GSH耗尽,并最终诱导HSC铁死亡从而减少细胞外基质形成[58]。

综上,SLC7A11在肝细胞和HSC中的表达影响肝脏纤维化的进程。因此,通过药物特异性靶向抑制HSC中的SLC7A11有可能成为临床治疗肝纤维化的新策略。

2.3 SLC7A11与非酒精性脂肪肝病

作为全球慢性肝病的最常见原因,非酒精性脂肪肝病(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)表现为肝脏脂质异常蓄积,包括单纯性肝脂肪变性和非酒精性脂肪性肝炎等多种肝脏疾病[59]。近年来,为了更好地强调代谢功能障碍在肝脏疾病中的病理生理学意义,专家将NAFLD重新定义为代谢功能障碍相关脂肪肝病(metabolic dysfunction-associated fatty liver disease,MAFLD)[60]。迄今为止,尚不完全清楚MAFLD的确切致病机制,也没有针对NAFLD/MAFLD的有效治疗药物。

近期一项研究在分析NAFLD体外细胞模型中蛋白质谱的变化时发现,SLC7A11存在差异表达,但是目前尚无NAFLD动物模型中关于SLC7A11差异表达的研究报道[61]。胰岛素抵抗是诱发NAFLD的重要因素,其引起的高胰岛素水平会干扰脂质代谢从而加重肝脏的脂质蓄积[62]。研究表明,Erastin可通过抑制SLC7A11的功能引起胰腺β细胞发生铁死亡,而槲皮苷可一定程度降低胰腺β细胞对铁死亡的敏感性从而减轻胰岛素抵抗[8]。

尽管目前的研究结果尚不能证明SLC7A11与NAFLD存在直接的因果关系,但是越来越多的证据表明SLC7A11异常表达可以通过多种参与代谢功能障碍的影响因素加快NAFLD的疾病进展。

2.4 SLC7A11与酒精性肝病

酒精性肝病(alcoholic liver disease,ALD)是由于乙醇摄入过多而引起的逐渐加重的肝损伤疾病[63],其发病率逐年上升[64]。戒酒是预防和缓解ALD的最有效策略,但目前仍需筛选有效药物并确定新的治疗分子靶点。

乙醇的摄入可降低肝细胞和ALD小鼠模型肝组织中SLC7A11表达,导致脂质过氧化水平升高,而Erastin可一定程度逆转该现象[9]。Nrf2作为细胞抗氧化反应的关键调节因子,在减轻ALD的脂质过氧化和铁死亡中起关键作用[65]。研究发现,DMF通过激活Nrf2通路上调SLC7A11蛋白表达进而抑制铁死亡,从而对乙醇诱导的氧化损伤具有保护作用[66]。

总体而言,抑制SLC7A11表达可以一定程度加剧ALD的恶化,然而为ALD患者探索基于SLC7A11的有效治疗靶点仍需要进一步研究。

2.5 SLC7A11与肝细胞癌

全球每年约有70万新发肝细胞癌患者,其中我国病例数占一半以上[67]。肝细胞癌对放疗和化疗的敏感性较低,且肝癌细胞易于转移,手术和肝移植治疗也往往无法达到预期的效果[68]。一项转录组学的研究在分析SLC7A11与肝细胞癌临床特征之间的关联时指出,SLC7A11具有判断肝细胞癌患者预后的价值[69]。近期研究发现,与正常组织和细胞相比,SLC7A11蛋白在肝癌组织和细胞中呈高表达,与患者晚期预后不良显著相关,表明SLC7A11可作为一个独立的肝癌预后因素[70]。Wada等[10]进一步研究发现,SLC7A11在低分化肝癌中呈高表达;体外实验也证实,SLC7A11抑制剂之一的柳氮磺胺吡啶(SASP) 可以抑制胱氨酸的摄取,并通过抑制CD44v-SLC7A11复合物的形成进而促进肝癌细胞的铁死亡。

放射抗性是肝细胞癌放疗失败的主要原因。近期的研究发现,细胞因子信号转导抑制因子2(suppressor of cytokine signaling 2,SOCS2)可作为肝细胞癌放疗的潜在预后预测因子,且SOCS2和SLC7A11在具有不同放射敏感性的肝细胞癌组织和肿瘤异种移植物中表达呈负相关[71]。进一步研究发现,SOCS2可将泛素转移至SLC7A11,促进SLC7A11泛素化降解,最终导致肝细胞癌的铁死亡和放射增敏的发生[71]。

上述研究表明,SLC7A11在肝细胞癌中起重要作用,抑制SLC7A11表达的药物可能成为治疗肝细胞癌的潜在靶点。

3 总结与展望

SLC7A11作为细胞膜上的氨基酸转运活性亚基,在体内发挥着广泛的生物学效应。SLC7A11与多种肝脏疾病的发生发展有关,且病理机制复杂。高表达SLC7A11的肝癌细胞可增强其耐药性和放射抗性,而抑制SLC7A11在HSC中的表达可以抑制肝脏纤维化的进展。总体而言,SLC7A11是维持肝脏细胞氧化还原稳态、抵抗细胞死亡的重要蛋白。尽管高表达SLC7A11的癌细胞在葡萄糖缺乏条件下可触发细胞发生双硫死亡,但是目前双硫死亡在肝脏疾病中的作用仍有待进一步探索。

越来越多的证据表明SLC7A11可作为肝脏疾病尤其是肿瘤治疗的重要靶点,使用SLC7A11抑制剂拮抗SLC7A11在肿瘤耐药中的作用,从而提高肿瘤治疗效果。此外,由于SLC7A11高表达的癌细胞会增强细胞对葡萄糖的依赖性,利用葡萄糖转运体抑制剂促进癌细胞双硫死亡也受到了广泛关注。最近研究报道了人类SLC7A11-SLC3A2复合物的结构[72],且Erastin结合该复合物的高分辨率结构已被解析[73],由此可能为合理设计有效的铁死亡诱导剂提供结构基础,从而产生更有效的治疗策略。目前,针对SLC7A11的疫苗已经研制成功,但可能需要大剂量才能达到抑制SLC7A11的效果;且疫苗的安全性仍有待探索,其毒副作用需进一步评估[74]。开发靶向SLC7A11的新型高效小分子药物可能是未来治疗肝脏疾病的发展方向之一。