科學家揭示腫瘤細胞胱氨酸攝入與葡萄糖依賴的重要聯系

2020年3月30日，美國MD安德森癌癥中心甘波誼課題組及其合作者在Nature Cell Biology發文Cystine transporter regulation of pentose phosphate pathway dependency and disulfide stress exposes a targetable metabolic vulnerability in cancer，發現通過胱氨酸轉運蛋白SLC7A11攝取的胱氨酸在細胞內被還原為半胱氨酸需要消耗大量的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH。

而細胞內NADPH主要來源于葡萄糖代謝旁路——戊糖磷酸途徑，所以導致其高度依賴于葡萄糖的供給。在葡萄糖缺乏時，癌細胞的高SLC7A11表達會導致細胞內胱氨酸和其他二硫化物的明顯積累，氧化還原系統崩潰，進而導致細胞快速死亡。

首先，研究者們進行非靶向代謝組學分析發現，SLC7A11過表達確實增加了細胞內半胱氨酸水平，但 出人意料的是，增加最明顯的代謝物之一是PPP代謝物6-磷酸-葡萄糖酸鹽（6PG），其他PPP代謝產物以及與6PG相關的代謝產物葡萄糖酸鹽也相應增加了。

后續碳13（13C）或氘（2H）標記的葡萄糖同位素示蹤實驗也進一步驗證了SLC7A11高表達導致細胞內戊糖磷酸途徑流量增強，NADPH增加，即葡萄糖代謝通路向戊糖磷酸途徑偏移。

基于TCGA生信分析和不同癌細胞蛋白印跡實驗也顯示，在人類癌癥中，SLC7A11基因表達同戊糖磷酸途徑基因（G6PD，PGD， TKT，TALDO1等）呈顯著正相關性，包括肺癌，腎癌和肝癌等。并且，高SLC7A11和PPP基因表達的癌癥預后更差。

那么SLC7A11與PPP之間的代謝聯系的機制和生理意義又是什么呢？已知 PPP的一項主要功能是產生胞質NADPH，它提供還原能力來支持還原性生物合成反應并維持細胞氧化還原穩態（正常細胞內是高度還原態）。

進一步研究發現，在葡萄糖饑餓條件下，SLC7A11過表達消耗了細胞內大量NADPH，而且胱氨酸大量積累。而在葡萄糖充足的條件下，SLC7A11的過表達并沒有明顯影響細胞內胱氨酸水平，但是半胱氨酸水平卻明顯升高，這表明一旦通過SLC7A11導入細胞，胱氨酸就會迅速還原為半胱氨酸。因此可以推測胱氨酸還原為半胱氨酸過程會消耗大量還原型NADPH。

進一步的分析顯示，在葡萄糖饑餓的情況下，SLC7A11過表達的細胞中除了二硫化物胱氨酸積累，其他二硫化物也會大量積累，例如γ-谷氨酰-胱氨酸和谷胱甘肽-半胱氨酸，同時氧化型谷胱甘肽GSSG，GSSG / GSH比和活性氧自由基（ROS）水平顯著增加，最終導致細胞快速死亡。

為了進一步驗證這種假設，后續實驗中，相比較于單純無葡萄糖培養（葡萄糖饑餓：-Glc）造成的細胞快速大量死亡，同時撤掉胱氨酸（既無葡萄糖又無胱氨酸：-Glc-Cystine）令人驚奇地完全逆轉了高SLC7A11表達癌細胞內的各種細胞脅迫積累和細胞死亡。

另外，研究者們通過提供額外NADPH（2-脫氧-D-葡萄糖2DG，一個葡萄糖類似物，進入細胞后不能進行糖酵解，卻能進行PPP前幾步反應從而提供NADPH），或者利用二硫化物還原劑（β-巰基乙醇，三(2-羧乙基)膦 TCEP）以及二硫化物交換劑（乙酰半胱氨酸NAC， 青霉胺Penicillamine）都能恢復葡萄糖饑餓造成的細胞脅迫和死亡。

總的來看，葡萄糖饑餓導致的高SLC7A11癌細胞內NADPH急劇消耗和二硫化物累積可能是細胞致死的關鍵誘因。

接著，研究者們發現SLC7A11高表達的癌細胞對葡萄糖轉運蛋白GLUT抑制劑BAY-876（Bayer公司研制的GLUT1抑制劑）和KL-11743（紐約Kadmon公司研制的尚未發表的GLUT1/3抑制劑）都特別敏感。KL-11743不僅能體外誘導高SLC7A11癌細胞死亡（模擬葡萄糖饑餓），還能抑制細胞成瘤的生長。

另外，肺癌病人來源的移植瘤（PDX）實驗也證實，KL-11743能顯著抑制高SLC7A11表達的肺癌生長。因為大部分癌細胞中GLUT基因都表達上調，未來癌癥治療中，高SLC7A11表達或許可以作為GLUT抑制劑治療的篩選標記物。

MD安德森癌癥中心的劉曉光博士，張義磊博士和紐約Kadmon公司Kellen Olszewski博士為共同**作者，MD安德森癌癥中心的甘波誼教授為通訊作者。