3篇Cancer Res文章均锁定同一通路！谷胱甘肽代谢通路这么火？

吉凯基因

2021.1.07

作者吉凯基因

TA的动态

我们知道，癌细胞生存环境恶劣，低氧、酸性、缺营养，并面临炎症介导因子、氧化自由基（ROS）的损伤，想要存活下来必须做到：一方面保证充足的营养，为此，癌细胞会充分利用机体的代谢产能；另一方面要防止ROS诱导的氧化应激损伤。

谷胱甘肽（GSH）是细胞中表达最为丰富的一种抗氧化剂，正常情况下SLC7A11输出大量细胞内的谷氨酸，以换取细胞外的胱氨酸，SLC7A11导入的胱氨酸则转化为半胱氨酸，支持谷胱甘肽生物合成和ROS解毒（下图-a）。在葡萄糖剥夺条件下，SLC7A11导入的胱氨酸会消耗NAPDH并诱导ROS，与此同时，由于缺乏足够的糖酵解供能TCA循环和线粒体呼吸难以维持（下图-b）。

From Koppula, P. et al, 2018

本文我们将分享3篇GSH代谢通路机制的文章。

研究背景

结节性硬化症是由于TSC1或TSC2突变导致的常染色体遗传病，p62/sequestosome-1 (SQSTM1)是一种多功能的适配体蛋白、一种自噬底物，在mTORC1高度活跃的细胞（如肿瘤抑制基因TSC1/TSC2突变的肾细胞）显著增加。

文章概览

本文报道p62是TSC2诱发的肾肿瘤的关键性诱导因子，通过代谢组学、线粒体功能检测及分子生物学等技术手段阐明p62是如何维持胞内谷胱甘肽的含量，从而抑制高活性mTORC1所导致的肿瘤细胞线粒体功能紊乱。在此过程中，p62和氧化还原稳态可能是肾肿瘤治疗缺陷。

1. 表型

Tsc2-/-小鼠是结节性硬化症的动物模型，Tsc2单敲除鼠（Tsc2+/−）或Tsc2基因编辑敲除鼠（Tsc2f/f （即Tsc2 floxed）Ksp-Cre ERT2+）与p62敲除鼠（p62-/-）杂交后，可以避免肾肿瘤的恶性进展。

技术细节

Floxed：在遗传学中，floxed被用来描述夹在两个lox P位点之间的DNA序列，是短语“被LoxP夹持”的缩写。Cre重组酶催化LoxP位点之间的重组(来源于 Wikipedia)。

需三苯氧胺（Tamoxifen）诱导的Cre ERT2+小鼠：在无三苯氧胺诱导的情况下，cre-ERT2在细胞质内无活性状态；三苯氧胺诱导之后，其代谢产物4-OHT（雌激素类似物）会与ERT结合，可使Cre-ERT2进核并发挥Cre重组酶活性。

2.机制探究——与线粒体功能、代谢（谷氨酰胺的合成）、氧化应激有关

代谢组学发现：在Tsc无效细胞中，p62的敲减可以减弱胞内谷氨酰胺、谷氨酸盐、谷胱甘肽的合成，p62能够正向调控谷氨酰胺转运蛋白Slc1a5，增加Tsc2无效细胞中谷氨酰胺的摄取。同时，影响谷胱甘肽合成及利用的相关分子Gcl、Gsr、Nqo1、Srxn1的表达随着p62的衰减而下降。P62的敲减能够改变线粒体形态，减弱线粒体膜电位及线粒体最大呼吸能力，增加线粒体活性氧自由基ROS和线粒体自噬标志物PINK1的表达。

功能回复实验发现，内源性谷胱甘肽表达的增加及过表达Sod2会抑制线粒体损伤、促进Tsc2无效细胞的生长。而且，胞内p62的敲减会激活Tsc2无效细胞，使其易于发生氧化应激；在丁硫氨酸亚砜胺作用之下会抑制谷胱甘肽的生成。

研究背景

由于铂类药物耐受性(Pt-T)癌细胞驱动肿瘤的复发，对铂耐受性癌细胞的特性研究可能有助于发现新的卵巢癌治疗漏洞。

文章概览

这篇文章通过反复暴露于铂类抗癌药物的卵巢癌体内、体外模型，通过测序、分子生物学、细胞功能实验方法鉴定特异性的分子标记，发现Wnt通路跨膜受体Rizzled-7（FZD7）是卡铂耐受性卵巢癌细胞发生铁死亡的关键因子。

1.表型

铂耐受性卵巢癌细胞能够形成更多的球形克隆；FZD7基因敲除的卵巢癌细胞对铂类抗癌药物的敏感性增强，球形克隆的形成能力减弱，并且可以延缓肿瘤的发生。FZD7阳性铂耐受性卵巢癌细胞更容易发生铁死亡现象。

2.机制研究

铂耐受性卵巢癌细胞在乙酸脱氢酶（ALDH) 阳性细胞中富集。与亲代细胞相比，化疗药物所诱导的铂耐受性细胞其肿瘤干细胞相关转录因子的表达水平增加。此外，铂耐受性卵巢癌细胞和卵巢肿瘤与各自对照组相比，FZD7的表达上调，FZD7阳性与FZD7阴性细胞群的特征分子参与上皮-间皮细胞转换(EMT)、氧化磷酸化过程，具有干细胞特性。

FZD7过表达则会激活致癌因子Tp63，促进谷胱甘肽代谢途径的上调，包括谷胱甘肽过氧化物酶4 (GPX4)，保护细胞免受化疗诱导的氧化应激。相较于FZD7阴性卵巢癌细胞，FZD7阳性铂耐受性卵巢癌细胞对GPX4抑制剂更加敏感，并且更容易发生铁死亡现象。

研究背景

在肿瘤的发展过程中，癌细胞需要产生大量的谷胱甘肽（GSH）来抵抗氧化应激带来的损伤。谷胱甘肽生物合成的一个限速步骤是通过胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白Xc-摄取胱氨酸。Xc-是一种钠离子非依赖的反转运蛋白，由1条轻链xCT（SLC7A11基因）和1条重链4F2hc（SLC3A2基因）以二硫键连接而成，在细胞外胱氨酸和细胞内谷氨酸浓度梯度的被动驱动下穿过细胞膜。随着胞外谷氨酸浓度的增加，Xc-摄取胱氨酸的潜能受到抑制，所以不能生成足够的GSH来抵抗ROS损伤。作者猜测：癌细胞很可能另辟蹊径进化出克服这种负反馈调节的新机制。

文章概览

这项研究报道了肺癌细胞中一种谷氨酸转运体SLC1A1，与胱氨酸摄取和谷胱甘肽生物合成紧密相关。本文通过NNK诱导下构建肺癌Gprc5a-KO基因敲除小鼠模型及shRNA慢病毒感染敲减SLC1A1的表达，采用代谢组学、RNA-seq等方法筛选，通过同位素标记追踪、分子生物学方法验证得到的钠离子依赖的谷氨酸载体SLC1A1，能将细胞外的谷氨酸主动回收到细胞内，经Xc-转运体和促进GSH生物合成的方式提高胱氨酸摄取效率。

From Guo, W. et al., 2020

1.表型:

将肿瘤细胞培养在谷氨酸耗尽的培养基中，通过添加或不添加外源性谷氨酸来检测肿瘤细胞的生长。耗尽谷氨酰胺(Gln-)的培养基可以抑制A549-shNC细胞的生长，而培养基中外源性地添加谷氨酸(Gln- Glu+)能恢复A549-shNC细胞的生长。但对A549-sh-SLC1A1细胞不起作用。另外，耗尽谷氨酰胺（Gln-）的培养基可使ALDH+细胞减少，而培养基中外源性地添加谷氨酸(Gln- Glu+)可显著恢复A549- siNC和Calu-1-siNC细胞中ALDH+细胞的数量。然而，对A549-siSLC1A1和Calu-1-siSLC1A1细胞是没有作用的。

技术细节

乙醛脱氢酶（ALDH）催化体内有毒性的乙醛转化为无毒性的羧酸，从而来保持细胞内稳态，这对于干细胞和癌症干细胞的自我更新也尤为重要。在本文中应用于肺癌肿瘤细胞的干性研究。

2.机制研究

代谢组，转录组学发现，GSH合成的增加和谷氨酸转运体Slc1a1的上调与Gprc5a-KO小鼠肺肿瘤的发生有关。SLC1A1的过表达会促进谷氨酸摄取、谷胱甘肽合成和肺癌细胞的恶性转变；相反，谷氨酸转运体SLC1A1的缺失会增加谷氨酸的胞外浓度，从而抑制了胱氨酸摄取，阻断了GSH合成。与si-NC-C A549细胞相比，siSLC1A1-C细胞中ROS增加（Gln- Glu+培养基），而添加还原剂GSH-MEE或α-生育酚可显著降低A549-siSLC1A1的ROS水平，但对A549-si-NC没有影响。说明SLC1A1可以诱导氧化应激介导的细胞死亡或生长抑制。

此外，在非小细胞肺癌患者的组织样本中谷氨酸转运蛋白往往是上调的，进一步印证了作者的猜想。

From Guo, W. et al., 2020

综上，三篇文章都是在所构建动物/细胞模型的基础上，通过代谢组发现GSH代谢相关产物的变化，通过测序或表达验证的方法证明关键性GSH分子的表达变化，最终关键性功能表型（即ROS导致的线粒体功能、氧化应激、氨基酸胞内、外浓度的变化）进一步证实了GSH在肿瘤发生发展中的作用。

之所以GSH代谢通路如此重要，能够在多种肿瘤中发挥作用，是由癌细胞极高的消耗导致机体极度缺氧而引发。缺氧会直接降低甚至关闭线粒体的耗氧过程，于是依赖糖酵解供能。有氧氧化的阻断使得维持GSH还原状态的辅酶NADPH水平降低，因此GSH水平下降。作为ROS的有效还原剂，GSH就不能充分地应对ROS导致的氧化应激损伤。三篇文章中，导致不同肿瘤GSH通路发生异常的关键性分子并不相同，但却有章可循，如其中涉及编码谷胱甘肽氧化酶、谷胱甘肽转运体的基因异常表达。

【参考文献】

1.Amino acid transporter SLC7A11/xCT at the crossroads of regulating redox homeostasis and nutrient dependency of cancer. Cancer communications (London, England), 38(1), 12.

2.p62/SQSTM1 Cooperates with Hyperactive mTORC1 to Regulate Glutathione Production, Maintain Mitochondrial Integrity, and Promote Tumorigenesis. Cancer research, 77(12), 3255–3267.

3.Frizzled-7 Identifies Platinum Tolerant Ovarian Cancer Cells Susceptible to Ferroptosis. Cancer research, canres.1488.2020. Advance online publication.

4.Dysregulated Glutamate Transporter SLC1A1 Propels Cystine Uptake via Xc- for Glutathione Synthesis in Lung Cancer. Cancer research, canres.0617.2020. Advance online publication.