程序性细胞死亡的研究一直是生命科学的热点领域，无论是持续的还是热门的"铁死亡"（推文：什么是铁死亡，它是如何检测的？你想要的“一对一”来了）。还是“铜死”在生物信息学领域被慷慨地涂上了色彩（推文：Airborne"热门搜索"铜死亡丨解锁细胞死亡新方式），均参与其中"离子传输"。溶质载体（SLC）转运蛋白家族是一个重要的膜转运蛋白家族，在转运过程中在葡萄糖、氨基酸和金属离子的转运中起着重要作用（图1）[1]。
图1SLC蛋白家族转运不同的离子和氨基酸[1]。
SLC7A11 ---死亡监管途径中的一把双刃剑
SLC 家族成员SLC7A11转运蛋白在维持细胞内谷胱甘肽水平和保护细胞免受氧化应激诱导的细胞死亡方面起着重要作用，具有公认的促生存效应[3]。 然而，研究表明，在葡萄糖剥夺条件下，胶质母细胞瘤细胞通过系统 XC-（其中 SLC7A11 是催化亚基）摄取胱氨酸会迅速诱导 NADPH 耗竭、活性氧积累和细胞死亡。
2024年，Gambo Yi团队在Nature Cell Biology上发表了一篇文章，认为高SLC7A11表达促进了葡萄糖饥饿条件下的细胞死亡SLC7A11在调节细胞氧化还原稳态和细胞死亡存活方面是一把双刃剑
图2在葡萄糖饥饿的条件下，SLC7A11的高表达促进细胞死亡[5]。
胱氨酸由SLC7A11和SLC3A2组成，是一种谷氨酸逆向转运蛋白系统XC-，它以1：1的比例将细胞内谷氨酸转移出去，以换取细胞外胱氨酸（CYS2）。
为什么SLC7A11的高表达会“促进”死亡？
这是因为胱氨酸是一种不溶性氨基酸，为了防止高度不溶性胱氨酸在细胞内的毒性积聚，SLC7A11High细胞需要迅速将胱氨酸还原为半胱氨酸，这一过程需要来自葡萄糖-磷酸戊糖途径（PPP）的大量NADPH，对细胞产生负面影响。
NadpH池高度耗尽，导致此类细胞产生葡萄糖和磷酸戊糖途径（PPP）依赖性（图2）[4,5]。 因此当葡萄糖**有限且氧化还原能力不足时，胱氨酸或其他二硫键分子在SLC7A11High细胞中的异常积累会诱导二硫键应激引发细胞死亡
今年2月，Gamboyi团队发表的文章《肌动蛋白细胞骨架对二硫键应激的脆弱性介导了二硫肽坍塌症》详细介绍了这种死亡机制，研究表明了这一点肌动蛋白细胞骨架对二硫键应激的敏感性介导二硫虫病并提出了一种靶向癌症二硫键的策略。
SLC7A11-High 细胞的独特细胞死亡模式
二硫化物是SLC7A11High细胞中一种不同于铁死亡、细胞凋亡等的新型死亡方式，铁死亡、细胞凋亡、细胞坏死和自噬抑制剂都不能挽救葡萄糖饥饿诱导的细胞死亡（图3A-b），但二硫胁迫的还原剂，如二硫苏糖醇（DTT），巯基乙醇（2ME）和TCEP，可以完全抑制葡萄糖饥饿诱导的SLC7A11High细胞死亡（图.3D）。 此外，巯基氧化剂（二胺和马来酸二乙酯）在葡萄糖饥饿下促进SLC7A11高细胞的细胞死亡，并导致细胞内二硫化物分子（如胱氨酸和谷氨酰胱氨酸，二胺处理后进一步增加）的急剧积累（图3C）。 透射电子显微镜（TEM）分析显示，葡萄糖饥饿导致胱氨酸在SLC7A11HIGH细胞的细胞质中积累（图3E）。 以上结果表明，二硫键应激引起的细胞死亡不同于铁死亡、细胞凋亡等，那么其特点是什么呢？
图3葡萄糖饥饿条件下的细胞死亡模式[5]。
a.用DFO、Fer-1、Z-VAD、NEC-1、NEC-2和CQ处理的SLC7A11-High细胞中的细胞死亡。 b.过表达SLC7A11的细胞在无葡萄糖培养基中培养，并用 Z-VAD、FER-1 和 TCEP 处理指定时间。 c.UMRC6 细胞在含有或不含 DTT、2ME 或 TCEP 的培养基中培养。 d.胱氨酸和谷氨酰胱氨酸在UMRC6细胞中的积累。 e.UMRC6 细胞的典型 TEM 图像。
二硫键---与肌动蛋白细胞骨架有关
作者的团队假设，在葡萄糖饥饿的条件下，SLC7A11高细胞中NADPH耗竭和二硫键应激的增加诱导氧化还原敏感蛋白中二硫键的形成（在正常条件下，细胞质的还原环境阻止了胞质蛋白中二硫键的形成），这可能会破坏相应氧化蛋白的活性或功能， 从而损害细胞活力。
为了验证这一假设，作者的团队通过氨基酸的稳定同位素标记量化了葡萄糖饥饿诱导的SLC7A11High细胞中的二硫键蛋白质组学改变（图4A）。 正向和反向标记分析确定了 90 个半胱氨酸位点。 此外，基因本体分析表明，在葡萄糖饥饿诱导的二硫键蛋白质中，肌动蛋白细胞骨架和细胞粘附相关的生物学过程或通路显著富集（图4c），作者的团队还在葡萄糖饥饿后二硫键增加的顶级蛋白质中发现了至少17种肌动蛋白细胞骨架蛋白（图4b），并且这些蛋白质中的大多数含有二硫键的半胱氨酸位点（图4D-E）。 这表明SLC7A11High细胞中的葡萄糖饥饿可能诱导肌动蛋白细胞骨架蛋白中的二硫键（图4C）。
图4葡萄糖饥饿条件下肌动蛋白细胞骨架蛋白中的二硫键形成[5]。
a.用于在正向和反向实验中识别含二硫肽的含二硫键肽的散点图的方法。 c.基因本体 （GO） 富集分析。 d.含有二硫键的蛋白质的不同含二硫胞苷位点的数量增加。
SLC7A11-HIGH细胞的肌动蛋白细胞骨架动力学
由于二硫键的形成会影响蛋白质在非还原条件下的电泳迁移率。 作者的团队检查了肌动蛋白细胞骨架蛋白的迁移率，发现多种肌动蛋白细胞骨架蛋白在葡萄糖饥饿后在UMRC6细胞中表现出较慢的迁移速度，这表明这些肌动蛋白细胞骨架蛋白在葡萄糖饥饿的条件下形成了多个分子间二硫键（图5A）。
作者的团队还进一步研究了葡萄糖饥饿后SLC7A11High细胞的肌动蛋白细胞骨架动力学。 在含糖的培养基SLC7A11HIGH细胞中，肌动蛋白丝（F-肌动蛋白）主要存在于细胞皮层和应力纤维中;然而，葡萄糖饥饿诱导细胞形态发生显着变化：细胞收缩和F-肌动蛋白收缩。F-肌动蛋白与膜染料Cellmask的共染色显示，葡萄糖饥饿导致SLC7A11High细胞中F-肌动蛋白与质膜分离（图5B-D），并且葡萄糖饥饿诱导的这些细胞中肌动蛋白细胞骨架形态的变化是SLC7A11依赖性的（图5C），这可以通过胱氨酸饥饿的DG或2ME（图5F）处理来消除。 葡萄糖饥饿诱导的高细胞中肌动蛋白骨架蛋白的异常二硫键可能导致随后的 F-肌动蛋白收缩和从质膜上分离。
图5在葡萄糖饥饿条件下由于异常二硫键形成引起的肌动蛋白动力学[5]。
a-b.谷胱甘肽SLC7A11-HIGH介导的胱氨酸摄取示意图。 c.在 WT 和 SLC7A11-KO UMRC6 细胞的无糖培养基中荧光染色 F-肌动蛋白。 d.在无糖培养基中培养的细胞用 F-肌动蛋白和膜进行荧光染色。 e.培养含葡萄糖、不含葡萄糖、不含葡萄糖和胱氨酸 （GLC） 或无胱氨酸 （GLC） 培养基并对 F-肌动蛋白进行荧光染色。 f.在含糖或无糖培养基中添加2ME培养的细胞中F-肌动蛋白的荧光染色。
上述结果表明，葡萄糖饥饿诱导肌动蛋白细胞骨架蛋白的异常二硫键，F-肌动蛋白在SLC7A11High细胞中以SLC7A11依赖性方式崩溃。 随着新死亡机制的发现，人们对细胞稳态有了基本的了解，那么“二硫化物死亡”的最大意义是什么？
二硫化物死亡，研究的意义是什么？
葡萄糖是糖酵解的起始物质，糖酵解由葡萄糖转运蛋白 （GLUT） 家族跨细胞膜运输，靶向葡萄糖转运蛋白 （GLUT） 是潜在癌症**干预的有趣靶点。
在 2020 年的一篇文章中，Gan Boyi 的团队和其他人发现，SLC7A11表达高的癌细胞对葡萄糖转运蛋白过剩抑制剂特别敏感。 GLUT 抑制剂 KL-11743 或 BAY-876 可有效抑制葡萄糖摄取，类似于葡萄糖饥饿。 在SLC7A11过表达的细胞中，Glut1抑制剂治疗增加了NADP + NADPH比率（图6A，B），并在UMRC6细胞中引发了强烈的细胞死亡（图6C）。 此外，GLUT抑制诱导二硫键结合的肌动蛋白骨架蛋白和F-肌动蛋白网络的崩溃。
在动物模型中，BAY876**减少了SLC7A11HIGH NCI-H226异种移植肿瘤的生长（图6D），BAY-876处理的肿瘤表现出频繁的细胞死亡（图6E），而BAY-876处理的肿瘤在肌动蛋白细胞骨架蛋白中表现出更多的二硫键。 这些结果表明：：Glut 抑制剂诱导 SLC7A11High 癌细胞中的二硫键状态和细胞死亡，癌细胞中的二硫键死亡可能是介导 Glut 抑制剂 SLC7A11High 肿瘤疗效的关键因素。
图6谷氨酸抑制剂诱导
SLC7A11高表达，细胞死亡[5]A，葡萄糖摄取水平。 b.NADP+ NADPH比值C死细胞比例。 用指定浓度的 DFO、FER-1、Z-VAD、NEC-1、NEC-2 和 CQ 处理 BAY-876 7 h。 d.NCI-H226 异种移植模型中肿瘤体积随时间的变化。 e.NCI-H226异种移植物的重量和NCI-H226肿瘤区域的HE染色和免疫组化染色。
总结
作者团队发现，在SLC7A11高表达的情况下，葡萄糖饥饿限制了NADPH的PPP产生，导致小分子二硫化物（包括胱氨酸）的积累，导致一系列氧化还原缺陷和细胞死亡。
图7二硫化物死亡机制图。
基于对二硫化物沉积机制的认识，还发现Glut 抑制诱导的二硫化物可能是治疗SLC7A11高表达肿瘤的有效策略，这种肿瘤通常发生在人类癌症中[6]。 阐明一种称为二硫虫病的独特细胞死亡机制为靶向**癌症提供了一个关键框架。
引用
1. wenxin song, et al. solute carrier transporters: the metabolic gatekeepers of immune cells. acta pharm sin b. 2020 jan;10(1):61-78.
2. xiaoguang liu, yilei zhang , li zhuang, et al. nadph debt drives redox bankruptcy: slc7a11/xct-mediated cystine uptake as a double-edged sword in cellular redox regulation . genes dis. 2020 nov 25;8(6):731-745.
3. takeo goji, et al. cystine uptake through the cystine/glutamate antiporter xct triggers glioblastoma cell death under glucose deprivation. j biol chem. 2017 dec 1;292(48):19721-19732.
4. xiaoguang liu, kellen olszewski, yilei zhang, et al. cystine transporter regulation of pentose phosphate pathway dependency and disulfide stress exposes a targetable metabolic vulnerability in cancer. nat cell biol. 2020 apr;22(4):476-486.
5. xiaoguang liu, litong nie, et al. actin cytoskeleton vulnerability to disulfide stress mediates disulfidptosis. nat cell biol. 2023 feb 6.
6. pran**i koppula, li zhuang, boyi gan. cystine transporter slc7a11/xct in cancer: ferroptosis, nutrient dependency, and cancer therapy. protein cell. 2021 aug;12(8):599-620.