CellMetabolism|轉硫途徑是半胱氨酸匱乏時細胞生長的關鍵

　　1924年，德國生物學家奧托·瓦伯格（Otto Warburg）首次發現腫瘤細胞無論在低氧和氧氣充足的環境中，都傾向于通過一種低效的利用葡萄糖產生乳酸的糖酵解方式供給能量，從而促進增殖，此發現被稱為Warburg效應，也被定義為腫瘤的七大特征之一【1】。此后，越來越多的研究發現腫瘤的發生和發展伴隨著諸多細胞代謝方式的改變。與正常細胞代謝相比，腫瘤細胞代謝的基本方式是在營養匱乏的微環境中通過劫持、重塑多種合成和分解代謝通路，從而為其生存和增殖提供營養物質，而這些代謝途徑的改變和代謝產物的變化通過轉錄和翻譯調節、表觀遺傳調控和翻譯后修飾等不同機制來調控細胞活動，在腫瘤發生發展中起著至關重要的作用【2】。

　　氨基酸不僅是蛋白質翻譯的基石，同時還參與了其他重要代謝過程，如核苷酸的合成和細胞內氧化還原穩態的維持，因此氨基酸的獲取是細胞代謝網絡的重要組成部分。半胱氨酸（Cysteine）是細胞增殖過程中必不可少的一種非必需氨基酸，不僅可以作為蛋白質生產的基礎材料，也是參與谷胱甘肽（GSH）等抗氧化防御系統以避免細胞內大分子的氧化損傷的關鍵底物。惡性腫瘤的發生需要腫瘤細胞在各個階段克服氧化應激障礙，因此保持足夠的半胱氨酸供應是癌癥細胞生存和增殖所必需的【3】。Xc-氨基酸轉運系統是癌細胞以胱氨酸形式攝取胞外半胱氨酸，并向胞外輸送谷氨酸的重要機制。細胞內滿足這一逆向轉運的谷氨酸主要來源于谷氨酰胺的去氨基化反映。然而研究發現，腫瘤微環境中谷氨酰胺和胱氨酸都很匱乏，因此很難僅僅通過Xc-氨基酸轉運系統滿足腫瘤細胞代謝所需的半胱氨酸【4, 5】。除了通過Xc-氨基酸轉運系統獲取半胱氨酸之外，哺乳動物細胞還能利用富余的蛋氨酸通過轉硫途徑合成半胱氨酸，而近期研究發現腫瘤組織中蛋氨酸含量顯著上升【5】。然而，當胞外半胱氨酸不足時，通過轉硫途徑產生的半胱氨酸能否支持GSH的合成以及細胞中的蛋白翻譯，目前尚不清楚。

　　2019年10月10日，紀念斯隆·凱特琳癌癥中心主席、美國科學院院士Craig B. Thompson教授帶領的團隊（一作為朱佳俊博士）在Cell Metabolism發表題為“Transsulfuration Activity Can Support Cell Growth upon Extracellular Cysteine Limitation”的長文，通過研究癌細胞中轉硫途徑的調控及其在維持半胱氨酸水平中的作用，揭示了增殖細胞能夠利用轉硫反應介導的半胱氨酸生物合成途徑來維持半胱氨酸的供應，并在細胞外半胱氨酸受限的腫瘤微環境中維持細胞的生長，這種半胱氨酸生物合成機制是腫瘤發生和發展過程中所必需的。

　　為了確定腫瘤細胞是如何獲取半胱氨酸的，作者首先檢測了轉硫途徑中的兩種關鍵酶——胱硫醚β合成酶(cystathionine β-synthase , CBS)和胱硫醚γ合成酶(cystathionine γ-lyase, CTH)酶，以及Xc-氨基酸逆向轉運系統的調節組分xCT的表達水平。研究人員發現在許多腫瘤細胞中CTH和CBS表達水平較高，而xCT和CBS的表達存在負相關性，這一發現提示了許多腫瘤細胞存在較高水平的轉硫活性。為了進一步證明轉硫作用在癌細胞中的活性，作者進行了穩定同位素示蹤檢測及液相色譜-質譜分析(LC-MS)，證明了轉硫途徑在表達CBS和CTH的腫瘤細胞的半胱氨酸合成中發揮了重要作用。補充同型半胱氨酸（homocysteine）可以恢復對照細胞的增殖，但在敲除CBS的細胞中則不能，這也從另一方面證明了轉硫途徑在腫瘤細胞代謝中作用關鍵。限制半胱氨酸攝取會導致CBS和CTH表達水平上升，同時誘導GCN2磷酸化和ATF4的積累，且半胱氨酸限制導致的CBS和CTH的表達上調與兩種酶的基底表達水平無關，證明了轉硫途徑關鍵酶的表達受半胱氨酸的制約。綜合壓力響應途徑（Integrated stress response）能通過GCN2和ATF4調控非必需氨基酸的生物合成【6】，為驗證轉硫途徑關鍵酶被誘導的內在機制，作者利用ChIP檢測了轉錄因子ATF4與兩種酶的調控關系。結果證明ATF4在CBS和CTH的啟動子區域特異性富集，且半胱氨酸限制會進一步促進ATF4的富集，而ATF4和GCN2敲除細胞中半胱氨酸限制并不會顯著誘導CBS和CTH的表達。上述結果表明，ATF4直接介導了半胱氨酸限制條件下轉硫途徑相關酶的上調。

　　雖然腫瘤細胞中含有轉硫途徑的所有酶組分，但大多數細胞不能僅僅依靠轉硫途徑產生的半胱氨酸來支持細胞增殖，作者推測蛋氨酸循環介導的同型半胱氨酸的產生可能是限制轉硫途徑產生足夠半胱氨酸的關鍵因素。通過操縱蛋氨酸循環有關組分的表達，作者發現甲基化反應轉化SAM到SAH限制了同型半胱氨酸的生產，從而限制了通過轉硫途徑生產半胱氨酸的速率，甲基轉移酶GNMT在這其中發揮了關鍵作用。此外，GNMT也能通過抑制NRF2的積累及降低ROS水平使細胞氧化壓力恢復正常。在半胱氨酸缺失的條件下，增強轉硫活性能夠使得胞內GSH水平恢復，并且促進細胞生長。隨后，作者利用移植腫瘤的免疫缺陷小鼠模型，證明了半胱氨酸水平限制了體內腫瘤的生長，而增強轉硫活性則促進腫瘤生長。當培養基中半胱氨酸水平降低時，CBS敲除細胞出現生長缺陷，而且隨著細胞外半胱氨酸濃度的降低，CBS敲除細胞的生長缺陷程度更加明顯，而xCT的表達并不足以在胞外半胱氨酸限制條件下恢復生長缺陷表型。此外，體內移植腫瘤實驗同樣證明由CBS缺陷型腫瘤的生長受到抑制，且腫瘤內醚硫酸和GSH的水平降低。上述實驗證明，轉硫途徑在維持GSH水平和氧化還原平衡過程中必不可少，且在促進腫瘤細胞增殖中起重要作用。另外，由于GNMT是受雄激素受體（Androgen receptor）調控的下游基因，GNMT在許多前列腺癌癥中有過量的表達。當細胞外半胱氨酸水平受限時，轉硫途徑決定了前列腺癌細胞的增殖；而GNMT缺失的前列腺癌細胞也表現出生長缺陷，但當細胞外半胱氨酸含量較高時則沒有。與之相反，GNMT過表達會在半胱氨酸受限時促進細胞增殖，并會導致體內前列腺癌細胞移植腫瘤的體積增大。因此，GNMT在前列腺癌細胞中的上調會為半胱氨酸的產生及腫瘤細胞的生長提供額外支持。

圖1 胞外半胱氨酸不足條件下，轉硫途徑能合成半胱氨酸維持細胞增殖

　　綜上所述，在腫瘤發生等胞外半胱氨酸不足情況下，轉硫途徑介導的半胱氨酸生物合成能提供足夠的半胱氨酸，以維持細胞增殖，而SAM到SAH的轉化限制了轉硫途徑合成內源性半胱氨酸的能力。此外，半胱氨酸是腫瘤細胞生長的限制性因素，轉硫途徑的活性是維持腫瘤增殖的關鍵，這一發現也為癌癥的治療提供了新的潛在靶點。

　　原文鏈接：

　　https://doi.org/10.1016/j.cmet.2019.09.009

　　參考文獻

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