癌細(xì)胞想存活——硒解毒少不了

        微量營(yíng)養(yǎng)素硒通過(guò)硒代半胱氨酸生物合成途徑被結(jié)合到稀有氨基酸硒代半胱氨酸中，這是硒蛋白如谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和硫氧還蛋白還原酶所需要的。近日，美國(guó)麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員在Nature Metabolism雜志上發(fā)表了題為：Selenium detoxification is required for cancer-cell survival 的研究論文。該研究證實(shí)了硒半胱氨酸生物合成途徑中的代謝酶——SEPHS2，具有硒解毒作用，而這一解毒作用是癌細(xì)胞生存所必須的。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)敲除已知的解毒酶，進(jìn)一步篩選分析后，研究小組將研究重點(diǎn)聚焦于SEPHS2。

        代謝改變是癌癥的標(biāo)志，產(chǎn)生癌細(xì)胞所需代謝產(chǎn)物的酶是治療的誘人靶標(biāo)。但是，當(dāng)腫瘤環(huán)境中存在相同的代謝物時(shí)，靶向這些酶的功效可能有限，作者試圖確定癌細(xì)胞中可能需要的代謝酶，以防止有毒代謝產(chǎn)物的積累。為了首先鑒定內(nèi)源性產(chǎn)生的有毒代謝物，作者使用來(lái)自NIH毒理學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（TOXNET）的毒理學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)人體代謝網(wǎng)絡(luò)中的代謝物進(jìn)行了交叉檢查。并且將測(cè)試擴(kuò)展到其他癌細(xì)胞系和未轉(zhuǎn)化的細(xì)胞后，作者發(fā)現(xiàn)SEPHS2基因敲除（KO）對(duì)22種癌細(xì)胞系中的12種具有毒性，但對(duì)7種正常細(xì)胞系沒(méi)有毒性。值得注意的是，SEPHS2的喪失對(duì)作者測(cè)試的所有正常（未轉(zhuǎn)化的永生或初級(jí)）細(xì)胞系（如乳腺上皮細(xì)胞系MCF10A和MCF12A以及初級(jí)肺和結(jié)腸成纖維細(xì)胞）均無(wú)毒。因此，SEPHS2是一種在許多癌細(xì)胞中生存必不可少的酶，但出乎意料的是在正常細(xì)胞中是必需的。在乳腺癌的原位異種移植模型中破壞SEPHS2后，發(fā)現(xiàn)SEPHS2是一種在乳腺癌細(xì)胞中過(guò)表達(dá)并且是生存所必需的酶?？傮w而言，這些發(fā)現(xiàn)表明SEPHS2是癌癥治療的極具吸引力的靶標(biāo)，因?yàn)镾EPHS2是具有疏水底物口袋的代謝酶，因此可能是可藥物治療的。

        25個(gè)含有硒代半胱氨酸殘基的蛋白質(zhì)，其中包括抗氧化酶，如谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（GPX4）和硫氧還蛋白還原酶1（TXNRD1）。這些酶中任何一種的破壞都會(huì)導(dǎo)致硒蛋白水平的急劇下降，包括SEPHS2本身。SEPHS2也是一種硒蛋白，它對(duì)于正常細(xì)胞的存活不是必需的。MDAMB231癌細(xì)胞中的SEPHS2 KO導(dǎo)致生長(zhǎng)速率嚴(yán)重降低，并最終在第20天左右恢復(fù)。 SEPHS2和幾種硒蛋白最初在人群中被消耗掉，但隨后在第16天到第20天之間恢復(fù)。這表明正常細(xì)胞在基礎(chǔ)條件下的存活和增殖既不需要SEPHS2也不需要硒蛋白。

        由于SEPHS2本身產(chǎn)生的硒蛋白對(duì)于細(xì)胞存活不是必不可少的，因此作者認(rèn)為癌細(xì)胞可能具有正常細(xì)胞所沒(méi)有的硒排毒需求這一假設(shè)。有趣的是，表達(dá)SLC7A11水平升高的細(xì)胞比正常細(xì)胞和很少或沒(méi)有SLC7A11的細(xì)胞吸收更多的硒（即“嗜硒”）。因此，SLC7A11是硒進(jìn)口和selenite在癌細(xì)胞中的毒性作用所必需的。作者假設(shè)通過(guò)這種機(jī)制將selenite還原成硒將足以進(jìn)口硒，因?yàn)槲膿]發(fā)性很高。SLC7A11的破壞導(dǎo)致硒蛋白表達(dá)降低，表明其在促進(jìn)硒蛋白生成中的作用?？偟膩?lái)說(shuō)，這些結(jié)果表明SLC7A11參與以下模型：親脂性癌細(xì)胞中SLC7A11的高表達(dá)導(dǎo)致胱氨酸的進(jìn)口增加，細(xì)胞中胱氨酸向半胱氨酸的減少，并通過(guò)未確定的出口子出口。這導(dǎo)致硫醇（來(lái)自半胱氨酸）在細(xì)胞外積累，這可以將selenite還原為揮發(fā)性硒化物，并可以誘導(dǎo)其進(jìn)入細(xì)胞并引起細(xì)胞毒性。作者發(fā)現(xiàn)，與非親脂性正常細(xì)胞相比，親脂性乳腺癌細(xì)胞對(duì)誘導(dǎo)鐵氧化的促氧化劑叔丁基氫過(guò)氧化物（TBH）以及對(duì)營(yíng)養(yǎng)饑餓和缺氧的抵抗力增強(qiáng)。
        相比之下，通過(guò)SEPHS2，PSTK或SEPSECS KO或GPX4自身的KO破壞硒代半胱氨酸的生物合成，會(huì)使細(xì)胞對(duì)TBH敏感，表明硒代半胱氨酸的生物合成途徑在抵抗硒性細(xì)胞的鐵素體侵襲中起著作用。通常對(duì)SEPHS2 KO毒性具有抗性的MCF10A細(xì)胞中FSP1的KO使它們變得敏感。 FSP1的功能解釋了這些細(xì)胞如何耐受SEPHS2 KO，即使它導(dǎo)致GPX4丟失?？偟膩?lái)說(shuō)，硒代半胱氨酸途徑的上調(diào)通過(guò)防止鐵死亡病而對(duì)癌細(xì)胞有利，而由于存在抗鐵死亡的機(jī)制，其未丟失的細(xì)胞可忍受其丟失。此外，SEPHS2 KO對(duì)癌細(xì)胞的超敏性促進(jìn)了它們對(duì)癌細(xì)胞的毒性。

        作者發(fā)現(xiàn)細(xì)胞可以耐受SLC7A11的丟失和防止后續(xù)SEPHS2 KO的毒性，表明SLC7A11直接導(dǎo)致對(duì)SEPHS2的依賴性，并表明毒性的功能獲得方式。作者也檢查癌細(xì)胞中是否需要SEPHS2來(lái)解毒硒代半胱氨酸生物合成途徑產(chǎn)生的硒。結(jié)果顯示，SEPHS2的過(guò)表達(dá)保護(hù)癌細(xì)胞免受selenite的毒性，而SEPHS2的丟失則與selenite產(chǎn)生了協(xié)同作用。由于硒化物易揮發(fā)，無(wú)法通過(guò)常規(guī)液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）方法檢測(cè)，也不能作為常規(guī)的有毒藥物處理，因此作者必須開(kāi)發(fā)一種可控方式處理硒化物至細(xì)胞的系統(tǒng)，因?yàn)橐约爸苯訖z測(cè)硒化物的方法。首先，觀察到顏色變化與距離直接相關(guān)，表明在這些斑點(diǎn)中捕獲了揮發(fā)性硒化物。重要的是，這些斑點(diǎn)的電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）表明硒具有穩(wěn)健的存在，證明作者正在捕獲揮發(fā)性硒化物氣體。作者觀察到毒性遵循氣體源放射狀放射狀，毒性與接近度相關(guān)。使用該處理系統(tǒng)，作者直接測(cè)試了破壞或過(guò)度表達(dá)SEPHS2對(duì)鋪板到與硒化物氣體源相等距離處的細(xì)胞的作用。 SEPHS2致敏的癌細(xì)胞對(duì)硒的破壞，SEPHS2的過(guò)表達(dá)保護(hù)癌細(xì)胞免受硒的侵害。因此，SEPHS2具有硒化物解毒功能。

結(jié) 論:
        總而言之，硒代半胱氨酸生物合成途徑中的一種酶——硒代磷酸合成酶2 (SEPHS2)，對(duì)癌癥細(xì)胞的存活是必需的。癌細(xì)胞需要SEPHS2來(lái)解毒硒化物，硒化物是硒代半胱氨酸生物合成過(guò)程中形成的中間體。乳腺癌和其他癌癥細(xì)胞是嗜硒的，這是由于胱氨酸/谷氨酸反轉(zhuǎn)運(yùn)體SLC7A11的第二功能，其促進(jìn)硒的攝取和硒代半胱氨酸的生物合成，通過(guò)允許產(chǎn)生硒蛋白如GPX4，保護(hù)細(xì)胞免于鐵死亡。然而，硒化物是有毒的，必須通過(guò)SEPHS2處理。因此，作者發(fā)現(xiàn)在乳腺癌患者的樣本中，SEPHS2蛋白水平升高，并且SEPHS2的缺失損害了小鼠原位乳腺腫瘤異種移植物的生長(zhǎng)?？傊髡叽_定了癌細(xì)胞的脆弱性，并確定了硒代謝在癌癥中的作用。