癌細胞想存活——硒解毒少不了

        微量營養(yǎng)素硒通過硒代半胱氨酸生物合成途徑被結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氧化物酶和硫氧還蛋白還原酶所需要的。近日，美國麻省大學醫(yī)學院的研究人員在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胞生存所必須的。在這項研究中，研究團隊通過CRISPR-Cas9基因編輯技術敲除已知的解毒酶，進一步篩選分析后，研究小組將研究重點聚焦于SEPHS2。

        代謝改變是癌癥的標志，產生癌細胞所需代謝產物的酶是治療的誘人靶標。但是，當腫瘤環(huán)境中存在相同的代謝物時，靶向這些酶的功效可能有限，作者試圖確定癌細胞中可能需要的代謝酶，以防止有毒代謝產物的積累。為了首先鑒定內源性產生的有毒代謝物，作者使用來自NIH毒理學數(shù)據網絡（TOXNET）的毒理學數(shù)據對人體代謝網絡中的代謝物進行了交叉檢查。并且將測試擴展到其他癌細胞系和未轉化的細胞后，作者發(fā)現(xiàn)SEPHS2基因敲除（KO）對22種癌細胞系中的12種具有毒性，但對7種正常細胞系沒有毒性。值得注意的是，SEPHS2的喪失對作者測試的所有正常（未轉化的永生或初級）細胞系（如乳腺上皮細胞系MCF10A和MCF12A以及初級肺和結腸成纖維細胞）均無毒。因此，SEPHS2是一種在許多癌細胞中生存必不可少的酶，但出乎意料的是在正常細胞中是必需的。在乳腺癌的原位異種移植模型中破壞SEPHS2后，發(fā)現(xiàn)SEPHS2是一種在乳腺癌細胞中過表達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，因為SEPHS2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個含有硒代半胱氨酸殘基的蛋白質，其中包括抗氧化酶，如谷胱甘肽過氧化物酶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導致硒蛋白水平的急劇下降，包括SEPHS2本身。SEPHS2也是一種硒蛋白，它對于正常細胞的存活不是必需的。MDAMB231癌細胞中的SEPHS2 KO導致生長速率嚴重降低，并最終在第20天左右恢復。 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。這表明正常細胞在基礎條件下的存活和增殖既不需要SEPHS2也不需要硒蛋白。

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

        作者發(fā)現(xiàn)細胞可以耐受SLC7A11的丟失和防止后續(xù)SEPHS2 KO的毒性，表明SLC7A11直接導致對SEPHS2的依賴性，并表明毒性的功能獲得方式。作者也檢查癌細胞中是否需要SEPHS2來解毒硒代半胱氨酸生物合成途徑產生的硒。結果顯示，SEPHS2的過表達保護癌細胞免受selenite的毒性，而SEPHS2的丟失則與selenite產生了協(xié)同作用。由于硒化物易揮發(fā)，無法通過常規(guī)液相色譜-質譜（LC-MS）方法檢測，也不能作為常規(guī)的有毒藥物處理，因此作者必須開發(fā)一種可控方式處理硒化物至細胞的系統(tǒng)，因為以及直接檢測硒化物的方法。首先，觀察到顏色變化與距離直接相關，表明在這些斑點中捕獲了揮發(fā)性硒化物。重要的是，這些斑點的電感耦合等離子體質譜（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。使用該處理系統(tǒng)，作者直接測試了破壞或過度表達SEPHS2對鋪板到與硒化物氣體源相等距離處的細胞的作用。 SEPHS2致敏的癌細胞對硒的破壞，SEPHS2的過表達保護癌細胞免受硒的侵害。因此，SEPHS2具有硒化物解毒功能。

結 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)，對癌癥細胞的存活是必需的。癌細胞需要SEPHS2來解毒硒化物，硒化物是硒代半胱氨酸生物合成過程中形成的中間體。乳腺癌和其他癌癥細胞是嗜硒的，這是由于胱氨酸/谷氨酸反轉運體SLC7A11的第二功能，其促進硒的攝取和硒代半胱氨酸的生物合成，通過允許產生硒蛋白如GPX4，保護細胞免于鐵死亡。然而，硒化物是有毒的，必須通過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。總之，作者確定了癌細胞的脆弱性，并確定了硒代謝在癌癥中的作用。