撰文 | 春曉
責編 | 兮
谷胱甘肽（GSH）是細胞內最豐富的抗氧化劑，其重要功能是清除活性氧ROS【1】，而它的限速底物就是半胱氨酸【2】。半胱氨酸是維持正常細胞和轉化細胞中細胞氧化還原穩態所必需的。
半胱氨酸不足會導致鐵死亡（Ferroptosis）【3】，從Stockwell教授提出鐵死亡的概念至今九年不到。鐵死亡的特點是當細胞內還原系統失活後，細胞膜或細胞器膜上含不飽和脂肪酸長鏈的磷脂分子被過氧化破壞，造成細胞膜破裂。它是一種鐵離子催化的壞死性細胞死亡。
雖然大量的研究對鐵死亡相關的細胞抗氧化系統進行了報導，然而，半胱氨酸和胱氨酸的變化會導致什麼樣的代謝結果，人們知之甚少。
為了解半胱氨酸代謝和胱氨酸不足所致的代謝後果，2020年12月22日，來自莫菲特癌症中心的Gina M. DeNicola團隊在Cell Metabolism雜誌上發表題為Non-canonical Glutamate-Cysteine Ligase Activity Protects against Ferroptosis的研究論文，在這篇研究論文中，作者分析了半胱氨酸代謝對非小細胞肺癌細胞的代謝影響，一般來說，穀氨酸半胱氨酸連線酶催化亞基（GCLC）透過半胱氨酸與穀氨酸的連線來催化谷胱甘肽合成的第一步，然而，在半胱氨酸不足的條件下，GCLC反而將穀氨酸與其他替代氨基酸連線，從而清除穀氨酸，以防止鐵死亡。
GSH的合成分兩步進行。首先，透過穀氨酸半胱氨酸連線酶催化亞基（GCLC）連線穀氨酸和半胱氨酸，產生二肽γ-谷氨醯-半胱氨酸（γ-Glu-Cys）。接下來，將甘氨酸加入到γ-Glu-Cys中，產生三肽GSH（γ-Glu-Cys-Gly）。
作者之前的研究發現非小細胞肺癌細胞對胱氨酸飢餓十分敏感【4】，在這項新研究中，作者發現胱氨酸飢餓4小時導致了細胞內半胱氨酸的大量消耗，此外，GSH合成受損。有趣的是，儘管細胞內半胱氨酸大量消耗，但非小細胞肺癌細胞還是出現了鐵死亡。
於是，作者在非小細胞肺癌細胞A549中進行了非靶向代謝組學分析，發現了一組有趣的未知代謝物，這些代謝物在胱氨酸飢餓的細胞中高度積累（圖1）。這些代謝物是穀氨酸衍生的γ-谷氨醯肽。即在沒有半胱氨酸的條件下，GCLC在與穀氨酸結合產生γ-谷氨醯肽時，用其他小的、不帶電荷的氨基酸取代了半胱氨酸。
圖1.胱氨酸飢餓誘導γ-谷氨醯肽積累
接下來的問題是，這些γ-谷氨醯肽是如何產生的呢？作者觀察到在A549細胞系中，半胱氨酸飢餓的條件下，γ-谷氨醯肽水平與GCLC表達之間強相關，在使用CRISPR/Cas9產生GCLC和GSS敲除的A549克隆後，作者確定γ-谷氨醯肽在胱氨酸飢餓條件下由GCLC直接產生，GCLC透過GSH非依賴性機制催化γ-谷氨醯肽合成。小鼠體內實驗也印證了這一現象。
作者進一步尋找調節γ-谷氨醯肽水平的機制，發現GCLC及其修飾亞基GCLM的表達與NRF2的高活性相關，NRF2是GCLC和GCLM表達的已知調節因子，NRF2對GCLC的調節在胱氨酸充足的條件下促進GSH合成，但在胱氨酸不足的條件下促進γ-谷氨醯肽合成，從而防止鐵死亡。
圖2. 半胱氨酸對鐵死亡的調控機制
總而言之，這篇文章證明，透過GCLC合成的γ-谷氨醯肽在具有NRF2活化的細胞中提供GSH非依賴性保護，使細胞免受胱氨酸不足所致的鐵死亡。NRF2防止鐵死亡對癌症具有重要意義，特別是通常透過KEAP1和NRF2突變而啟用NRF2的肺癌【5】。但是，NRF2在體內調控鐵死亡的機制還有待深入研究。
作者認為，自己的研究僅限於非小細胞肺癌細胞和胱氨酸不足誘導的鐵死亡，GCLC清除穀氨酸在其他癌症型別中的作用仍有待確定。未來需要做更多的工作來了解穀氨酸如何影響鐵死亡。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.12.007
製版人： 啟萌之星
參考文獻
1. Winterbourn, C.C., and Hampton, M.B. (2008). Thiol chemistry and specificity in redox signaling. Free Radic. Biol. Med. 45, 549–561.
2. Harris, I.S., and DeNicola, G.M. (2020). The complex interplay between antioxidants and ROS in cancer. Trends Cell Biol. 30, 440–451.
3. Dixon, S.J., Lemberg, K.M., Lamprecht, M.R., Skouta, R., Zaitsev, E.M., Gleason, C.E., Patel, D.N., Bauer, A.J., Cantley, A.M., Yang, W.S., et al. (2012). Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell 149, 1060–1072.
4. Kang, Y.P., Torrente, L., Falzone, A., Elkins, C.M., Liu, M., Asara, J.M., Dibble, C.C., and DeNicola, G. (2019). Cysteine dioxygenase 1 is a metabolic liability for non-small cell lung cancer. eLife 8, e45572.
5. Hayes, J.D., and McMahon, M. (2009). NRF2 and KEAP1 mutations: permanent activation of an adaptive response in cancer. Trends Biochem. Sci. 34, 176–188.