SLC7A11、SLC7A5調(diào)控成骨過程作用機制的研究進展

倪飛飛，徐慶，李建軍

(中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院，沈陽110004)

CD98分子是在1981年制備抗白細胞單克隆抗體時被首次發(fā)現(xiàn)，開始稱其為4F2抗原，也稱為融合調(diào)節(jié)蛋白1(FRP-1)[1]。CD98是一種脊椎動物特有的跨膜糖蛋白，在人體中廣泛分布于除血小板外的組織和細胞中，是由1條重鏈和1條輕鏈組成的異二聚體。CD98重鏈由溶質(zhì)載體家族3(SLC3)編碼，其分子量比較大，由具有高度糖基化的胞外結(jié)構(gòu)域、短跨膜結(jié)構(gòu)域和胞質(zhì)尾三部分構(gòu)成[2]。CD98輕鏈由溶質(zhì)載體家族7(SLC7)編碼，是一種由501～535個氨基酸構(gòu)成的12次跨膜蛋白。SLC7A11、SLC7A5同屬于SLC7，是細胞中兩種重要的必需氨基酸轉(zhuǎn)運體[3]。SLC7A11、SLC7A5在成骨細胞中表達改變可從不同方面影響成骨細胞增殖及分化，但其具體的成骨機制并未完全闡明。本研究對SLC7A11、SLC7A5的生物學功能及其調(diào)控成骨過程的相關(guān)機制作一綜述。

1 SLC7A11、SLC7A5的生物學功能

1.1 SLC7A11的生物學功能 SLC7A11基因位于人類4號染色體上，包含14個外顯子，是一種由501個氨基酸構(gòu)成的12次跨膜蛋白，其N端和C端均位于細胞質(zhì)內(nèi)，分子質(zhì)量為55 kDa。SLC7A11基因在脊椎動物中高度保守，但在低級生物如秀麗隱桿線蟲中還沒有發(fā)現(xiàn)其明顯的同源性。SLC7A11氨基酸轉(zhuǎn)運系統(tǒng)呈電中性，是與Na+無關(guān)的氨基酸轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，對胱氨酸和谷氨酸具有高度特異性，以1∶1形式使谷氨酸與胱氨酸交換，在生理條件下將胱氨酸轉(zhuǎn)運入細胞，同時將谷氨酸轉(zhuǎn)運出細胞[4]。SLC7A11轉(zhuǎn)運系統(tǒng)對胱氨酸和谷氨酸的有效交換既需要輕鏈也需要重鏈參與，輕鏈負責主要的轉(zhuǎn)運活性，對胱氨酸和谷氨酸具有高度特異性，而重鏈主要起伴侶蛋白的作用，對調(diào)節(jié)SLC7A11向質(zhì)膜的轉(zhuǎn)運至關(guān)重要。SLC7A11 mRNA廣泛表達于哺乳動物的大腦、胰腺、腎臟、肝臟等臟器及星形膠質(zhì)細胞、巨噬細胞、視網(wǎng)膜細胞等細胞中[3]，是正常哺乳動物血漿氧化還原穩(wěn)態(tài)、皮膚色素沉著、免疫系統(tǒng)功能和記憶形成等生理過程所必需的[5]，SLC7A11基因缺失會影響細胞的生長、代謝甚至可能導致細胞發(fā)生癌變。

1.2 SLC7A5的生物學功能 SLC7A5基因位于人類16號染色體上，共有39 477個核苷酸和10個外顯子。人類SLC7A5是一種507個氨基酸構(gòu)成的12次跨膜蛋白，分子質(zhì)量為55 kDa。SLC7A5是一種不依賴Na+和pH的大型中性氨基酸轉(zhuǎn)運體，與糖蛋白SLC3A2通過二硫鍵相結(jié)合形成異源二聚體復合物，為細胞提供必需的氨基酸，如亮氨酸、苯丙氨酸等[6]。研究表明，CD98分子中輕鏈SLC7A5具有氨基酸轉(zhuǎn)運的功能，而重鏈SLC3A2并沒有氨基酸轉(zhuǎn)運作用。SLC3A2也可作為分子伴侶，使SLC7A5在細胞膜中達到其最終定位點[7]。SLC7A5也是一種甲狀腺激素轉(zhuǎn)運體，可參與腫瘤、胎盤、脾、腎等多種組織的甲狀腺激素轉(zhuǎn)運。SLC7A5在腦、脾、骨髓、胎盤、肝臟、睪丸等組織及C6膠質(zhì)瘤細胞、上皮細胞、單核細胞、巨噬細胞、肝癌細胞等細胞中表達均升高[8,9]。

2 SLC7A11、 SLC7A5調(diào)控成骨過程的相關(guān)機制

2.1 SLC7A11調(diào)控成骨過程的相關(guān)機制

2.1.1 促進GSH生成、抑制成骨細胞氧化應(yīng)激 研究表明，在未分化的MC3T3成骨細胞中,存在由SLC7A11和SLC3A2亞單位組成的胱氨酸-谷氨酸反向轉(zhuǎn)運蛋白mRNA表達。SLC7A11可使胱氨酸轉(zhuǎn)運入細胞，在處于生長期的細胞中激活SLC7A11，從而增加細胞內(nèi)胱氨酸含量[10]。而胱氨酸是細胞內(nèi)抗氧化劑谷胱甘肽(GSH)生物合成的重要前體，也是調(diào)節(jié)細胞內(nèi)GSH水平的一個關(guān)鍵因素。GSH通過谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶硫酸化多種轉(zhuǎn)錄因子，包括NF-κB、熱休克蛋白和激活蛋白1，在氧化還原調(diào)節(jié)過程中發(fā)揮重要作用[3]。研究顯示，絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥婦女的氧化應(yīng)激反應(yīng)與骨密度密切相關(guān)[11,12]。GSH作為一種主要的抗氧化劑，在成骨細胞參與骨重塑和骨氧化還原過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，暴露于GSH可導致成骨細胞分化和礦化[13]。在SLC7A11轉(zhuǎn)染的成骨細胞中，SLC7A11過表達除了可以促進胱氨酸進入成骨細胞內(nèi)，還可以使細胞內(nèi)GSH水平升高和活性氧(ROS)生成減少，而ROS可以抑制成骨細胞分化及誘導細胞凋亡[14]。因此，成骨細胞內(nèi)激活SLC7A11可促進GSH合成，抑制其氧化應(yīng)激反應(yīng)，有利于成骨細胞的增殖、分化。

影響SLC7A11轉(zhuǎn)運的另一種物質(zhì)是谷氨酸(Glu)，Glu在成骨細胞、破骨細胞中具有自分泌和旁分泌信號介質(zhì)的功能[15]。研究顯示，在細胞外Glu濃度較高的情況下，細胞外Glu可使SLC7A11轉(zhuǎn)運蛋白發(fā)生逆向轉(zhuǎn)運，從而使細胞內(nèi)胱氨酸大量流出；同時Glu流入細胞，胱氨酸流出細胞，造成細胞內(nèi)胱氨酸水平降低，導致GSH合成減少及消耗增加，最終引起細胞凋亡[16]。因此，細胞表面SLC7A11的活性和運轉(zhuǎn)方向可以調(diào)節(jié)內(nèi)源性GSH水平，是成骨細胞增殖及分化的關(guān)鍵因素。進一步研究發(fā)現(xiàn)，GSH水平降低可使成骨細胞中ROS生成增加，進而促進Nrf2表達[17]。

在成骨細胞中，Nrf2對許多解毒和抗氧化基因的調(diào)節(jié)至關(guān)重要，其上調(diào)可促進成骨細胞的分化及礦化[18]。Nrf2為調(diào)節(jié)抗氧化反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄因子，其通過調(diào)節(jié)SLC7A11轉(zhuǎn)錄控制GSH合成。在其他細胞中，如成纖維細胞、巨噬細胞、腎細胞等，也發(fā)現(xiàn)Nrf2可與SLC7A11啟動子中的抗氧化/親電反應(yīng)元件結(jié)合，從而促進SLC7A11表達，增加細胞內(nèi)胱氨酸水平，使細胞內(nèi)GSH水平升高，最終促進成骨細胞增殖[19]。但也有研究認為，成骨細胞中Nrf2過表達可使細胞增殖及分化活性顯著降低[10,20]。因此，在成骨細胞中Nrf2對SLC7A11表達及GSH合成的影響仍需要進一步研究。

2.1.2 降低成骨細胞Runx2表達 Runx2能夠激活骨鈣素、骨橋蛋白等成骨相關(guān)基因的表達，誘導骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化，在成骨細胞的成骨分化過程中發(fā)揮重要作用[21]。在MC3T3成骨細胞中，SLC7A11過表達可下調(diào)Runx2表達，從而負性調(diào)控成骨細胞生成[14]。研究顯示，去卵巢骨質(zhì)疏松癥小鼠模型中Runx2 mRNA和蛋白表達均顯著下降，SLC7A11 mRNA和蛋白表達顯著升高[22]。與非骨質(zhì)疏松癥患者比較，絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥患者體外培養(yǎng)的股骨成骨細胞SLC7A11 mRNA表達升高，Runx2表達降低[23]?；?qū)用嫜芯堪l(fā)現(xiàn)，Runx2的DNA結(jié)合域含有兩個保守的半胱氨酸殘基，負責DNA結(jié)合活性的氧化還原調(diào)節(jié)[24]。研究表明，在成骨細胞中轉(zhuǎn)染Runx2啟動子質(zhì)粒后，Runx2活性顯著升高，而成骨細胞瞬時和穩(wěn)定轉(zhuǎn)染SLC7A11表達載體后,可通過激活蛋白1位點阻止Runx2激活，表明在基因轉(zhuǎn)錄水平上成骨細胞內(nèi)SLC7A11可負性調(diào)控Runx2表達[22]。已有研究顯示，成骨細胞中的Nrf2可通過干擾Runx2依賴的轉(zhuǎn)錄激活因子而抑制成骨細胞分化，通過引入骨鈣素啟動子ARE-like-2序列突變體，可部分抑制Nrf2對Runx2依賴的骨鈣素啟動子的活性[20]。此外一種推測認為，Nrf2可能通過ROS從細胞質(zhì)錨定蛋白釋放后，干擾成骨細胞分化需要的Runx2核易位[25]。因此，成骨細胞中SLC7A11過表達可在分子水平正性調(diào)控GSH生成，在轉(zhuǎn)錄水平負性調(diào)控Runx2表達，從而影響成骨過程。

2.2 SLC7A5調(diào)控成骨過程的相關(guān)機制

2.2.1 SLC7A5通過mTOR促進成骨細胞增殖、分化 研究顯示，在腫瘤細胞中SLC7A5可將細胞內(nèi)谷氨酰胺轉(zhuǎn)運出細胞，以交換亮氨酸和異亮氨酸等必需氨基酸，從而促進細胞增殖、分化。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在協(xié)調(diào)細胞營養(yǎng)、調(diào)控細胞生長以及新陳代謝過程中具有核心作用，而且高濃度亮氨酸可通過mTOR信號通路誘導細胞增殖[8]，且mTOR只有在亮氨酸濃度足夠高時才能進行基因水平翻譯[26]。SLC7A5可與SLC1A5協(xié)同調(diào)控亮氨酸轉(zhuǎn)運，激活mTOR信號通路[6]。谷氨酰胺是一種必需的限速因子，可促進必需氨基酸和生長因子激活mTOR，谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白SLC1A5和異源二聚體SLC7A5/SLC3A2組成的雙向轉(zhuǎn)運蛋白是氨基酸轉(zhuǎn)運、mTOR信號通路活性和細胞生長所必需的。研究顯示，通過SLC7A5的轉(zhuǎn)運,中性支鏈氨基酸可以刺激mTOR在多個細胞系中的表達[8]。在非洲爪蟾蜍卵母細胞中，利用氨基酸顯微注射系統(tǒng)結(jié)合SLC7A5過表達技術(shù)，可使mTOR通過SLC7A5表達上調(diào)，增加必需氨基酸供應(yīng)，以維持細胞生長，并有利于調(diào)控細胞增殖[27]。

在成骨分化過程中，mTOR通過調(diào)節(jié)成骨相關(guān)mRNA的翻譯在骨骼發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用[28]。mTOR/Raptor信號通路可通過調(diào)控Runx2表達，在體內(nèi)對骨形成發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。在前成骨細胞中，阻斷mTOR信號通路可導致成骨細胞分化受損，最終引起嚴重骨缺損的發(fā)生。進一步的分子機制研究表明，mTOR/Raptor-S6K1軸可通過增加Runx2增強子的活性調(diào)節(jié)Runx2表達，進而促進成骨細胞分化[29]。在腫瘤細胞中，亮氨酸已經(jīng)被證實可通過調(diào)節(jié)mTOR靶點來刺激蛋白質(zhì)合成和加速細胞增殖，而SLC7A5表達下調(diào)可抑制mTOR活化，進而抑制腫瘤細胞增殖[26]。研究顯示，在氨基酸饑餓過程中mTOR的激活受到抑制，通過改變下游效應(yīng)物磷酸化，如核糖體蛋白S6激酶1和真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1，可導致mRNA生物合成和翻譯減少[8]。

研究報道，SLC7A5在胚胎成骨細胞和Saos2人骨肉瘤細胞中均有表達，并且中性氨基酸進入細胞的轉(zhuǎn)運主要由SLC7A5介導[30]。有研究在胚胎成骨細胞中應(yīng)用SLC7A5選擇性抑制劑處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)胚胎成骨細胞對亮氨酸的吸收幾乎完全被抑制[31]。研究顯示，在良性骨腫瘤組織中SLC7A5呈高表達，其中在成骨細胞瘤組織中的表達最高[32]。因此，SLC7A5對亮氨酸的轉(zhuǎn)運可通過改變mTOR活性而影響成骨細胞生長。

綜上所述，SLC7A11、SLC7A5是氨基酸轉(zhuǎn)運所必需的，在細胞的生長代謝方面發(fā)揮重要作用。在成骨細胞分化過程中，SLC7A11具有正負兩方面的調(diào)控作用，主要作用于GSH、Runx2調(diào)控成骨，組成復雜的調(diào)控關(guān)系；SLC7A5可能通過mTOR調(diào)控成骨，維持骨代謝平衡。但目前對SLC7A11、SLC7A5調(diào)控成骨的研究尚處于初步階段，還有很多的調(diào)控機制有待于進一步探索，如SLC7A11、SLC7A5是否對破骨細胞介導的骨吸收過程有調(diào)控作用。SLC7A5、SLC7A11在成骨細胞內(nèi)均有表達，可介導成骨細胞內(nèi)外必須氨基酸的轉(zhuǎn)運，有望成為未來創(chuàng)新藥物研發(fā)的靶向分子，為治療多種與人類成骨細胞異常發(fā)育相關(guān)的骨科疾病提供一種新的治療方法。