在生活中，東西如果壞了就需要淘汰回收，而在我們體內也有一套機制來淘汰出了問題的細胞，稱為「細胞凋亡 (apoptosis)」，是一種程序性的細胞死亡方式 (programmed cell deadth)。當細胞出現了一系列問題時，照理來說應該要啟動細胞凋亡的機制，然而癌細胞卻可發展出各種方式躲避凋亡的命運，並不斷增生 [1]。因此，科學家們透過不斷研究，希望能找出讓癌細胞死亡的方式。美國德州大學安德森癌症中心 (The University of Texas MD Anderson Cancer Center) 的研究團隊，便發現了一種之前未曾發現的細胞死亡類型—— Disulfidptosis，此結果於今 (2023) 年二月發表在 <Nature Cell Biology> 期刊。這項發現除了有潛力發展成殺死癌細胞的新療法以外，更替細胞死亡的研究領域開啟新的篇章。
1972 年，John Kerr 教授提出了細胞凋亡的概念，用以說明細胞經歷程序性死亡的過程 [2]。隨著關於細胞死亡研究的深入，科學家們找到了更多的細胞死亡方式，像是程序性細胞壞死 (necroptosis)、細胞焦亡 (pyroptosis)、鐵死亡 (ferroptosis) 等 [1]。而癌細胞與細胞死亡間的攻防戰，也一直是癌症研究的焦點之一 [3] (圖一)。
圖一：癌細胞與細胞凋亡。當細胞重要的機制 (例如：NHEJ 修復、HR 修復、DNA 損傷的檢查點、端粒 (telomere) 的維護等) 出現缺陷時，便會導致 DNA 雙股斷裂 (DNA double-strand breaks, DSBs) 和未受保護的染色體末端，正常來說細胞中的 p53 會因應啟動細胞凋亡的機制，防止細胞癌化危害人體；在許多癌細胞中，p53 會發生突變而無法正常發揮功能讓細胞進行細胞凋亡，進而能夠繼續增生最後形成腫瘤。(NHEJ: Non-homologous End Joining，細胞修復 DNA 雙股斷裂的方式之一；HR: Homologous Recombination，另一種修復 DNA 雙股斷裂的方式。)
圖片來源：https://doi.org/10.1038/nrc1560
本篇論文的研究團隊先前發現，在高度表現胱氨酸 (cystine) 運輸蛋白基因 SLC7A11 胞，進行葡萄糖飢餓 (glucose starvation) 的處理，將會導致癌細胞快速地死亡 [4] (圖二)。然而在正常狀態下，細胞會由葡萄糖代謝所產生的代謝產物 NADPH，來負責中和像胱氨酸這種含雙硫鍵的分子累積進而產生的細胞壓力 (以下簡稱雙硫壓力)。因此減少葡萄糖的供給，再加上 SLC7A11 的高度表現讓胱氨酸大量進入細胞中，可以預期會對細胞造成嚴重的傷害而導致死亡，然而這種雙硫壓力如何讓癌細胞死亡的細節仍不清楚，因此研究團隊便想探索其背後的機制。
圖二：高表現量的 SLC7A11 搭配葡萄糖飢餓，透過 NADPH 的缺乏和雙鍵的大量累積，將導致細胞死亡。
圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41556-020-0496-x
首先，研究團隊使用了各種細胞死亡的抑制劑，作用在大量表現 SLC7A11 且進行葡萄糖飢餓 (-Glc) 處理的癌細胞中，結果發現這些抑制劑無法降低細胞死亡的比例 (圖三 a-b)。當對細胞施加能減緩雙硫壓力的物質時，細胞死亡的情況便大幅降低 (圖三 c-d)。這個實驗結果佐證研究團隊先前的發現，由 SLC7A11 高度表現和葡萄糖飢餓共同造成的癌細胞死亡模式，與目前已知的細胞死亡方式都不同，而是和雙硫壓力造成的細胞損傷有關，因此團隊便將此種新型的細胞死亡方式命名為 Disulfidptosis。
為了找出相較於正常培養條件，在葡萄糖飢餓的條件下形成較多雙硫鍵的蛋白質，團隊透過蛋白質學免沉澱 (immunoprecipitation)、以及免疫染色發現，在葡萄糖缺乏的條件下形成較多雙硫鍵的蛋白質大多與細胞骨架的肌動蛋白家族 (actin) 及細胞附著 (cell adhesion) 的功能路徑較為有關 (圖三 f 中，用紅字標示的途徑)，例如：MYH9、MYH10。此外，團隊更觀察到這些蛋白會在葡萄糖缺乏且 SLC7A11 高度表現的情況下透過雙硫鍵形成複合體 (圖三 g)，並讓肌動蛋白的纖維逐漸收縮 (圖三 h)，且脫離細胞膜。因此團隊推論，細胞骨架在雙硫壓力的情況下會逐漸收縮，並使細胞失去支撐而崩塌，進而導致細胞死亡。
圖三：確認研團隊先前發現的細胞死亡方式，不同於現有已知的種類，而且和雙硫壓力造成的細胞損傷有關。而這些損傷主要發生在細胞骨架的肌動蛋白上，並讓肌動蛋白與細胞骨架的其他蛋白質形成雙硫鍵，造成細胞骨架收縮，脫離細胞膜，使細胞失去支撐的力量。
圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41556-023-01091-2
團隊透過上述結果推測，若能在 SLC7A11 高度表現的癌細胞中抑制葡萄糖吸收，可能為一個有效誘導癌細胞死亡的方式。因此，研究團隊利用葡萄糖運輸蛋白 (glucose transporter, GLUT) 的抑制劑對癌細胞進行處理，結果發現：除了癌細胞對葡萄糖的吸收能力下降 (圖四 a)，此外 NADPH 的比例也下降 (圖四 b)，並且會促進癌細胞的死亡，而這種細胞死亡一樣不會被其他種類的細胞死亡抑制劑所影響 (圖四 c-d)。研究團隊將高度表現 SLC7A11 的癌細胞異種移植 (xenograft) 到小鼠上，並施加 GLUT 的抑制劑，結果發現在移植第 13 天後，施加抑制劑組別小鼠的腫瘤體積，顯著小於控制組 (圖四 e)。這些結果說明，抑制 GLUT 進而誘發 disulfidptosis 的方式，有機會成為對抗癌症的一種新療法。
圖四：透過抑制 GLUT 的方式，能達到跟葡萄糖飢餓一樣的效果，促進癌細胞的死亡，並有效減少腫瘤的體積。
圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41556-023-01091-2
總結來說，本篇研究透過實驗證實：除了細胞凋亡、細胞焦亡、鐵誘導的細胞死等方式以外 [2]，在細胞中也存在的另一種死亡途徑，並稱之為 disulfidptosis。此種途徑透過細胞內累積的大量雙硫壓力 (主要為胱氨酸間的雙硫鍵)，讓細胞骨架中的肌動蛋白，與其他細胞骨架的蛋白質之間大量形成雙硫鍵，用以支撐細胞形狀的骨架就會開始崩壞，使癌細胞這個怪物轟然倒塌，走向死亡 (圖五)。根據這個發現，作者認為可以利用抑制 GLUT 進而誘發 disulfidptosis 的方式，來治療癌症。這篇研究提供了一個新的治療癌症的可能性，也為之後想利用 disulfidptosis 來治療癌症的後續研究，奠定了堅實的基礎。
圖五：Disulfidptosis 的機制。本篇研究發現細胞骨架中的肌動蛋白，會受到細胞中的雙硫壓力的攻擊，造成細胞骨架的崩塌，使細胞走向 disulfidptosis 的死亡命運。研究團隊描繪出了這個全新細胞死亡方式的細節，並認為可以作為未來治療癌症的方法。
圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41556-023-01091-2
註 1：都是與肌動蛋白結合有關的蛋白質。
註 2：TCEP (tris-(2-carboxyethyl)-phosphine)、DTT (dithiothreitol) 和 2ME (2-mercaptoethanol) 都是常用的還原劑，能減緩細胞中的雙硫壓力。
Main article:
Liu, X., Nie, L., Zhang, Y., …, Chen, J. & Gan, B. (2023). Actin Cytoskeleton Vulnerability to Disulfide Stress Mediates Disulfidptosis. Nature Cell Biology. https://doi.org/10.1038/s41556-023-01091-2
參考文獻：
1. Galluzzi, L., Vitale, I., …, Melino, G., & Kroemer, G. (2018). Molecular Mechanisms of Cell Death: Recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018. Cell Death & Differentiation, 25, 486–541. https://doi.org/10.1038/s41418-017-0012-4
2. Kerr, J. F. R., Wyllie, A. D. H., & Currie, A. R. (1972). Apoptosis: A Basic Biological Phenomenon with Wideranging Implications in Tissue Kinetics. British Journal of Cancer, 26, 239–257. https://doi.org/10.1038/bjc.1972.33
3. Brown, J. M. & Attardi, L. D.The Role of Apoptosis in Cancer Development and Treatment Response. (2005). Nature Reviews Cancer, 5(3), 231–237. https://doi.org/10.1038/nrc1560
4. Liu, X., Olszewski, K., Zhang, Y., … & Gan, B. (2020). Cystine Transporter Regulation of Pentose Phosphate Pathway Dependency and Disulfide Stress Exposes a Targetable Metabolic Vulnerability in Cancer. Nature Cell Biology, 22, 476–486. https://doi.org/10.1038/s41556-020-0496-x
撰文│林大鈞
審稿│蕭皓文
