SLC7A11、SLC7A5调控成骨过程作用机制的研究进展

倪飞飞，徐庆，李建军

(中国医科大学附属盛京医院，沈阳110004)

CD98分子是在1981年制备抗白细胞单克隆抗体时被首次发现，开始称其为4F2抗原，也称为融合调节蛋白1(FRP-1)[1]。CD98是一种脊椎动物特有的跨膜糖蛋白，在人体中广泛分布于除血小板外的组织和细胞中，是由1条重链和1条轻链组成的异二聚体。CD98重链由溶质载体家族3(SLC3)编码，其分子量比较大，由具有高度糖基化的胞外结构域、短跨膜结构域和胞质尾三部分构成[2]。CD98轻链由溶质载体家族7(SLC7)编码，是一种由501～535个氨基酸构成的12次跨膜蛋白。SLC7A11、SLC7A5同属于SLC7，是细胞中两种重要的必需氨基酸转运体[3]。SLC7A11、SLC7A5在成骨细胞中表达改变可从不同方面影响成骨细胞增殖及分化，但其具体的成骨机制并未完全阐明。本研究对SLC7A11、SLC7A5的生物学功能及其调控成骨过程的相关机制作一综述。

1 SLC7A11、SLC7A5的生物学功能

1.1 SLC7A11的生物学功能 SLC7A11基因位于人类4号染色体上，包含14个外显子，是一种由501个氨基酸构成的12次跨膜蛋白，其N端和C端均位于细胞质内，分子质量为55 kDa。SLC7A11基因在脊椎动物中高度保守，但在低级生物如秀丽隐杆线虫中还没有发现其明显的同源性。SLC7A11氨基酸转运系统呈电中性，是与Na+无关的氨基酸转运系统，对胱氨酸和谷氨酸具有高度特异性，以1∶1形式使谷氨酸与胱氨酸交换，在生理条件下将胱氨酸转运入细胞，同时将谷氨酸转运出细胞[4]。SLC7A11转运系统对胱氨酸和谷氨酸的有效交换既需要轻链也需要重链参与，轻链负责主要的转运活性，对胱氨酸和谷氨酸具有高度特异性，而重链主要起伴侣蛋白的作用，对调节SLC7A11向质膜的转运至关重要。SLC7A11 mRNA广泛表达于哺乳动物的大脑、胰腺、肾脏、肝脏等脏器及星形胶质细胞、巨噬细胞、视网膜细胞等细胞中[3]，是正常哺乳动物血浆氧化还原稳态、皮肤色素沉着、免疫系统功能和记忆形成等生理过程所必需的[5]，SLC7A11基因缺失会影响细胞的生长、代谢甚至可能导致细胞发生癌变。

1.2 SLC7A5的生物学功能 SLC7A5基因位于人类16号染色体上，共有39 477个核苷酸和10个外显子。人类SLC7A5是一种507个氨基酸构成的12次跨膜蛋白，分子质量为55 kDa。SLC7A5是一种不依赖Na+和pH的大型中性氨基酸转运体，与糖蛋白SLC3A2通过二硫键相结合形成异源二聚体复合物，为细胞提供必需的氨基酸，如亮氨酸、苯丙氨酸等[6]。研究表明，CD98分子中轻链SLC7A5具有氨基酸转运的功能，而重链SLC3A2并没有氨基酸转运作用。SLC3A2也可作为分子伴侣，使SLC7A5在细胞膜中达到其最终定位点[7]。SLC7A5也是一种甲状腺激素转运体，可参与肿瘤、胎盘、脾、肾等多种组织的甲状腺激素转运。SLC7A5在脑、脾、骨髓、胎盘、肝脏、睾丸等组织及C6胶质瘤细胞、上皮细胞、单核细胞、巨噬细胞、肝癌细胞等细胞中表达均升高[8,9]。

2 SLC7A11、 SLC7A5调控成骨过程的相关机制

2.1 SLC7A11调控成骨过程的相关机制

2.1.1 促进GSH生成、抑制成骨细胞氧化应激 研究表明，在未分化的MC3T3成骨细胞中,存在由SLC7A11和SLC3A2亚单位组成的胱氨酸-谷氨酸反向转运蛋白mRNA表达。SLC7A11可使胱氨酸转运入细胞，在处于生长期的细胞中激活SLC7A11，从而增加细胞内胱氨酸含量[10]。而胱氨酸是细胞内抗氧化剂谷胱甘肽(GSH)生物合成的重要前体，也是调节细胞内GSH水平的一个关键因素。GSH通过谷胱甘肽S-转移酶硫酸化多种转录因子，包括NF-κB、热休克蛋白和激活蛋白1，在氧化还原调节过程中发挥重要作用[3]。研究显示，绝经后骨质疏松症妇女的氧化应激反应与骨密度密切相关[11,12]。GSH作为一种主要的抗氧化剂，在成骨细胞参与骨重塑和骨氧化还原过程中发挥关键作用，暴露于GSH可导致成骨细胞分化和矿化[13]。在SLC7A11转染的成骨细胞中，SLC7A11过表达除了可以促进胱氨酸进入成骨细胞内，还可以使细胞内GSH水平升高和活性氧(ROS)生成减少，而ROS可以抑制成骨细胞分化及诱导细胞凋亡[14]。因此，成骨细胞内激活SLC7A11可促进GSH合成，抑制其氧化应激反应，有利于成骨细胞的增殖、分化。

影响SLC7A11转运的另一种物质是谷氨酸(Glu)，Glu在成骨细胞、破骨细胞中具有自分泌和旁分泌信号介质的功能[15]。研究显示，在细胞外Glu浓度较高的情况下，细胞外Glu可使SLC7A11转运蛋白发生逆向转运，从而使细胞内胱氨酸大量流出；同时Glu流入细胞，胱氨酸流出细胞，造成细胞内胱氨酸水平降低，导致GSH合成减少及消耗增加，最终引起细胞凋亡[16]。因此，细胞表面SLC7A11的活性和运转方向可以调节内源性GSH水平，是成骨细胞增殖及分化的关键因素。进一步研究发现，GSH水平降低可使成骨细胞中ROS生成增加，进而促进Nrf2表达[17]。

在成骨细胞中，Nrf2对许多解毒和抗氧化基因的调节至关重要，其上调可促进成骨细胞的分化及矿化[18]。Nrf2为调节抗氧化反应的主要转录因子，其通过调节SLC7A11转录控制GSH合成。在其他细胞中，如成纤维细胞、巨噬细胞、肾细胞等，也发现Nrf2可与SLC7A11启动子中的抗氧化/亲电反应元件结合，从而促进SLC7A11表达，增加细胞内胱氨酸水平，使细胞内GSH水平升高，最终促进成骨细胞增殖[19]。但也有研究认为，成骨细胞中Nrf2过表达可使细胞增殖及分化活性显著降低[10,20]。因此，在成骨细胞中Nrf2对SLC7A11表达及GSH合成的影响仍需要进一步研究。

2.1.2 降低成骨细胞Runx2表达 Runx2能够激活骨钙素、骨桥蛋白等成骨相关基因的表达，诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，在成骨细胞的成骨分化过程中发挥重要作用[21]。在MC3T3成骨细胞中，SLC7A11过表达可下调Runx2表达，从而负性调控成骨细胞生成[14]。研究显示，去卵巢骨质疏松症小鼠模型中Runx2 mRNA和蛋白表达均显著下降，SLC7A11 mRNA和蛋白表达显著升高[22]。与非骨质疏松症患者比较，绝经后骨质疏松症患者体外培养的股骨成骨细胞SLC7A11 mRNA表达升高，Runx2表达降低[23]。基因层面研究发现，Runx2的DNA结合域含有两个保守的半胱氨酸残基，负责DNA结合活性的氧化还原调节[24]。研究表明，在成骨细胞中转染Runx2启动子质粒后，Runx2活性显著升高，而成骨细胞瞬时和稳定转染SLC7A11表达载体后,可通过激活蛋白1位点阻止Runx2激活，表明在基因转录水平上成骨细胞内SLC7A11可负性调控Runx2表达[22]。已有研究显示，成骨细胞中的Nrf2可通过干扰Runx2依赖的转录激活因子而抑制成骨细胞分化，通过引入骨钙素启动子ARE-like-2序列突变体，可部分抑制Nrf2对Runx2依赖的骨钙素启动子的活性[20]。此外一种推测认为，Nrf2可能通过ROS从细胞质锚定蛋白释放后，干扰成骨细胞分化需要的Runx2核易位[25]。因此，成骨细胞中SLC7A11过表达可在分子水平正性调控GSH生成，在转录水平负性调控Runx2表达，从而影响成骨过程。

2.2 SLC7A5调控成骨过程的相关机制

2.2.1 SLC7A5通过mTOR促进成骨细胞增殖、分化 研究显示，在肿瘤细胞中SLC7A5可将细胞内谷氨酰胺转运出细胞，以交换亮氨酸和异亮氨酸等必需氨基酸，从而促进细胞增殖、分化。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在协调细胞营养、调控细胞生长以及新陈代谢过程中具有核心作用，而且高浓度亮氨酸可通过mTOR信号通路诱导细胞增殖[8]，且mTOR只有在亮氨酸浓度足够高时才能进行基因水平翻译[26]。SLC7A5可与SLC1A5协同调控亮氨酸转运，激活mTOR信号通路[6]。谷氨酰胺是一种必需的限速因子，可促进必需氨基酸和生长因子激活mTOR，谷氨酰胺转运蛋白SLC1A5和异源二聚体SLC7A5/SLC3A2组成的双向转运蛋白是氨基酸转运、mTOR信号通路活性和细胞生长所必需的。研究显示，通过SLC7A5的转运,中性支链氨基酸可以刺激mTOR在多个细胞系中的表达[8]。在非洲爪蟾蜍卵母细胞中，利用氨基酸显微注射系统结合SLC7A5过表达技术，可使mTOR通过SLC7A5表达上调，增加必需氨基酸供应，以维持细胞生长，并有利于调控细胞增殖[27]。

在成骨分化过程中，mTOR通过调节成骨相关mRNA的翻译在骨骼发育过程中发挥重要作用[28]。mTOR/Raptor信号通路可通过调控Runx2表达，在体内对骨形成发挥重要的调节作用。在前成骨细胞中，阻断mTOR信号通路可导致成骨细胞分化受损，最终引起严重骨缺损的发生。进一步的分子机制研究表明，mTOR/Raptor-S6K1轴可通过增加Runx2增强子的活性调节Runx2表达，进而促进成骨细胞分化[29]。在肿瘤细胞中，亮氨酸已经被证实可通过调节mTOR靶点来刺激蛋白质合成和加速细胞增殖，而SLC7A5表达下调可抑制mTOR活化，进而抑制肿瘤细胞增殖[26]。研究显示，在氨基酸饥饿过程中mTOR的激活受到抑制，通过改变下游效应物磷酸化，如核糖体蛋白S6激酶1和真核翻译起始因子4E结合蛋白1，可导致mRNA生物合成和翻译减少[8]。

研究报道，SLC7A5在胚胎成骨细胞和Saos2人骨肉瘤细胞中均有表达，并且中性氨基酸进入细胞的转运主要由SLC7A5介导[30]。有研究在胚胎成骨细胞中应用SLC7A5选择性抑制剂处理，结果发现胚胎成骨细胞对亮氨酸的吸收几乎完全被抑制[31]。研究显示，在良性骨肿瘤组织中SLC7A5呈高表达，其中在成骨细胞瘤组织中的表达最高[32]。因此，SLC7A5对亮氨酸的转运可通过改变mTOR活性而影响成骨细胞生长。

综上所述，SLC7A11、SLC7A5是氨基酸转运所必需的，在细胞的生长代谢方面发挥重要作用。在成骨细胞分化过程中，SLC7A11具有正负两方面的调控作用，主要作用于GSH、Runx2调控成骨，组成复杂的调控关系；SLC7A5可能通过mTOR调控成骨，维持骨代谢平衡。但目前对SLC7A11、SLC7A5调控成骨的研究尚处于初步阶段，还有很多的调控机制有待于进一步探索，如SLC7A11、SLC7A5是否对破骨细胞介导的骨吸收过程有调控作用。SLC7A5、SLC7A11在成骨细胞内均有表达，可介导成骨细胞内外必须氨基酸的转运，有望成为未来创新药物研发的靶向分子，为治疗多种与人类成骨细胞异常发育相关的骨科疾病提供一种新的治疗方法。