D-半胱氨酸通过抑制半胱氨酸脱硫酶NFS1选择性抑制肿瘤生长的机制研究

本研究针对癌症治疗中靶向性不足的难题，发现D-半胱氨酸（D-Cys）能通过xCT/CD98转运系统选择性进入高表达该转运体的癌细胞，特异性抑制线粒体半胱氨酸脱硫酶NFS1活性，破坏铁硫簇（Fe-S）蛋白生物合成，导致线粒体呼吸、核苷酸代谢和基因组稳定性等多重功能障碍，最终抑制三阴性乳腺癌等肿瘤生长。该发现为靶向xCT/CD98过表达肿瘤提供了新型治疗策略。

　　

在癌症治疗领域，如何选择性靶向肿瘤细胞一直是重大挑战。许多癌细胞会过表达胱氨酸/谷氨酸逆向转运体xCT/CD98，这种L-胱氨酸运输系统能增强抗氧化防御，促进肿瘤存活和进展。然而，目前针对这一代谢弱点的治疗策略仍显不足。更引人深思的是，氨基酸的立体化学特性在生物系统中的功能差异长期被忽视——虽然L-氨基酸专用于核糖体蛋白质合成，但D-氨基酸在癌症发生中的作用却鲜有探索。

瑞士日内瓦大学分子与细胞生物学系的研究团队在《Nature Metabolism》发表的重要研究中，揭示了D-半胱氨酸（D-Cys）这种特殊分子对肿瘤生长的抑制作用。研究人员通过CRISPR-Cas9全基因组筛选、蛋白质组学分析、酶动力学研究和X射线晶体学等关键技术，结合体外细胞模型和体内异种移植实验，系统阐明了D-Cys通过xCT/CD98转运系统选择性进入癌细胞后，特异性抑制线粒体半胱氨酸脱硫酶NFS1的分子机制。

研究首先通过集落形成实验发现，在测试的所有D-氨基酸中，只有D-Cys能显著抑制A549肺癌细胞和MDA-MB-231三阴性乳腺癌细胞的增殖。这种抑制作用具有高度选择性——正常肺支气管上皮细胞BEAS-2B等对D-Cys不敏感。进一步的CRISPR-Cas9筛选将xCT（SLC7A11）和CD98（SLC3A2）锁定为介导D-Cys毒性的关键因子。实验证实，D-Cys通过xCT/CD98系统进入细胞后，会特异性靶向线粒体半胱氨酸脱硫酶NFS1，这种酶是细胞铁硫（Fe-S）蛋白生物合成的核心组分。

深入的生化研究表明，虽然D-Cys能与NFS1的吡哆醛磷酸（PLP）辅因子形成D-Cys-酮亚胺中间体，但由于立体位阻，其硫原子无法转移到NFS1的Cys381活性位点形成过硫化物。这种独特的"分子陷阱"机制通过X射线晶体学得到直观阐释——研究人员解析了NFS1-ISD11-ACP1复合物与L-炔丙基甘氨酸（PG）的晶体结构（PDB 8TVT），并通过分子建模展示了D-Cys硫原子的不利空间取向。这种抑制作用导致Fe-S簇合成障碍，进而引发线粒体呼吸链复合物I、II、IV亚基降解，[4Fe-4S]酶（如乌头酸酶ACO2）活性丧失，以及脂酰辅因子合成受损等连锁反应。

值得注意的是，D-Cys的影响不仅限于线粒体。由于线粒体核心ISC系统也参与胞质和核内Fe-S蛋白的生物合成，D-Cys处理还导致核苷酸代谢相关酶（如谷氨酰胺磷酸核糖焦磷酸酰胺转移酶）和DNA修复蛋白（如NTHL1糖基化酶）水平下降，伴随53BP1和γ-H2AX等DNA损伤标志物增加。这些发现解释了D-Cys诱导的G1期细胞周期阻滞现象。

在转化医学方面，研究团队建立了免疫缺陷小鼠的MDA-MB-231原位移植瘤模型。通过饮食补充D-胱氨酸结合腹腔注射D-Cys的给药方案，成功将血浆D-胱氨酸浓度维持在IC50以上。治疗组肿瘤生长被显著抑制（>2倍），且未观察到明显的肝肾毒性。这种治疗效果与肿瘤微环境特性密切相关——低氧条件会减弱D-Cys毒性，而肿瘤边缘富氧区域的增殖细胞对D-Cys最为敏感。

这项研究首次揭示了D-氨基酸在肿瘤代谢调控中的重要作用，阐明了D-Cys通过立体特异性抑制NFS1破坏Fe-S蛋白生物合成的全新机制。从转化医学角度看，该发现为xCT/CD98过表达的肿瘤（如三阴性乳腺癌）提供了极具前景的治疗策略。由于许多转移性肿瘤细胞在循环系统中暴露于高氧环境，D-Cys可能特别适用于抑制转移过程。此外，D-Cys也可作为研究Fe-S蛋白生物合成的有力工具分子。未来研究可进一步探索D-Cys与其他靶向治疗的协同效应，以及基于NFS1-D-Cys相互作用结构的药物优化设计。