2023年8月29日，来自美国康奈尔大学的Shu-Bing Qian团队在杂志Molecular Cell上发表了题为Lysosomal cystine governs ferroptosis sensitivity in cancer via cysteine stress response的文章，发现细胞内营养物质重编程有可能在癌症中诱导选择性铁死亡，且与系统饥饿无关。
细胞通过胞质翻译重编程和核转录适应来维持细胞内的氨基酸稳态。在氨基酸限制后，综合应激反应（ISR）通常是通过一般控制GCN2激酶诱导的。激活的GCN2磷酸化真核起始因子2a（eIF2a），导致翻译重编程，抑制一般蛋白质合成，但矛盾地增加了信使RNA（mRNA）的翻译。在哺乳动物细胞中，ISR过程中选择性翻译最显著的例子是激活转录因子4（ATF4）。
研究普遍认为ATF4表达的主要调控是通过对已存在的mRNA的翻译控制，然而，ATF4的转录调控仍不清楚。
目前，对氨基酸反应的理解在很大程度上是基于完全氨基酸剥夺的研究。但尚不清楚单个氨基酸剥夺是触发了常见的ISR还是引起了独特的细胞反应。半胱氨酸是合成蛋白质和许多细胞内代谢物所必需的，如谷胱甘肽（GSH），一种主要的细胞抗氧化剂。溶酶体胱氨酸可以通过转运体胱氨酸（CTNS）被动员来供应细胞内的半胱氨酸，其功能缺失突变导致溶酶体储存障碍胱氨酸病。
半胱氨酸消耗会导致铁死亡。虽然溶酶体已经成为氨基酸代谢的信号枢纽，但溶酶体胱氨酸在铁死亡中的作用仍然未知。
1.半胱氨酸应激反应与ISR和NRF2无关
团队通过将完全氨基酸饥饿和单个氨基酸剥夺进行比较，发现半胱氨酸缺失诱导了细胞核中ATF4的一种独特的转录诱导，这克服了eIF2a磷酸化介导的ATF4的翻译控制。
进一步研究发现，与完全氨基酸剥夺相比，单独剥夺半胱氨酸会导致细胞内半胱氨酸和胱氨酸水平显著降低，且蛋白质合成是细胞内半胱氨酸的主要消耗途径。
除了蛋白质合成外，半胱氨酸也是合成细胞内代谢物如GSH的限速前体，考虑到在半胱氨酸剥夺条件下NRF2的诱导率更高，团队想知道ATF4的明显上调是否仅仅是过度氧化应激反应的结果，然而，抗氧化剂抗坏血酸对半胱氨酸剥夺时对ATF4的调控影响不大。
另外，团队在MEF细胞中将NRF2沉默，并通过丁硫氨酸亚胺（BSO）诱导氧化应激反应，从而抑制GSH的生物合成。他们发现敲除NRF2可抑制由BSO诱导的ATF4的表达，但对半胱氨酸缺乏的细胞影响不大。因此可能有其他机制来介导半胱氨酸应激反应。
2. 半胱氨酸应激反应对溶酶体胱氨酸敏感
最近的研究报道称细胞内半胱氨酸通过MFSD1212与V-ATP酶泵结合的过程转运至溶酶体，一旦进入溶酶体，半胱氨酸就被氧化成胱氨酸。团队发现BafA1存在时胞质半胱氨酸水平部分恢复，表明溶酶体胱氨酸的缺乏触发了ATF4的表达，随后的研究发现，ATF4的转录调控是由溶酶体胱氨酸以ISR及NRF2非依赖的方式控制的。
溶酶体胱氨酸通过CTNS外排，形成一个胱氨酸到半胱氨酸的循环。实验发现通过重新引入外源性CTNS，ATF4的表达减弱得以挽救，因此，即使在半胱氨酸缺乏的情况下，溶酶体胱氨酸的积累也会减弱ATF4的反应。
3. 半胱氨酸应激反应涉及AhR信号通路，AhR通过核嘌呤途径感知溶酶体胱氨酸水平
接下来，团队探究了溶酶体胱氨酸的缺乏如何导致ATF4的转录反应，通过使用shRNA敲除AhR抑制了ATF4在半胱氨酸饥饿细胞中的诱导，证实了AhR介导的半胱氨酸反应。
AhR通常作为一种非活性复合物存在于细胞质中。配体结合后，AhR易位到细胞核，在那里它与ARNT（芳烃受体核转位器）二聚，随后结合包含DRE/XRE的基因组区域，团队发现溶酶体中胱氨酸的缺乏就足以激活AhR。总之，AhR作为一个溶酶体-核信号通路，响应溶酶体胱氨酸缺乏。
为确定溶酶体中胱氨酸缺乏的潜在AhR配体，团队对具有溶酶体胱氨酸积累的MEF细胞进行了非靶向代谢组学研究，发现AhR信号在半胱氨酸剥夺时达到最大，且犬尿氨酸代谢是受溶酶体胱氨酸水平影响最高的代谢途径，还发现了许多被称为内源性AhR激动剂的吲哚衍生物。
4. 半胱氨酸应力反应调节铁死亡的敏感性
由于半胱氨酸是铁死亡的有效调节因子，AhR介导的半胱氨酸反应可以调节铁死亡的敏感性。团队通过研究进一步证明了这点。
接下来，团队研究了溶酶体胱氨酸在铁死亡中的作用。通过研究他们发现，AhR激活剂靛红完全挽救了铁死亡，细胞的脂质氧化显著减少。因此，ATF4表达的增加可能是通过增加Xc-系统和抗氧化反应，以抵消铁死亡带来的影响。
5. 半胱氨酸应激反应减弱，使癌细胞对铁死亡敏感
通过诱导ATF4表达，癌细胞能够对半胱氨酸限制产生快速适应，从而使化疗疗效受到损害。由于溶酶体中胱氨酸的积累增强了铁死亡，团队假设通过灭活CTNS来阻断溶酶体胱氨酸外排将最大限度地增加癌细胞的铁死亡，进一步研究发现，沉默SLC7A11或CTNS抑制了UMRC6肿瘤的生长，而敲除这两个基因几乎完全抑制了肿瘤的发生。
6. CysRx作为一种铁死亡诱导剂的发展
尽管CTNS沉默在促进癌细胞铁死亡方面有很好的作用，但所编码的CTNS在维持溶酶体稳态中却至关重要。因此创造一种替代方法来阻断溶酶体胱氨酸外排是非常可取的。团队认为，通过偶联富含半胱氨酸的多肽的翻译和共翻译溶酶体靶向，有可能将胞质半胱氨酸直接转运入溶酶体。
一项对人类编码序列的调查显示，在大量的蛋白质群中有许多富含半胱氨酸的结构域。例如，一个由DNAJC5编码的半胱氨酸串蛋白（CSP）在25个氨基酸中包含15个半胱氨酸。团队将CSP和CYSRT1基序与胰岛素样生长因子2（IGF2）融合，通过甘露糖-6-磷酸受体（M6PR）实现溶酶体靶向融合结构命名为CysRx。进一步实验证明转染cysrx的细胞显示胞质半胱氨酸显著减少，溶酶体半胱氨酸相应增加，且半胱氨酸缺乏的细胞更容易发生铁死亡。
7. CysRx可诱导癌症中的铁死亡
最后的研究发现，CysRx通过诱导铁死亡来治疗癌症，具有治疗潜力。
8. 总结
氨基酸半胱氨酸及其氧化二聚体形式的胱氨酸通常被认为是代谢功能的同义词。（半）胱氨酸消耗不仅会诱导氨基酸反应，还会引发铁死亡（一种非凋亡细胞死亡）。
本文中，团队报道了与一般氨基酸饥饿不同的途径，即（半）胱氨酸剥夺在转录水平上触发ATF4诱导。是溶酶体胱氨酸的缺乏，而不是胞质半胱氨酸，引起了适应性的ATF4反应。溶酶体-核信号通路涉及芳基烃受体（AhR），该受体通过尿氨酸途径感知溶酶体胱氨酸。溶酶体胱氨酸外排的阻断可减弱ATF4的诱导并使铁死亡敏感。为了增强癌症中的铁死亡，团队开发了一种合成的mRNA试剂CysRx，它可以将胞质半胱氨酸转化为溶酶体胱氨酸。
