蒙大拿州立大学的一位分子遗传学家发现了一种曾被认为不可能的细胞过程——当细胞的主要系统失效时，在活细胞内创造氨基酸半胱氨酸的过程。这一发现有朝一日可能带来新的癌症治疗方法。
这些发现已于5月21日发表在科学期刊《自然·化学生物学》(Nature Chemical Biology)上，该期刊可在线获取。
"所有细胞都需要持续供应一种称为半胱氨酸的氨基酸才能存活。然而，半胱氨酸在细胞外部是无法获取的。"
论文主要作者、蒙大拿州立大学农业学院微生物学和细胞生物学系遗传学与发展教授埃德·施密特
半胱氨酸对细胞至关重要，因为它帮助细胞构建蛋白质并抵御损伤。它还能形成二硫键，稳定蛋白质，帮助细胞保持其三维结构。几十年来，研究人员一直知道细胞无法从外部获取半胱氨酸，因此它们必须通过化学方法将半胱氨酸的氧化形式——即胱氨酸——分裂，以获取生存所需的氨基酸。这个过程被称为二硫键还原系统。
施密特说："长期以来，科学家们一直认为这一过程对所有活细胞都是绝对必需的。然而，我们发现了一种之前未知的哺乳动物细胞系统，当主要系统失效时，它可以接管这一功能。"
这一发现是在九年内分三个阶段完成的。施密特说，第一个"顿悟时刻"出现在2014年，当时一群小鼠在根据当时科学理论本应无法存活的情况下存活了下来。这是因为它们没有已知的将胱氨酸转化为半胱氨酸的系统。
他说："这本应该是不可能的。从未发现任何生物体或细胞能在没有功能性二硫键还原系统的情况下存活。"
这一发现并非偶然。施密特已经通过基因工程技术使小鼠分别缺乏肝脏中的两种主要二硫键还原酶中的一种。
他说："我们在这些小鼠品系的肝脏中观察到的一些生理反应让我认为，没有至少一种这些还原酶细胞就无法存活的观点可能不正确。我想测试这一点。"
施密特和他的团队与布达佩斯匈牙利国家肿瘤研究所的合作者彼得·纳吉(Peter Nagy)团队合作，后者为该项目带来了独特的分析能力，他们花了七年时间才揭开小鼠在没有二硫键还原系统的情况下仍能从胱氨酸制造半胱氨酸的机制。事实证明，当细胞无法使用二硫键还原系统获取半胱氨酸时，备用系统会化学性地切断胱氨酸中相邻的碳硫键，最终释放出半胱氨酸供细胞使用。
他表示，这一新发现的备用系统可能通过保护细胞免受亲电毒素侵害而帮助人类生存。许多亲电毒素是某些生物体制造的有机分子，用于杀死可能吃掉它们的其他生物体。
施密特说："我们的细胞在没有二硫键还原酶的情况下至少能在一段时间内存活的能力，很可能在我们最早的多细胞祖先中进化而来，作为一种机制，使这些生物体能够抵抗被它们所吃的食物或环境中发现的物质产生的亲电毒素杀死。"
值得注意的是，这种备用系统也可能帮助一些癌细胞在接触化疗、放疗或免疫疗法后存活下来。
施密特说："同样保护我们细胞免受氧化剂或毒素侵害的这一通路，也可能保护癌细胞免受治疗影响。现在我们知道它们拥有这种防御机制，我们可能能够精确地在癌症中禁用它，使癌细胞对癌症治疗更加敏感。"
几位蒙大拿州立大学(MSU)的学生共同撰写了这篇论文，其中一些人已经毕业，包括作为本科学生在施密特实验室工作的共同第一作者佐伊·西福德(Zoe Seaford)和悉尼·奥斯达德(Sydney Austad)。马丁娜·塞拉诺·阿尔瓦雷斯(Martina Serrano Alvarez)和里德·诺伊德(Reed Noyd)在参与该项目时也是实验室的本科生，而科林·米勒(Colin Miller)是一名博士生。来自不同机构的其他科学家和培训人员也参与了论文中呈现的部分研究工作。
农业学院院长斯里卡拉·巴贾(Sreekala Bajwa)说："这一科学突破凸显了研究重新定义我们认为可能的事物并推进癌症治疗新方法的力量。我祝贺施密特博士及其团队取得的卓越成就，并感谢他们将学生作为真正的合作伙伴参与研究，产生全球影响。"
施密特于1999年加入蒙大拿州立大学。他的研究兴趣包括基因调控、细胞和生物体生理学、小鼠遗传学、胚胎学、生物化学、新陈代谢以及通过将一个或多个其他生物体的基因插入小鼠基因组而进行基因改造的实验小鼠。
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