介绍一篇大热文章——铜死亡

在铁死亡的热度逐渐“凉下来”之际，铜死亡横空出世，引起广泛关注。介绍最近大热的一篇文章，由美国Broad研究所Todd R. Golub与Peter Tsvetkov（第一作者）合作完成，3月份发表在SCIENCE期刊上，题目为Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins的研究论文（ https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf0529 ）。

Todd R. Golub 是应用基因组学研究肿瘤的世界军人物，在儿童白血病的分子机制研究上获得了重大发现，Golub团队的工作为利用基因表达分析诊断和分类人类肿瘤奠定了基础。

图片来源： https://golublab.broadinstitute.org/

本次文献解读分为4个部分，PART I：背景介绍及铜离子诱导新型细胞死亡（ Fig-1，2 ）；PART II：铜死亡关键基因FDX1是蛋白脂化的上游调节因子（Fig-3，4）；PART III：铜直接结合并诱导脂酰化 DLAT 的寡聚化（Fig-5）；PART IV：化学及基因诱导的铜依赖细胞死亡的共同机制（Fig-6）及全文逻辑梳理。

背景介绍。细胞死亡是细胞行为学上非常重要的表型之一，一直都是科研热点。细胞死亡的形式包括凋亡(Apoptosis)、自噬 (Autophagy)，到焦亡 (Pyroptosis)，以及前几年比较热、现在逐渐“凉下来”的铁死亡（Ferroptosis）等。接下来，我们分别做点介绍。

细胞凋亡（Apoptosis）：指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，它并不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。

细胞自噬（Autophagy）：是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程，损坏的蛋白或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹后，送入溶酶体(动物）或液泡（酵母和植物）中进行降解并得以循环利用。

细胞焦亡（Pyroptosis）：又称细胞炎性坏死，是一种程序性细胞死亡，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。细胞焦亡是机体一种重要的天然免疫反应，在抗击感染中发挥重要作用，是由gasdermin介导的细胞程序性坏死。

铁死亡（Ferroptosis）：是一种铁依赖性的，区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬的新型的细胞程序性死亡方式。铁死亡的主要机制是，在二价铁或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡；此外，还表现为抗氧化体系（谷胱甘肽系统）的调控核心酶GPX4的降低。

铁死亡的发现说明金属离子可以诱导细胞死亡，那么，其他金属元素，比如铜，是不是也可以导致细胞死亡呢？这是个值得探究的问题！

正常血浆铜约95%是以铜蓝蛋白形式存在的，另有少量铜与白蛋白结合。比如肝豆状核变性（即威尔逊氏病）为遗传性铜转运缺陷性疾病，为铜转运腺苷三磷酸(ATP)酶的缺乏，造成铜在肝中贮积，继之储积在多种组织中，如脑、肾及角膜。肝细胞中铜的贮积达到一定程度使肝细胞坏死，铜释放到血浆可导致溶血，铜在其他脏器中贮积可造成相应器官的损伤。与传统的铜毒性相关的研究不同，本文创新性的提出了利用铜毒性治疗肿瘤的新观点。

铜是必需酶的辅助因子，但细胞需维持稳态机制，细胞内铜浓度处于非常低的水平，以防止细胞内铜的积累产生毒性。铜离子载体是一种结合铜的小分子，将铜输送到细胞中，因此是研究铜毒性的有用工具。多种证据表明，铜离子载体诱导细胞死亡的机制涉及细胞内铜的积累，而不是小分子伴侣本身的作用。

研究人员前期开展大量工作在489个细胞系中检测了1448个载铜药物对每种细胞的杀伤效果，结果发现这些载铜药物均能杀伤细胞（Fig-1A）。而后他们单独使用强效铜离子载体 Elesclomol，研究铜离子所介导的细胞死亡机制。

结果发现单独使用Elesclomol对细胞的生长并不会产生太显著的影响，加入其他金属，例如铁钴锌镍等也不影响细胞生长，只有当铜离子加入并在细胞内积累，细胞生长作用才会被显著抑制（Fig-1B）。紧接着，研究者想探究铜离子载体介导的细胞死亡是否受到调节，以及短期暴露是否会导致后续的细胞毒性。他们用浓度低至40 nM的铜离子载体Elescloplat脉冲处理细胞仅2小时，导致细胞内铜水平增加后，并在24小时后触发细胞死亡（Fig1C）这一结果表明，铜介导的细胞死亡确实能受到调控。

为了证实铜离子载体诱导的细胞死亡是一种新的细胞死亡途径，明显区别于传统死亡方式（凋亡，铁死亡，坏死），Elesclomol诱导的细胞死亡既不涉及细胞凋亡的标志caspase-3活性的切割，也不涉及细胞凋亡的激活（Fig-1D.E）。同样，当细胞凋亡的关键效应因子Bax和BAK1被敲除（Fig-1F）或当细胞与泛半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶抑制剂（Z-VAD-FMK和Boc-D-FMK）共处理（Fig-1G）时，也可维持电生理杀伤潜力，这再次表明铜诱导的细胞死亡不同于细胞凋亡。此外，用其他已知细胞死亡机制的抑制剂治疗，包括铁生长抑制素-1（ferrostatin-1）、坏死抑制素-1（Necropotosis，necrostatin-1）和氧化应激（N-乙酰半胱氨酸）等，均未能消除铜离子载体诱导的细胞死亡（Fig-1G），表明其机制与已知细胞死亡途径不同（Fig-1H）。

紧接着团队在研究中观察到一个现象，当细胞依赖于线粒体呼吸时，其对铜离子载体的敏感性比进行糖酵解细胞高近1000倍。（Fig-2A）。与对诱导铁死亡的 GPX4 抑制剂 ML162 的敏感性相比，采用抗氧化剂、脂肪酸和线粒体功能抑制剂等干预线粒体功能后，细胞对铜离子载体的敏感性的影响异常明显（Fig-2B）。重要的是，线粒体解聚物FCCP对铜毒性没有影响，表明是线粒体呼吸产生的ATP是铜诱导细胞死亡所必需的（Fig-2C）。同样在缺氧条件下（1%O2）生长的细胞减弱了每个离子载体诱导的细胞死亡的DCOP，而在常氧条件下（21%O2），用HIF脯氨酰羟脯氨酸脱氢酶抑制剂FG-4592加强了缺氧诱导因子（HIF）途径的稳定（Fig-2D），进一步强调细胞线粒体呼吸在介导铜诱导的细胞死亡中的作用。然而，用铜载体处理不会导致基础呼吸或ATP相关呼吸显著减少，但确实显著降低了相对容量（Fig-2E），表明铜不会直接针对电子传递链（ETC），而是只在三羧酸（TCA）循环中发挥作用。在补充实验中研究者使用经Elesclomol脉冲处理的两种细胞的代谢物进行分析，结果表明在对铜敏感细胞中TCA 循环相关代谢物明显增加。这些结果表明铜诱导的细胞死亡与线粒体代谢密切关联，进一步阐明铜与TCA循环之间的精确关系（Fig-2F）。

原文转载自公众：芒果师兄聊生信（ID：Mangohometown）