《Science》新发现：铜死亡！

从细菌、真菌到植物和动物，铜都是生命的基本元素。在人类体内，它与酶结合，帮助血凝块、激素成熟和细胞处理能量。但是过多的铜会杀死细胞。正常情况下，细胞通过主动的内环境平衡机制来调节细胞内铜的含量，保持在一个相对极低水平，以防止过量的铜积累而导致细胞损伤。然而，铜离子载体诱导的细胞毒性机制仍不清楚。

为研究铜离子载体诱导的细胞死亡的机制，麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的Peter Tsvetkov和Todd R. Golub团队新发现了一种由铜引起的细胞死亡的新形式-铜死亡。该研究发现依赖线粒体呼吸的细胞对铜离子的敏感性比进行糖酵解的细胞高近1000倍。通过多重CRISPR基因敲除筛选，该研究确定了促进铜诱导死亡的关键基因-FDX1。最终，研究者们将这种铜离子载体诱导的细胞死亡新形式称为铜死亡。该工作以题为“Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins”发表在最新《science》上。论文的第一作者为Peter Tsvetkov。

【铜离子载体诱导细胞死亡】

首先，作者在489个细胞系中测试了1448个载铜药物对细胞的杀伤效果，结果表明这些载铜药物均能杀伤细胞。但是，改变这些化合物的铜结合能力会导致细胞杀伤能力的丧失。作者以铜结合分子Elesclomol为研究对象，发现单独加入Elesclomol不影响细胞的生长，而一旦加入铜离子，细胞生长受到极大抑制。相反，加入其他金属，例如铁钴锌镍等也不影响细胞生长。为进一步验证铜对细胞的影响，作者使用丁硫胺酸亚砜胺（BSO，消耗细胞内铜螯合剂谷胱甘肽）联合Elesclomol处理细胞，结果同样诱导细胞死亡。而采用四硫代钼酸盐（TTM，一种铜螯合剂）联合Elesclomol处理细胞，则细胞生长不受影响。这些结果表明，铜离子载体诱导的细胞死亡主要依赖于细胞内铜的积累。更重要的是，作者发现

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）。

图1. 铜离子载体诱导的细胞死亡与传统死亡途径不同

【铜离子载体与细胞呼吸相关】

作者观察到更依赖线粒体呼吸的细胞对铜离子的敏感性比进行糖酵解的细胞高近1000倍。采用药物干预线粒体功能后，细胞对铜离子的敏感性发生显著变化。通过乏氧条件培养细胞，作者进一步证实了铜诱导的细胞死亡需要线粒体呼吸参与，而糖酵解产生的ATP对铜诱导的细胞死亡影响较小。接下来，作者发现铜并不直接参与电子传输链（ETC），而只是在三羧酸（TCA）循环中发挥作用。经代谢组学研究发现，对铜敏感细胞中与TCA相关的代谢物明显更多。这些结果表明铜诱导的细胞死亡与线粒体代谢之间紧密联系，铜与TCA循环之间息息相关。

图2. 线粒体呼吸调节铜离子载体诱导的细胞死亡

【关键基因FDX1影响铜离子载体效果】

为了确定介导铜毒性的特定代谢途径，作者通过多重CRISPR基因敲除筛选，确定了促进铜诱导死亡的关键基因-FDX1（该基因编码一种Elesclomol可直接靶向的蛋白，该蛋白可将二价铜离子转化更毒的一价铜离子）。研究发现敲除FDX1会减弱铜离子载体诱导的细胞死亡。此外，当细胞在糖酵解条件下生长时，大多数铜离子载体（如elesclomol、disulfiram和NSC319726）失去了杀伤活性。这一结果进一步表明铜与线粒体代谢联系紧密。

图3. FDX1是铜离子载体诱导细胞死亡的关键基因

【FDX1是蛋白质脂酰化的上游调节因子】

接下来，作者发现敲除FDX1或脂酰化相关酶可以使细胞免于铜毒性。因此，作者猜测FDX1可能是蛋白质脂酰化的上游调节因子。为了验证这一猜测，作者首先通过检索公共数据库，发现FDX1和硫辛酸代谢与细胞存活高度相关。其次，作者对208例人类肿瘤标本进行了FDX1和硫辛酸的免疫组织化学染色，进行了半定量分析，结果发现FDX1和脂酰化蛋白的表达高度相关。最后，作者通过免疫印迹和免疫组织化学检测，发现FDX1基因敲除导致蛋白质脂酰化完全丧失，同时也导致细胞呼吸显著下降。这些结果均表明FDX1是蛋白质脂酰化的上游调节因子。此外，作者还发现铜干扰铁硫簇，而铁硫簇是几种关键代谢酶的一部分。当这种酶降低时，细胞更容易死亡。

图4. FDX1是蛋白质脂酰化的上游调节因子

【小结】

铜是一把双刃剑：在整个动物界，它作为酶的辅助因子是必不可少的；同时又可能诱导细胞死亡。铜稳态的遗传变异会导致危及生命的疾病。铜离子载体和铜螯合剂都被认为是抗癌剂。然而，铜超载导致细胞死亡的机制尚不清楚。在此，作者证明铜诱导细胞死亡的发生机制不同于所有其他已知的调节性细胞死亡机制，包括凋亡、铁死亡、焦亡和程序性坏死。因此，作者提出将这种新发现的铜诱导的细胞死亡机制称为铜死亡。

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来源：高分子科学前沿

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