铜死亡：靶向三羧酸循环的细胞死亡

撰文丨十一月

责编丨酶美

铜离子是所有生物必不可少的辅助因子，但当其浓度超过一定阈值时，就会对机体产生毒害作用【1】。但是过量的铜离子是如何诱导细胞死亡的还不甚清楚。为了揭开这一问题的答案，美国Broad研究所Todd R. Golub研究组与Peter Tsvetkov（第一作者）合作在Science发文题为Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins，发现了细胞体内依赖于铜离子且受到调控的新的细胞死亡方式：铜死亡，铜离子通过直接结合三羧酸循环途径中的脂酰化成分，导致脂酰化蛋白异常聚集以及铁硫簇蛋白的丢失，从而导致蛋白质毒性应激反应最终导致细胞死亡。

在动物界，从细菌到人类细胞，铜离子作为必要酶的辅助因子发挥关键作用。细胞内存在一些维稳机制来阻止细胞内铜离子的过度累积【2】。但铜离子导致细胞死亡具体机制还尚不清楚。有一些结构生物学方面的研究表明，当一些结合铜离子的小分子丧失铜离子结合能力的时候，铜离子对细胞的毒害作用就会消失。关于金属离子诱导细胞死亡的具体机制已经有很多研究，这些机制包括诱导细胞凋亡、诱导活性氧抑或是抑制泛素-蛋白酶体系统等等。

为了对铜离子诱导细胞死亡的具体机制进行探究，作者们将目光集中在了铜离子载体上。铜离子载体是结合铜离子的小分子，可以将铜离子运送到细胞内，因此可以作为研究铜离子毒性的工具。首先，作者们使用铜离子载体具有特异性累积细胞内铜离子的作用，确认铜离子的确会导致细胞毒性。进一步的，作者们想知道铜离子所导致的细胞死亡是否受到调控以及具体机分子机制。细胞死亡所涉及的信号包括细胞凋亡、细胞坏死、细胞焦亡以及铁死亡等【3-6】。但是通过相关的抑制剂处理后作者们发现铜离子载体对细胞的杀伤潜力并不会受到影响，这说明铜离子所诱导的细胞死亡具有其他独特的调控机制。

关于铜死亡的具体机制有一个线索是作者们发现依赖于线粒体呼吸的细胞对铜离子载体的敏感程度是糖酵解细胞的1000倍左右。与使用铁死亡抑制剂相比，线粒体抗氧化剂、脂肪酸和线粒体功能抑制剂对铜离子载体的敏感性有非常明显的影响。当对电子传递链复合体进行抑制时，则会减轻铜死亡。但铜离子载体并不会显著降低细胞的呼吸作用，也不是针对电子传递链。作者们猜测铜离子可能是作用于三羧酸循环的组成部分来“毒害”细胞的。通过实验作者们发现铜离子处理的确会导致许多三羧酸循环相关代谢产物的紊乱。该结果证明铜离子载体所诱导的细胞死亡与三羧酸循环之间存在联系。

图1 铜死亡与三羧酸循环途径

为了确定铜死亡的特定代谢途径，作者们进行了全基因组CRISPR-Cas9功能缺失筛选，从而确定铜死亡相关基因（图2），从这一筛选中作者们找到了七个正调控基因以及三个负调控基因，其中FDX1和蛋白质硫辛酰化（Protein lipoylation）是铜离子载体诱导细胞死亡的关键调控因子。蛋白质硫辛酰化是一种高度保守的赖氨酸翻译后修饰，主要发生在调节三羧酸循环的四种酶上。作者们发现敲除FDX1或硫辛酰化相关酶可以挽救细胞铜死亡，所以作者们好奇FDX1是否可能是蛋白质硫辛酰化的上游调节因子。通过癌症依赖图谱等数据库分析，作者们确认FDX1与蛋白质硫辛酰化相关，FDX1敲除会导致蛋白质硫辛酰化丢失。

图2 全基因组CRISPR-Cas9功能缺失筛选铜死亡相关基因

随后，作者们发现铜离子是通过直接结合硫辛酰化的三羧酸循环相关酶来促进细胞死亡的，并且铜离子的结合会导致硫辛酰化修饰的三羧酸循环相关酶寡聚化形成聚集体（Aggregates）（图3），这一过程在小鼠疾病模型中也具有类似的表型。

图3 铜离子直接结合促进脂酰化三羧酸循环相关酶寡聚化形成聚集体

总的来说，作者们的工作发现铜离子是一把双刃剑，它既是很多酶关键辅因子，同时铜离子过量则会导致细胞死亡。铜死亡的具体机制是通过结合硫辛酰化的三羧酸循环相关酶造成蛋白质毒性应激反应，从而诱导细胞死亡，这与以往发现的细胞死亡机制都不同（图4）。

图4 工作模型

由于该工作所揭示的新颖的细胞死亡机制，同期刊发了评论文章题为Copper-induced cell death，铜离子跟铁离子等一样参与细胞死亡，同时该工作中所使用的小鼠疾病模型说明通过药物抑制线粒体呼吸可能是一个对抗疾病的策略，另外有些癌症中表达大量硫辛酰化的线粒体蛋白以及具有高度呼吸作用，利用铜离子金属载体杀伤癌症细胞将有可能成为新的治疗癌症的方法。

http://doi.org/10.1126/science.abf0529

制版人：十一

参考文献

1. Kim BE, Nevitt T, Thiele DJ. Mechanisms for copper acquisition, distribution and regulation.Nat Chem Biol.2008;4(3):176-185. doi:10.1038/nchembio.72

2. Rae TD, Schmidt PJ, Pufahl RA, Culotta VC, O'Halloran TV. Undetectable intracellular free copper: the requirement of a copper chaperone for superoxide dismutase.Science.1999;284(5415):805-808. doi:10.1126/science.284.5415.805

3. Carneiro BA, El-Deiry WS. Targeting apoptosis in cancer therapy.Nat Rev Clin Oncol.2020;17(7):395-417. doi:10.1038/s41571-020-0341-y

4. Weinlich R, Oberst A, Beere HM, Green DR. Necroptosis in development, inflammation and disease.Nat Rev Mol Cell Biol.2017;18(2):127-136. doi:10.1038/nrm.2016.149

5. Bergsbaken T, Fink SL, Cookson BT. Pyroptosis: host cell death and inflammation.Nat Rev Microbiol.2009;7(2):99-109. doi:10.1038/nrmicro2070

6. Dixon SJ, Lemberg KM, Lamprecht MR, et al. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death.Cell. 2012;149(5):1060-1072. doi:10.1016/j.cell.2012.03.042

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