活久見！銅死亡，登上Science

眾所周zhi，多細(xì)胞生物在發(fā)育過程中，存在著多種預(yù)定的、受到精確控制的細(xì)胞程序性死亡，例如細(xì)胞凋亡（Apoptosis）、程序性壞死（Necroptosis）、細(xì)胞焦亡（Pyroptosis），以及鐵死亡（Ferroptosis）等。

就在近日，2022年3月17日，哈佛-MIT博德研究所的研究人員在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins 的研究論文。

Todd Golub 團(tuán)隊從2019年開始一直致力于研究銅死亡的相關(guān)機(jī)制，他們發(fā)現(xiàn)了兩種可以將銅離子運(yùn)載穿過細(xì)胞膜的小分子，這種銅載體可以殺死特定的耐藥癌細(xì)胞。其中一種分子Elesclomol還作為潛在抗癌藥物進(jìn)入了臨床試驗，但最終并未在在癌癥患者身上顯示出療效，當(dāng)時也還不清楚這種分子究竟是如何發(fā)揮作用的。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，與銅離子結(jié)合的分子會殺死細(xì)胞，而且這種細(xì)胞死亡方式不同于已知的細(xì)胞死亡方式，因此他們決定進(jìn)一步探索銅是如何殺死癌細(xì)胞的。研究團(tuán)隊首先開始驗證銅載體的細(xì)胞毒性源于銅本身的假設(shè)，他們發(fā)現(xiàn)，許多不同的與銅例子結(jié)合分子或離子載體以類似的方式誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，并且這一過程*取決于銅的可用性。當(dāng)研究團(tuán)隊阻斷已知的細(xì)胞死亡方式（例如細(xì)胞凋亡、鐵死亡等等）時，用銅載體處理的細(xì)胞仍然會死亡。研究團(tuán)隊認(rèn)為這是一種新的細(xì)胞死亡方式，并將其命名為——Cuprotosis（銅死亡）。

下面我們來具體看看這項研究究竟做了些什么？

研究人員首先在489個細(xì)胞系中測試了1448個載銅藥物對細(xì)胞的殺傷效果，結(jié)果表明載銅藥物elesclomol對幾乎所有的細(xì)胞系均有殺傷作用。但是，改變這些化合物的銅結(jié)合能力會導(dǎo)致細(xì)胞殺傷能力的喪失。于是，研究人員以銅結(jié)合分子Elesclomol為研究對象，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)加入Elesclomol不影響細(xì)胞的生長，而一旦加入銅離子，細(xì)胞生長受到極大抑制。相反，加入其他金屬，例如鐵、鈷、鋅、鎳等，未能增強(qiáng)細(xì)胞死亡，這些結(jié)果表明銅離子載體誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡主要依賴于細(xì)胞內(nèi)銅的積累。為進(jìn)一步驗證銅對細(xì)胞的影響，研究人員使用丁硫胺酸亞砜胺（BSO，消耗細(xì)胞內(nèi)銅螯合劑谷胱甘肽）聯(lián)合Elesclomol處理細(xì)胞，結(jié)果同樣誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。而采用四硫代鉬酸鹽（TTM，一種銅螯合劑）聯(lián)合Elesclomol處理細(xì)胞，則細(xì)胞生長不受影響。這些結(jié)果表明，銅離子載體誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡主要依賴于細(xì)胞內(nèi)銅的積累。更重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)銅離子載體誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡是一種新的細(xì)胞死亡途徑，明顯區(qū)別于傳統(tǒng)死亡方式（凋亡，鐵死亡，壞死）。

研究人員觀察到更依賴線粒體呼吸的細(xì)胞對銅離子的敏感性比進(jìn)行糖酵解的細(xì)胞高近1000倍。如果采用藥物干預(yù)線粒體功能后，細(xì)胞對銅離子的敏感性發(fā)生顯著變化。通過乏氧條件培養(yǎng)細(xì)胞，研究人員進(jìn)一步證實了銅誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡需要線粒體呼吸參與，而糖酵解產(chǎn)生的ATP方式，對銅誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡影響較?。匪剐【帲哼@提示腫瘤細(xì)胞似乎更耐受銅死亡？）。

進(jìn)一步研究人員發(fā)現(xiàn)銅并不直接參與電子傳輸鏈（ETC），而只是在三羧酸（TCA）循環(huán)中發(fā)揮作用。經(jīng)代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，對銅敏感細(xì)胞中與TCA相關(guān)的代謝物明顯更多。這些結(jié)果表明銅誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡與線粒體代謝之間緊密聯(lián)系，銅與TCA循環(huán)之間息息相關(guān)。

為了確定介導(dǎo)銅毒性的特定代謝途徑，研究人員通過多重CRISPR基因敲除篩選，確定了促進(jìn)銅誘導(dǎo)死亡的關(guān)鍵基因--鐵氧還原蛋白1（FDX1），發(fā)現(xiàn)該基因編碼一種Elesclomol可直接靶向的蛋白，該蛋白可將二價銅離子轉(zhuǎn)化更毒的一價銅離子。FDX1基因此前還發(fā)現(xiàn)在肺癌，PCOS等中起重要作用。

發(fā)現(xiàn)敲除FDX1會減弱銅離子載體誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。此外，當(dāng)細(xì)胞在糖酵解條件下生長時，大多數(shù)銅離子載體（如elesclomol、disulfiram和NSC319726）失去了殺傷活性。這些結(jié)果進(jìn)一步說明銅與線粒體代謝聯(lián)系十分緊密，而且與FDX1有關(guān)。

研究人員發(fā)現(xiàn)敲除FDX1或脂酰化相關(guān)酶可以使細(xì)胞免于銅毒性。因此，作者猜測FDX1可能是蛋白質(zhì)脂酰化的上游調(diào)節(jié)因子。為了驗證這一猜測，作者首先通過檢索公共數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)FDX1和硫辛酸代謝與細(xì)胞存活高度相關(guān)。其次，作者對208例人類腫瘤標(biāo)本進(jìn)行了FDX1和硫辛酸的免疫組織化學(xué)染色，進(jìn)行了半定量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FDX1和脂?；鞍椎谋磉_(dá)高度相關(guān)。

最后，作者通過免疫印跡和免疫組織化學(xué)檢測，發(fā)現(xiàn)FDX1基因敲除導(dǎo)致蛋白質(zhì)脂?；?喪失，同時也導(dǎo)致細(xì)胞呼吸顯著下降。這些結(jié)果均表明FDX1是蛋白質(zhì)脂?；纳嫌握{(diào)節(jié)因子。此外，作者還發(fā)現(xiàn)銅干擾鐵硫簇，而鐵硫簇是幾種關(guān)鍵代謝酶的一部分。當(dāng)這種酶降低時，細(xì)胞更容易死亡。

總的來說，該研究提出了銅依賴性的新型細(xì)胞死亡方式——Cuprotosis（銅死亡），并進(jìn)一步揭示了銅死亡的具體機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)將有助于研究銅失調(diào)疾病（例如威爾遜?。?/span>。