铜是所有生物体必不可少的辅助因子，通过跨浓度梯度起作用的主动稳态机制将细胞内铜浓度保持在非常低的水平，以防止对细胞有害的游离铜的积累。尽管其他必需金属（如铁）的毒性机制已经确立，但铜诱导的细胞毒性机制仍不清楚。

铜离子载体诱导一种独特形式的调控细胞死亡；使用其他已知细胞死亡机制的抑制剂治疗—包括铁死亡、坏死性凋亡和氧化应激—都未能消除铜离子载体诱导的细胞死亡（图 1），表明这是一种与已知细胞死亡途径不同的机制。

图1. 铜离子诱导细胞死亡，且与已知的细胞死亡途径不同

线粒体呼吸调节铜离子载体诱导的细胞死亡；更依赖线粒体呼吸的细胞对铜离子载体的敏感性是糖酵解细胞的近1000倍，用线粒体抗氧化剂、脂肪酸和线粒体功能抑制剂处理对铜离子载体的敏感性具有非常明显的影响。线粒体解偶联剂 FCCP 对铜毒性没有影响，这表明铜诱导的细胞死亡需要线粒体呼吸，而不是三磷酸腺苷 (ATP) 的产生。

FDX1和蛋白质脂酰化是铜离子载体诱导细胞死亡的关键调节因子；为了确定介导铜毒性的特定代谢途径，研究人员进行了全基因组 CRISPR-Cas9 功能丧失筛选，以确定参与铜离子载体诱导死亡的基因。发现敲除FDX1基因（该基因编码的蛋白可以将二价铜离子转化为毒性更强的一价铜离子）以及六个脂酰化蛋白质基因（LIPT1、DLD、LIAS、DLAT、PDHA1、PDHB）可以挽救铜离子对细胞的杀伤作用。

FDX1 是蛋白质脂酰化的上游调节因子；蛋白质脂酰化是一种高度保守的赖氨酸翻译后修饰，已知仅在四种酶上发生，所有这些酶都涉及调节碳进入TCA循环的代谢复合物。

铜直接结合并诱导脂酰化DLAT的寡聚化；从细胞裂解物中纯化了DLAT和 DLST，发现这些蛋白质与带铜的树脂结合，但不与钴或镍树脂结合。当FDX1缺失消除蛋白质脂酰化时，DLAT和DLST不再与铜结合，表明脂酰部分是铜结合所必需的。

铜诱导的死亡机制与铜稳态失调的遗传模型相同；研究人员构建了威尔逊氏病的小鼠模型，其中Atp7b缺失导致细胞内铜积累随着动物年龄的增加而导致细胞死亡。将老年Atp7b缺陷(Atp7b-/-)小鼠的肝脏与Atp7b杂合子(Atp7b-/+)和野生型对照小鼠的肝脏进行比较，观察到脂酰化和 Fe-S 簇蛋白的丢失，以及Hsp70丰度增加。这些在铜毒性小鼠模型中的发现表明，铜过载导致的细胞效应与铜离子载体诱导的细胞效应相同。

图2.化学和遗传诱导的铜依赖性细胞死亡的共同机制。

结论

总之，该研究表明过量的铜促进脂酰化蛋白质的聚集和 Fe-S 簇蛋白的不稳定，导致蛋白质毒性应激并最终导致细胞死亡--铜死亡（图3）。

图3. 铜死亡信号通路

参考文献：Tsvetkov P, Coy S, Petrova B, et al. Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins [published correction appears in Science. 2022 Apr 22;376(6591):eabq4855]. Science. 2022;375(6586):1254-1261.

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撰文：刘振兴

编辑：刘振兴

审核：张贤钦