細胞死亡是一種正常的生命現(xiàn)象，其相關(guān)研究一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點。依據(jù)發(fā)生機制的不同，細胞的死亡方式也存在差異，常見的有細胞凋亡、焦亡、壞死、鐵死亡等。其中，鐵死亡于2012年被命名的一種新型細胞死亡方式，近幾年來成為研究焦點。

與鐵相似，銅也是所有生物體內(nèi)*的一種微量元素，通常在哺乳動物細胞內(nèi)維持極低的水平。細胞內(nèi)的銅離子濃度超過了維持穩(wěn)態(tài)機制的閾值時，同樣會表現(xiàn)出細胞毒性。

2022年3月，Science雜志在其Cell Death主題下發(fā)表了一篇題為Copper induced cell death by targeting lipoylated TCA cycle protein的科研論文，作者為Peter Tsvetkov，來自Broad Institute of Harvard and MIT的Todd R. Golub團隊。文章中，研究人員將一種發(fā)生機制明顯區(qū)別于已知的細胞凋亡、焦亡、壞死性凋亡及鐵死亡的受控性細胞死亡方式，命名為“銅死亡”（Cuproptosis）。
研究人員通過對現(xiàn)象、機制和疾病模型的分析，發(fā)現(xiàn)銅死亡是通過銅與三羧酸循環(huán)（TCA）的脂酰化成分直接結(jié)合而發(fā)生的。這導(dǎo)致了脂酰化蛋白質(zhì)聚集，和鐵硫簇蛋白質(zhì)丟失，進而引發(fā)蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激，并最終致使細胞死亡。

圖一：哈佛-MIT博德研究所關(guān)于銅死亡的研究成果^[1]

研究人員首先利用不同結(jié)構(gòu)的銅離子載體對489種不同的細胞系進行實驗，證明了銅離子載體可以誘導(dǎo)細胞死亡，而這主要依賴于細胞內(nèi)銅的積累。為了驗證這種死亡方式是否受已知的細胞死亡方式的影響，研究人員通過對細胞凋亡關(guān)鍵因子BAX和BAK1的敲除，并使用已知的細胞死亡方式的抑制劑（細胞凋亡的caspase抑制劑，鐵死亡的ferrostatin-1，應(yīng)對壞死性凋亡的necrostatin-1，及應(yīng)對氧化應(yīng)激的N-胰腺半胱氨酸），對細胞進行處理，發(fā)現(xiàn)不能消除銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡。這表明，銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡，是一種與已知的細胞死亡方式截然不同的機制。
同時，研究人員觀察到，更依賴線粒體呼吸的細胞，對銅離子誘導(dǎo)劑的敏感度，是依賴糖酵解細胞的1000倍左右。使用線粒體抗氧化劑、脂肪酸及線粒體功能抑制劑處理，都會明顯改變細胞對銅離子的敏感性。
此外，電子傳遞鏈（ETC）復(fù)合物抑制劑，以及對線粒體丙酮酸攝取的抑制，都能減少銅誘導(dǎo)的細胞死亡，而這些抑制劑對鐵死亡均無影響。同時，研究發(fā)現(xiàn)，銅離子載體處理的細胞中，三羧酸循環(huán)（TCA）相關(guān)代謝產(chǎn)物的含量發(fā)生了變化，這表明銅載體引起細胞死亡可能作用于三羧酸循環(huán)（TCA）階段。

圖二：線粒體呼吸調(diào)節(jié)銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡^[1]

為了進一步探究銅死亡的代謝途徑，研究人員通過全基因組CRISPR-Cas9功能喪失篩選，發(fā)現(xiàn)了包括FDX1在內(nèi)的7個與銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡相關(guān)的基因。研究證實，FDX1和蛋白質(zhì)脂酰化，是銅離子載體誘導(dǎo)細胞死亡的關(guān)鍵因子。過量的銅促進了脂酰化蛋白的聚集和功能缺失，引發(fā)鐵硫簇蛋白的不穩(wěn)定，導(dǎo)致蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激，并最終致使細胞死亡。FDX1是蛋白質(zhì)脂酰化的上游調(diào)節(jié)因子，F(xiàn)DX1的缺失導(dǎo)致了蛋白質(zhì)脂酰化功能的*喪失，及細胞內(nèi)丙酮酸、α-酮戊二酸的積累與琥珀酸的消耗，表明蛋白質(zhì)脂酰化功能的喪失阻斷了三羧酸循環(huán)(TCA)的進行。

圖三：誘導(dǎo)銅死亡的機制示意圖^[1]

總體來說，該研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種新型的細胞死亡方式，并將其命名為銅死亡（Cuproptosis），以區(qū)別于現(xiàn)有的細胞死亡方式。銅死亡的主要過程依賴于細胞內(nèi)銅離子的積累，銅離子直接結(jié)合三羧酸循環(huán)(TCA)中的脂酰化成分，導(dǎo)致這些蛋白聚集、失調(diào)，阻斷了三羧酸循環(huán)(TCA)，引發(fā)了蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激，并誘導(dǎo)細胞死亡。研究團隊進一步揭示了FDX1是銅死亡的關(guān)鍵調(diào)控因子，也是蛋白質(zhì)脂酰化的上游調(diào)節(jié)因子。
FDX1和脂酰化蛋白的豐度，與多種人類腫瘤高度相關(guān)。具有高水平脂酰化蛋白的細胞系，被證實對銅死亡更加敏感。這一研究結(jié)果表明，銅離子載體可能是針對具有此類代謝特征的癌細胞的潛在治療手段。

                                   

                                   銅死亡與其他細胞死亡方式關(guān)鍵指標(biāo)的對比

參考文獻

1.Tsvetkov P, Coy S, Petrova B, et al. Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins. Science. 2022;375(6586):1254-1261. doi:10.1126/science.abf0529.