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技术资料/正文
Elabscience_铜死亡：最新发现的细胞死亡方式！
385 人阅读发布时间：2022-08-30 09:24
细胞死亡是一种正常的生命现象，其相关研究一直是生命科学领域的热点。依据发生机制的不同，细胞的死亡方式也存在差异，常见的有细胞凋亡、焦亡、坏死、铁死亡等。其中，铁死亡于2012年被命名的一种新型细胞死亡方式，近几年来成为研究焦点。
与铁相似，铜也是所有生物体内不可缺少的一种微量元素，通常在哺乳动物细胞内维持极低的水平。细胞内的铜离子浓度超过了维持稳态机制的阈值时，同样会表现出细胞毒性。
2022年3月，Science杂志在其Cell Death主题下发表了一篇题为Copper induced cell death by targeting lipoylated TCA cycle protein的科研论文，第一作者为Peter Tsvetkov，来自Broad Institute of Harvard and MIT的Todd R. Golub团队。文章中，研究人员将一种发生机制明显区别于已知的细胞凋亡、焦亡、坏死性凋亡及铁死亡的受控性细胞死亡方式，命名为“铜死亡”（Cuproptosis）。
研究人员通过对现象、机制和疾病模型的分析，发现铜死亡是通过铜与三羧酸循环（TCA）的脂酰化成分直接结合而发生的。这导致了脂酰化蛋白质聚集，和铁硫簇蛋白质丢失，进而引发蛋白质毒性应激，并最终致使细胞死亡。
图一：哈佛-MIT博德研究所关于铜死亡的最新研究成果[1]
研究人员首先利用不同结构的铜离子载体对489种不同的细胞系进行实验，证明了铜离子载体可以诱导细胞死亡，而这主要依赖于细胞内铜的积累。为了验证这种死亡方式是否受已知的细胞死亡方式的影响，研究人员通过对细胞凋亡关键因子BAX和BAK1的敲除，并使用已知的细胞死亡方式的抑制剂（细胞凋亡的caspase抑制剂，铁死亡的ferrostatin-1，应对坏死性凋亡的necrostatin-1，及应对氧化应激的N-胰腺半胱氨酸），对细胞进行处理，发现不能消除铜离子载体诱导的细胞死亡。这表明，铜离子载体诱导的细胞死亡，是一种与已知的细胞死亡方式截然不同的机制。
同时，研究人员观察到，更依赖线粒体呼吸的细胞，对铜离子诱导剂的敏感度，是依赖糖酵解细胞的1000倍左右。使用线粒体抗氧化剂、脂肪酸及线粒体功能抑制剂处理，都会明显改变细胞对铜离子的敏感性。
此外，电子传递链（ETC）复合物抑制剂，以及对线粒体丙酮酸摄取的抑制，都能减少铜诱导的细胞死亡，而这些抑制剂对铁死亡均无影响。同时，研究发现，铜离子载体处理的细胞中，三羧酸循环（TCA）相关代谢产物的含量发生了变化，这表明铜载体引起细胞死亡可能作用于三羧酸循环（TCA）阶段。
图二：线粒体呼吸调节铜离子载体诱导的细胞死亡[1]
为了进一步探究铜死亡的代谢途径，研究人员通过全基因组CRISPR-Cas9功能丧失筛选，发现了包括FDX1在内的7个与铜离子载体诱导的细胞死亡相关的基因。研究证实，FDX1和蛋白质脂酰化，是铜离子载体诱导细胞死亡的关键因子。过量的铜促进了脂酰化蛋白的聚集和功能缺失，引发铁硫簇蛋白的不稳定，导致蛋白质毒性应激，并最终致使细胞死亡。FDX1是蛋白质脂酰化的上游调节因子，FDX1的缺失导致了蛋白质脂酰化功能的完全丧失，及细胞内丙酮酸、α-酮戊二酸的积累与琥珀酸的消耗，表明蛋白质脂酰化功能的丧失阻断了三羧酸循环(TCA)的进行。
图三：诱导铜死亡的机制示意图[1]
总体来说，该研究团队发现了一种新型的细胞死亡方式，并将其命名为铜死亡（Cuproptosis），以区别于现有的细胞死亡方式。铜死亡的主要过程依赖于细胞内铜离子的积累，铜离子直接结合三羧酸循环(TCA)中的脂酰化成分，导致这些蛋白聚集、失调，阻断了三羧酸循环(TCA)，引发了蛋白质毒性应激，并诱导细胞死亡。研究团队进一步揭示了FDX1是铜死亡的关键调控因子，也是蛋白质脂酰化的上游调节因子。
FDX1和脂酰化蛋白的丰度，与多种人类肿瘤高度相关。具有高水平脂酰化蛋白的细胞系，被证实对铜死亡更加敏感。这一研究结果表明，铜离子载体可能是针对具有此类代谢特征的癌细胞的潜在治疗手段。
铜死亡与其他细胞死亡方式关键指标的对比
参考文献
与铁相似，铜也是所有生物体内不可缺少的一种微量元素，通常在哺乳动物细胞内维持极低的水平。细胞内的铜离子浓度超过了维持稳态机制的阈值时，同样会表现出细胞毒性。
2022年3月，Science杂志在其Cell Death主题下发表了一篇题为Copper induced cell death by targeting lipoylated TCA cycle protein的科研论文，第一作者为Peter Tsvetkov，来自Broad Institute of Harvard and MIT的Todd R. Golub团队。文章中，研究人员将一种发生机制明显区别于已知的细胞凋亡、焦亡、坏死性凋亡及铁死亡的受控性细胞死亡方式，命名为“铜死亡”（Cuproptosis）。
研究人员通过对现象、机制和疾病模型的分析，发现铜死亡是通过铜与三羧酸循环（TCA）的脂酰化成分直接结合而发生的。这导致了脂酰化蛋白质聚集，和铁硫簇蛋白质丢失，进而引发蛋白质毒性应激，并最终致使细胞死亡。
图一：哈佛-MIT博德研究所关于铜死亡的最新研究成果[1]
研究人员首先利用不同结构的铜离子载体对489种不同的细胞系进行实验，证明了铜离子载体可以诱导细胞死亡，而这主要依赖于细胞内铜的积累。为了验证这种死亡方式是否受已知的细胞死亡方式的影响，研究人员通过对细胞凋亡关键因子BAX和BAK1的敲除，并使用已知的细胞死亡方式的抑制剂（细胞凋亡的caspase抑制剂，铁死亡的ferrostatin-1，应对坏死性凋亡的necrostatin-1，及应对氧化应激的N-胰腺半胱氨酸），对细胞进行处理，发现不能消除铜离子载体诱导的细胞死亡。这表明，铜离子载体诱导的细胞死亡，是一种与已知的细胞死亡方式截然不同的机制。
同时，研究人员观察到，更依赖线粒体呼吸的细胞，对铜离子诱导剂的敏感度，是依赖糖酵解细胞的1000倍左右。使用线粒体抗氧化剂、脂肪酸及线粒体功能抑制剂处理，都会明显改变细胞对铜离子的敏感性。
此外，电子传递链（ETC）复合物抑制剂，以及对线粒体丙酮酸摄取的抑制，都能减少铜诱导的细胞死亡，而这些抑制剂对铁死亡均无影响。同时，研究发现，铜离子载体处理的细胞中，三羧酸循环（TCA）相关代谢产物的含量发生了变化，这表明铜载体引起细胞死亡可能作用于三羧酸循环（TCA）阶段。
图二：线粒体呼吸调节铜离子载体诱导的细胞死亡[1]
为了进一步探究铜死亡的代谢途径，研究人员通过全基因组CRISPR-Cas9功能丧失筛选，发现了包括FDX1在内的7个与铜离子载体诱导的细胞死亡相关的基因。研究证实，FDX1和蛋白质脂酰化，是铜离子载体诱导细胞死亡的关键因子。过量的铜促进了脂酰化蛋白的聚集和功能缺失，引发铁硫簇蛋白的不稳定，导致蛋白质毒性应激，并最终致使细胞死亡。FDX1是蛋白质脂酰化的上游调节因子，FDX1的缺失导致了蛋白质脂酰化功能的完全丧失，及细胞内丙酮酸、α-酮戊二酸的积累与琥珀酸的消耗，表明蛋白质脂酰化功能的丧失阻断了三羧酸循环(TCA)的进行。
图三：诱导铜死亡的机制示意图[1]
总体来说，该研究团队发现了一种新型的细胞死亡方式，并将其命名为铜死亡（Cuproptosis），以区别于现有的细胞死亡方式。铜死亡的主要过程依赖于细胞内铜离子的积累，铜离子直接结合三羧酸循环(TCA)中的脂酰化成分，导致这些蛋白聚集、失调，阻断了三羧酸循环(TCA)，引发了蛋白质毒性应激，并诱导细胞死亡。研究团队进一步揭示了FDX1是铜死亡的关键调控因子，也是蛋白质脂酰化的上游调节因子。
FDX1和脂酰化蛋白的丰度，与多种人类肿瘤高度相关。具有高水平脂酰化蛋白的细胞系，被证实对铜死亡更加敏感。这一研究结果表明，铜离子载体可能是针对具有此类代谢特征的癌细胞的潜在治疗手段。
铜死亡与其他细胞死亡方式关键指标的对比
参考文献