三羧酸循环是生物体内能量代谢的关键过程，铜死亡是一种新的细胞死亡方式，二者之间有何联系？

 

铜死亡背景

2022年3月在Science期刊发表的Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins揭示了铜离子过载会导致细胞死亡，细胞铜稳态失衡，铜离子直接结合三羧酸循环酯酰化蛋白，FDX1/LIAS介导的LA pathway（硫辛酸途径）诱导硫辛酸化修饰的DLAT（丙酮酸脱氢酶复合物关键组分）发生寡聚化，从而使三羧酸循环代谢失常，引发细胞蛋白质毒性应激，导致细胞死亡。该研究表明，铜死亡与三羧酸循环代谢途径是有直接联系的。

                                                       图1. 铜离子过载引起DLAT寡聚化导致细胞死亡  

 

三羧酸循环关键酶的背景介绍  

三羧酸循环是生物体能量代谢的重要核心部分，通过三羧酸循环中蛋白酶体将葡萄糖、脂肪酸、氨基酸转化为NADH、FADH，通过ETC（电子传递链）生成ATP。其中酶催化反应中存在多种硫辛酰化酶蛋白，Tsvetkov等研究中表明带硫辛酸基团的蛋白容易与亚铜离子发生结合，而哺乳动物中硫辛酰化修饰蛋白主要有四种，DBT（支链α-酮酸脱氢酶复合体组分）、GCSH（甘氨酸裂解系统蛋白H）、DLST（α-酮戊二酸脱氢酶复合体组分）、DLAT（丙酮酸脱氢酶复合体组分），其中DLAT是三羧酸循环代谢过程中丙酮酸脱氢酶复合体重要组成部分，丙酮酸脱氢酶将丙酮酸转化生成乙酰辅酶a，乙酰辅酶a则会参与三羧酸循环。 

 

三羧酸循环紊乱导致细胞铜死亡

                                            图2. 铜过载引起硫辛酰化蛋白寡聚，从而影响细胞三羧酸循环

 

TCA蛋白的脂酰化与铜死亡

蛋白翻译后修饰是蛋白功能调节的方式之一，研究发现硫辛酰化蛋白与铜离子相互作用是铜死亡过程中的核心事件。铜死亡中FDX-1蛋白扮演重要角色，它负责铜离子的还原和多种蛋白的脂酰化修饰，脂酰化（Lipoylation）是存在于线粒体中特有的翻译后修饰，该过程依赖于线粒体中的硫辛酸（Lipoic acid，LA），脂酰化过程中硫辛酸与蛋白质的赖氨酸残基以共价键的方式结合。三羧酸循环中存在多种硫辛脂酰化的修饰蛋白, 如丙酮酸脱氢酶（Pyruvate dehydrogenase，PDH）和α-酮戊二酸脱氢酶（α-ketoglutarate dehydrogenase，α-KDH）。这些蛋白酶复合体的酶活性依赖于酶组分中的蛋白翻译后修饰。研究表明，FDX1基因缺失的细胞模型中丙酮酸与α酮戊二酸出现代谢积累，抑制PDH和α-KDH的脂酰化过程，导致丙酮酸或酮戊二酸转化减少，引起葡萄糖代谢发生障碍 。因此当铜离子过载时，铜离子与TCA循环中的硫辛脂酰化蛋白结合从而导致细胞死亡。  

                                                                           图3. 几种重要的硫辛脂酰化蛋白

综上，三羧酸循环是调控铜死亡的重要通路，主要原因为铜离子通过结合硫辛脂酰化的三羧酸循环酶蛋白组分，从而出现寡聚化，影响三羧酸循环代谢通路，导致细胞代谢失衡，出现蛋白质应激毒性，最终导致细胞死亡。

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参考文献：

[1] Tsvetkov, Peter, et al. "Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins." Science 375.6586 (2022): 1254-1261.

[2] Duan, Wen-Jun, and Rong-Rong He. "Cuproptosis: copper-induced regulated cell death." Science China Life Sciences 65.8 (2022): 1680-1682.

[3] Tang, Daolin, Chen, and Guido Kroemer. "Cuproptosis: a copper-triggered modality of mitochondrial cell death." Cell research 32.5 (2022): 417-418.