細胞銅死亡的簡要機制和誘導(dǎo)原因

細胞死亡的相關(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 (起始的刺激、中間過程的激活和末端的效應(yīng)器的不同) ，細胞的死亡可以區(qū)分為不同的方式，常見的有細胞凋亡、焦亡、壞死、鐵死亡等。 

 

圖 1. 不同死亡方式的比較

 

"鐵死亡"的相關(guān)研究更是近幾年熱點中的“熱點“，這也證明了金屬元素在細胞死亡中的獨特作用。迎來鐵死亡，又遇銅死亡。

 

今年 3 月題為 Copper induced cell death by targeting lipoylated TCA cycle protein 一文提出：生物體內(nèi)不可缺少的微量元素—銅在其濃度超過了維持穩(wěn)態(tài)機制的閾值時也會表現(xiàn)出細胞毒性。這種現(xiàn)象與鐵積累導(dǎo)致細胞死亡的情況有相似之處 (但機制明顯區(qū)別于鐵死亡)。研究人員將這種銅離子誘導(dǎo)細胞死亡的機制命名為 “銅死亡” (Cuproptosis)。

 

■ 銅死亡的簡要機制

銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡: 當 Cu²⁺ 在依賴線粒體呼吸的細胞中過度積累 (Cu²⁺ 通過銅離子載體運入細胞)，Cu²⁺ 與硫辛�；� DLAT 結(jié)合，誘導(dǎo) DLAT 的異聚化。不溶性 DLAT 的增加導(dǎo)致細胞毒性，誘導(dǎo)細胞死亡。

 

注：蛋白質(zhì)硫辛�；�修飾是一種保守的賴氨酸翻譯后修飾，只發(fā)生在涉及 TCA 循環(huán)的四種蛋白，其中就包括 DLAT。DLAT 是丙酮酸脫氫酶復(fù)合體 (PDH Complex) 組分之一，丙酮酸脫氫酶可催化 TCA 循環(huán)中的丙酮酸脫羧生成乙酰輔酶 A。

 

FDX1 (一種還原酶、Elesclomol 的直接靶標) 作為蛋白質(zhì)硫辛酰化修飾的上游調(diào)節(jié)因子，一方面，參與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì) (包括 DLAT) 的硫辛�；�。另一方面，F(xiàn)DX1 將 Cu²⁺ 還原成更具毒性的 Cu⁺，導(dǎo)致 Fe-S 簇蛋白合成的抑制，誘導(dǎo)細胞死亡。

 

銅穩(wěn)態(tài)失調(diào)導(dǎo)致的細胞死亡: 銅的穩(wěn)態(tài)主要依賴與三個銅轉(zhuǎn)運蛋白 SLC31A1、ATP7A/B、SLC31A1，SLC31A1 負責攝入銅，ATP7A 和 ATP7B 負責轉(zhuǎn)出銅。銅穩(wěn)態(tài)失調(diào)導(dǎo)致的細胞死亡與銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡的機制一致。

 

 

 

■ 銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡

在這篇文章中，研究人員測試了 1448 個銅離子載體 (一種高度親脂性的 Cu²⁺ 結(jié)合分子，可將銅離子送入細胞)，發(fā)現(xiàn)對 489 個細胞系的細胞殺傷作用 (圖 3A)。以 Elesclomol (一種高度親脂性的 Cu²⁺ 載體) 為例，單獨加入 Elesclomol 不影響細胞的生長，同時加入銅離子，細胞生長就會受到極大抑制，而其他金屬離子 (鐵、鈷、鋅和鎳等) 并不會影響細胞的生長 (圖 3B)。使用 NSC-319726，Disulfiram 等其它銅離子載體處理細胞也得到了相同的結(jié)果 (圖 3D-E)。

 

但使用 Tetrathiomolybdate (TTM；一種銅螯合劑) 聯(lián)合 Elesclomol 處理細胞，可以緩解 Elesclomol 對細胞的殺傷作用。這些結(jié)果表明銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡主要依賴于細胞內(nèi)銅的積累。 

 

圖 3. 銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡對銅具有高度選擇性^[2]

A：1448 個銅離子載體對 489 個細胞系的生長抑制；B：不同金屬離子的情況下，用 Elesclomol 處理 MON 細胞；C：其他銅離子載體條件的細胞活力測定 D：使用 TTM 預(yù)處理 ABC1 細胞，然后 Elesclomol 處理

 
■ 銅離子載體誘導(dǎo)細胞死亡是非凋亡性的

有研究表明 Elesclomol 誘導(dǎo)活性氧依賴性細胞凋亡，但實驗結(jié)果表明 Elesclomol 誘導(dǎo)的細胞死亡不涉及 Caspase 3 (細胞凋亡的標志) 的切割或激活 (圖 4D-E)。并且當細胞凋亡的關(guān)鍵效應(yīng)子 BAX 和 BAK1 被敲除時，以及用 Caspase 抑制劑 (Z-VAD-FMK 和 Boc-D-FMK) 處理細胞，Elesclomol 仍然維持對細胞的殺傷潛力，此外，其他已知細胞死亡機制的抑制劑處理細胞 (包括鐵死亡 (Ferrostatin-1)、壞死性凋亡 (Necrostatin-1) 和氧化應(yīng)激 (N-acetylcysteine) )，也都未能消除銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡。

這些結(jié)果表明銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡機制與細胞凋亡途徑不同。

 

 

圖 4. 銅離子載體誘導(dǎo)細胞死亡不通過凋亡^[2]

A：ICP-MS 檢測細胞內(nèi)的銅離子和鋅離子；B：ES-Cu 處理 細胞，檢測 Caspase 3/7 的激活；C：檢測 Caspase 3 的表達；F：用 Elesclomol-CuCl₂ 處理 KO 細胞，檢測細胞活力；

 
■ 線粒體呼吸調(diào)節(jié)銅離子誘導(dǎo)細胞死亡
研究人員觀察到主要依賴線粒體呼吸的細胞對銅離子的敏感性更高 (圖 5A)。用線粒體抗氧化劑、脂肪酸和線粒體功能抑制劑等線粒體呼吸途徑相關(guān)的抑制劑處理細胞，發(fā)現(xiàn)：電子傳遞鏈復(fù)合物的抑制劑和線粒體丙酮酸攝取抑制劑 (UK5099) 處理的條件下，銅離子誘導(dǎo)的細胞死亡受抑制，鐵死亡抑制劑的處理對其沒有影響 (GPX4 抑制劑 ML162) (圖 5B)。
 
此外，線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)劑 FCCP 處理對銅離子誘導(dǎo)的細胞死亡沒有影響。這些結(jié)果表明線粒體呼吸途徑是銅離子載體誘導(dǎo)細胞死亡的必要條件。
 
研究人員還對比了缺氧條件刺激以及 FG-4592 激活缺氧誘導(dǎo)因子 (HIF) 途徑，發(fā)現(xiàn)只有真實缺氧條件會降低細胞對銅離子載體的敏感性 (圖 5D)，進一步確認了線粒體呼吸在銅誘導(dǎo)細胞死亡中的關(guān)鍵作用。
 
隨后，研究人員分析銅離子處理對細胞耗氧率 (OCR) 的影響，結(jié)果顯示 Elesclomol 的處理會影響細胞的最大耗氧量 (圖 5E)。這表明銅離子可能不直接影響電子傳遞鏈，而是影響三羧酸循環(huán) (TCA)。

 

 
■ FDX1 和蛋白硫辛酰化是銅細胞誘導(dǎo)細胞死亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)者

為進一步闡明銅離子和 TCA 循環(huán)之間的聯(lián)系。研究人員使用 CRISPR-Cas9 技術(shù)，分別敲除不同的基因，再使用銅離子載體 (Elesclomol-copper) 處理細胞，以確定涉及參與銅離子載體誘導(dǎo)細胞死亡的基因。

 

結(jié)果發(fā)現(xiàn)有 7 個基因的敲除可以明顯緩解銅離子載體介導(dǎo)的細胞殺傷作用 (圖 6A-C)，包括 FDX1，LIPT1、LIAS、DLD (硫辛酸途徑的三個關(guān)鍵酶)，DLAT、PDHA1、PDHB (丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的三個組分)。另外，敲除 FDX1 和 LIAS 基因明顯減輕銅離子載體引起的細胞毒性(圖 6D-E)，研究人員猜測 FDX1 有可能是蛋白質(zhì)硫辛�；�修飾的上游調(diào)節(jié)因子。

 

 

為進一步驗證這個假設(shè)，研究人員通過資源庫 Cancer Dependency Map，發(fā)現(xiàn) FDX1 和硫辛酸途徑相關(guān)蛋白在銅離子載體誘導(dǎo)細胞死亡方面是高度相關(guān)的 (圖 7A)。隨后，研究人員選取腫瘤樣本，對 FDX1 和硫辛酰化蛋白進行免疫組化染色，發(fā)現(xiàn) FDX1 和硫辛�；�蛋白表達顯著相關(guān) (圖 7B-C)。敲除 FDX1 會導(dǎo)致 DLAT 蛋白和 DLST 蛋白的硫辛�；�缺失 (圖 7D)，還會導(dǎo)致細胞呼吸水平下降 (圖 7E)。

 

此外，研究人員通過代謝物分析發(fā)現(xiàn)敲除 FDX1 會導(dǎo)致丙酮酸和 α-酮戊二酸積累和琥珀酸的的消耗。還觀察到 LIAS 的關(guān)鍵底物 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM) 的積累。這些結(jié)果表明 FDX1 是蛋白質(zhì)硫辛�；�的上游調(diào)節(jié)劑 (圖 7F)。

 
■ 銅直接結(jié)合并誘導(dǎo)硫辛�；� DLAT 的寡聚化
有研究報道銅離子與游離脂酸的離解常數(shù)為 10^–17，這表明銅離子有可能直接與硫辛�；�蛋白結(jié)合。為了驗證這一猜想，研究人員純化了 DLAT 和 DLST 蛋白，發(fā)現(xiàn) DLAT 和 DLST 都可以與偶聯(lián)銅的樹脂結(jié)合 (圖 8A)。而敲除 FDX1 會導(dǎo)致 DLAT 蛋白的硫辛�；�修飾消失，且 DLAT 和 DLST 也不再與偶聯(lián)銅的樹脂結(jié)合 (圖 8B)。這表明蛋白質(zhì)的硫辛酰化修飾是結(jié)合銅的必要條件。此外，銅與硫辛酰化蛋白 DLAT 的結(jié)合，會導(dǎo)致蛋白的寡聚化。而 Elesclomol 處理會增加 DLAT 蛋白的寡聚化 (圖 8C-D)。
上述結(jié)果表明：在銅離子載體處理后硫辛酰化蛋白的毒性是由它們異常的寡聚作用介導(dǎo)的。此外質(zhì)譜分析還發(fā)現(xiàn)銅離子載體處理會導(dǎo)致 Fe-S 簇蛋白的水平降低 (圖 8E)，這整個過程都依賴于 FDX1 蛋白的存在。
 

 

■ 銅誘導(dǎo)細胞死亡機制與銅穩(wěn)態(tài)失調(diào)的遺傳模型相同
銅的穩(wěn)態(tài)主要依賴與三個銅轉(zhuǎn)運蛋白 (圖 9A)。為了進一步驗證與銅離子載體介導(dǎo)的死亡與自然狀態(tài)下的銅紊亂的機制是否相同，研究人員過表達 SLC31A1(圖 9B)。另外，過表達 SLC31A1 的細胞被銅離子載體處理后蛋白硫辛�；瘻p少，F(xiàn)e-S 簇蛋白水平降低，HSP70 水平升高 (圖 9C)。
 
在過表達 SLC31A1 的細胞中使用鐵死亡、壞死性凋亡和凋亡抑制劑不影響銅誘導(dǎo)的細胞死亡，銅螯合劑卻可緩解銅離子載體產(chǎn)生的細胞殺傷作用 (圖 9D)。老年 ATP7B 缺陷小鼠 (Atpb7b^−/−，銅失調(diào)綜合征 Wilson’s disease 模型) 與雜合子 (Atpb7b^+/−) 和野生型對照小鼠對比，發(fā)現(xiàn) ATP7B 缺陷小鼠的肝臟中蛋白的硫辛�；�水平和 Fe-S 簇蛋白的含量均有顯著降低，Hsp70 蛋白則有明顯增加 (圖 9F)。多種模型證明銅穩(wěn)態(tài)失調(diào)導(dǎo)致的細胞死亡和銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡是同一種機制。

 

 

 

總結(jié)：
 
這項研究通過利用多種死亡方式的誘導(dǎo)劑與抑制劑從多維度闡明了銅離子誘導(dǎo)的細胞死亡是一種新型細胞死亡即銅死亡。研究人員發(fā)現(xiàn)銅離子積累主要通過調(diào)控 FDX1 來介導(dǎo)銅死亡。
 
一方面，F(xiàn)DX1 將 Cu²⁺ 還原成更具毒性的 Cu⁺，可促使 TCA 循環(huán)中硫辛�；�蛋白異常寡聚化，另一方面，F(xiàn)DX1 導(dǎo)致 Fe-S 簇蛋白的不穩(wěn)定。
 

 

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參考文獻

1. Yongqiang Wang, Long Zhang, Fangfang Zhou. Cuproptosis: a new form of programmed cell death. Cell Mol Immunol. 2022 Apr 22.

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

3. Li SR, Bu LL, Cai L. Cuproptosis: lipoylated TCA cycle proteins-mediated novel cell death pathway. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):158.

4. Tang D, Chen X, Kroemer G. Cuproptosis: a copper-triggered modality of mitochondrial cell death. Cell Res. 2022;32(5):417-418.