元素周期表的新启示之铜死亡

1.前言

截止日前，国自然的申请工作即将步入尾声，大家将能写的都写好了，关于中不中的下面就看天意了。我们知道其实有关细胞死亡相关的标书在国科金中一直都占据着很高的比例，细胞死亡相关的研究一直都是国自然的热点研究领域之一。这些细胞死亡的方式有多种形式，其中包括细胞凋亡（Apoptosis）、细胞自噬（Autophagy）、细胞焦亡（Pyroptosis），以及铁死亡（Ferroptosis)等等。

在读本篇推文之前，大多数小伙伴肯定或多或少的都听说过铁死亡，就是那个在前几年换个肿瘤模型都能发SCI的数据挖掘热点。其背后的生物学基础是因为铁可以催化有毒膜脂质过氧化物的形成，这是铁死亡的主要特征，这是一种独特的非凋亡性细胞死亡形式。但是很少有人知道的是，其实金属诱导的死亡有很多，除了铁死亡还有锌死亡（过量的锌可以通过抑制三磷酸腺苷(ATP)合成来引发非凋亡性细胞死亡），镁死亡。呐，最近又出现一个铜死亡。于是小编默默的拿出了元素周期表进行了端详了起来。。。

下一个是钠死亡？钾死亡？

近日，博德研究所的科学家揭示铜毒性涉及特定线粒体代谢酶的破坏，从而引发一种不寻常的细胞死亡机制。这种机制可以解释与遗传性铜过载疾病相关的病理学，并提出利用铜毒性治疗癌症的新方法。这项研究成果发表在Science上，篇名为“Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins”，那么下面Immugent来和大家一起学习一下这项最近火爆的热点研究吧！

2.铜离子载体诱导新型细胞死亡，其启动与细胞呼吸相关

这个科研团队其实一直都在做铜离子相关的研究工作，铜基毒性的探索的相关工作最早开始于2019年，研究人员通过系统地测试了铜载体的毒性，得出了其产生的毒性源于铜本身的假设。他们发现，许多不同的铜结合分子，或铜离子载体，都可以以类似的方式诱导细胞死亡，而这一过程完全取决于铜的可用性。此外，研究人员还发现，这种细胞死亡的形式(他们称之为表皮坏死)与其他已被充分研究的形式不同。当研究人员阻断了已知的细胞死亡途径，如细胞凋亡和铁中毒时，用铜离子载体处理的细胞仍然死亡。

在这项研究中，研究人员首先在489个细胞系中检测了1448个载铜药物对细胞的杀伤效果，结果发现这些载铜药物均能杀伤细胞。而改变这些药物的铜结合能力会使其丧失对细胞的杀伤效果。研究发现单独加入铜结合分子Elesclomol（伊利司莫）并不影响细胞的生长，而一旦加入铜离子，就会抑制细胞生长。随后，作者通过相关实验观察到更依赖线粒体呼吸的细胞对铜离子的敏感性比进行糖酵解的细胞高近1000倍。采用药物干预线粒体功能后，细胞对铜离子的敏感性发生显著变化。

通过乏氧条件培养细胞，作者进一步证实了铜诱导的细胞死亡需要线粒体呼吸参与，而糖酵解产生的ATP对铜诱导的细胞死亡影响较小。紧接着，作者还发现铜并不直接参与电子传输链（ETC），而只是在三羧酸（TCA）循环中发挥作用。随后通过对细胞进行代谢组学测序发现，对铜敏感细胞中与TCA相关的代谢物明显更多。这些结果表明铜诱导的细胞死亡与线粒体代谢之间紧密联系，铜与TCA循环之间息息相关。

3. 铜死亡的关键调控基因FDX1，是蛋白质脂化的上游调节因子

为了确定介导铜毒性的特定代谢途径，研究者通过多重CRISPR基因敲除筛选，确定了促进铜诱导死亡的关键基因-FDX1（该基因编码一种Elesclomol可直接靶向的蛋白，该蛋白可将二价铜离子转化更毒的一价铜离子）。研究还发现敲除FDX1会减弱铜离子载体诱导的细胞死亡。此外，当细胞在糖酵解条件下生长时，大多数铜离子载体（如elesclomol、disulfiram和NSC319726）失去了杀伤活性。这一结果进一步表明铜与线粒体代谢密切相关。

研究者进一步研究发现，敲除FDX1或硫锌酰化相关酶可以使细胞免于铜毒性，因此推测FDX1可能是蛋白质硫锌酰化的上游调节因子。首先通过对公共数据库的数据进行挖掘，作者发现FDX1和硫辛酸代谢与细胞存活高度相关。其次对208例人类肿瘤标本进行了FDX1和硫辛酸的免疫组化检测，结果发现FDX1和硫锌酰化蛋白的表达高度相关。最后通过Western-blot和免疫组化在蛋白水平对该基因进行检测，发现FDX1基因敲除导致蛋白质硫锌酰化完全丧失，同时也导致细胞呼吸显著下降。这些结果均表明FDX1是蛋白质硫锌酰化的上游调节因子。研究还发现铜干扰铁硫簇，而铁硫簇是几种关键代谢酶的一部分。当这种酶降低时，细胞更容易死亡。

4.系统揭示化学和基因诱导的铜依赖细胞死亡的共同机制

虽然这是铜死亡真正意义上发表的第一篇系统性研究论文，但事实上这种新的细胞死亡机制的一部分已被发生在细菌和酵母中，因此研究人员认为该研究可以揭示各种生物过程，包括产生具有抗菌特性铜离子载体的微生物，以及患有铜失调遗传病的人，例如威尔逊氏病患者。

最后，研究人员发现通过铜载体穿提到线粒体内的铜离子直接与这些脂酰化修饰的蛋白质结合，导致它们形成长链和团块化，从而导致细胞死亡，这些铜离子还会干扰铁硫簇，从而导致铁硫蛋白下调，导致细胞毒性应激并死亡。这些在铜毒性小鼠模型中的研究结果表明，铜超载导致的细胞效应与铜离子载体诱导的细胞效应相同。综上所述，这个的数据支持了一个模型，即过量铜促进脂化蛋白的聚集和Fe-S簇蛋白的不稳定，从而导致蛋白毒性应激并最终导致细胞死亡。

尽管Elesclomol在其作为癌症治疗剂的临床试验中失败了，但后来的分析表明，该铜离子载体已经帮助了肿瘤依赖线粒体产生能量的患者。既然该团队已经发现了铜诱导的细胞死亡的标志物，他们认为伊利司莫有可能用于治疗一系列特别容易受到该过程影响的癌症，例如那些高表达FDX1基因的癌症细胞。

5.展望

好啦，文章读完了，热闹也看完了，该说正事了！

像铁死亡前几年刚被提出来时一样，铜死亡必定会成为下一个研究热点。如不出意外，很多会数据挖掘的小伙伴就已经行动起来了，因为这篇Science不仅给出了铜死亡的一个关键基因--FDX1，还给出了一系列铜死亡相关的基因，我们可以将这些基因制作成铜死亡相关Signature，换个癌症撸一遍就是一篇不错的SCI!

当然，上面只是对那些只想水文章的小伙伴说的，对于想做大研究的小伙伴，这项研究依然可以提供很多研究思路。比如，可以实验一些你所在领域的细胞系，然后用不同的金属离子处理，观察处理前后细胞出现了哪些功能变化。当然，还可以使用不同的金属离子组合来进行研究，或许就会发现下一个新型的细胞死亡诱导机制，赶快行动起来吧！