铜和其他微量金属对生命至关重要。然而，重要的是这些金属在细胞中以适量的形式存在。太少的金属会损害重要的金属结合酶的功能，而太多的金属会淹没细胞，导致死亡。在人类中，导致过量铜积累的突变会危及生命，但可能存在一个窗口，使得细胞内铜的更集中增加可用于选择性杀死癌细胞。因此，更好地了解铜积累如何导致细胞毒性具有重要意义。
近日，博德研究所Todd R. Golub等人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。成果发表在Science上。
应激源——包括 DNA 损伤、蛋白质错误折叠或细胞骨架的破坏——都可能由于细胞凋亡途径的激活而导致细胞死亡。在过去的十年中，在了解必需的微量金属如何对哺乳动物细胞产生毒性作用方面取得了进展。一个新兴的主题是这些不同的金属可以以不需要细胞凋亡途径的方式杀死细胞。例如，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。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。至于铜，来自酵母和哺乳动物细胞的证据将铜毒性与线粒体功能的改变联系起来。铜到底是如何破坏线粒体功能的，以及这是如何导致死亡的，目前尚不清楚。
该研究在解决铜积累如何破坏线粒体功能方面取得了进展。他们证明，过量的铜可以选择性地干扰一组代谢酶，这些代谢酶具有独特的翻译后修饰，即脂酰化。脂酰化包括将小的含硫代谢物硫辛酸附着到底物蛋白质上。这种灵活且具有化学反应性的附属物通过在酶复合物中的不同亚基之间摆动、提供或接受电子来实现催化。
只有四种已知的脂酰化酶，它们都存在于线粒体中，包括二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶 (DLAT)，它是丙酮酸脱氢酶复合物的一个亚基。该课题组发现铜毒性可以通过基因破坏合成硫辛酸所需的酶或单个脂酰化酶本身来抑制。他们还揭示了线粒体酶铁氧还蛋白1在硫辛酸合成中的先前未知功能，证实了这种酶的破坏会抑制铜依赖性毒性。发现硫辛酸本身与铜结合，并提出这会导致脂酰化的线粒体酶以有毒的方式在该细胞器内聚集。
图|铜引发有毒的线粒体蛋白聚集
从机制上讲，与铜结合的脂酰化线粒体酶的聚集如何导致非凋亡形式的细胞死亡仍有待充分阐明。该课题组表明这种致命机制不涉及对呼吸的严重破坏，这是一个必不可少的能量产生过程，并且铜诱导的死亡不能被脂质过氧化或活性氧积累的化学抑制剂阻止。这将铜诱导的细胞死亡与锌诱导的细胞死亡以及铁死亡区分开来。
图|铜离子载体诱导的细胞死亡是非凋亡、非铁死亡和非坏死性凋亡
那么细胞是如何死亡的呢？
1）一种可能性是，通过同时抑制多种脂酰化酶，铜会突然同时改变许多代谢物的浓度，从而引发急性致死性休克。
2）或者，聚集的铜结合酶可以获得新的催化活性，从而导致产生细胞无法处理的有毒代谢物。除此之外，蛋白质聚集体还可以通过破坏其他线粒体酶的功能来杀死细胞，例如参与铁硫簇合成的线粒体酶，铁硫簇是其他酶必不可少的辅助因子。
图 | 线粒体呼吸调节铜离子载体诱导的细胞死亡
尽管如此，为什么由过量铜或其他金属引发的细胞死亡不会引导细胞走向凋亡等既定的细胞死亡机制尚不清楚。铜毒性的一个诱人的可能性是，除了促进线粒体蛋白质聚集，这种金属还积极抑制执行凋亡所需的酶。通过这种方式，过量的铜可以通过另一种机制清除细胞死亡的途径。
该课题组表明铜毒性与线粒体活性之间存在密切联系。尽管铜本身不会对线粒体呼吸产生很大影响，但这种金属的毒性在活跃呼吸的细胞中增强了许多倍。呼吸如何促进细胞死亡尚不清楚。处于更多呼吸状态的细胞可能会表达更多的脂酰化酶，从而产生更多的聚集体。另一种可能性是，在主动呼吸过程中，通过 DLAT 等脂酰化酶的更高代谢通量可能会增加它们的铜结合亲和力，从而导致更大的聚集。无论如何，活跃的线粒体呼吸和铜诱导的细胞死亡之间的联系让人联想到铜与铁和锌一样，参与了最好被描述为“细胞破坏”的细胞死亡形式，其中一种基本代谢途径的活动可以当该通路的平稳运行被破坏时，将细胞推向死亡。这些发现还表明，线粒体呼吸的药理学抑制可能是一种策略，尽管这种策略充满了潜在的不良副作用，以对抗威尔逊氏病，这是一种由铜输出蛋白 ATP7B 突变引起的遗传性铜过载疾病，如果不治疗就会致命。
图|FDX1 和硫辛酸基因是铜离子载体诱导的细胞死亡的关键介质
图|化学和遗传诱导的铜依赖性细胞死亡的共同机制
这些新结果也可能会激发探索使用铜治疗癌症的研究。在他们的研究中，研究人员使用Elesclomol，一种合成分子，可以结合环境中存在的铜并将其带入细胞以诱导细胞死亡。Elesclomol 已在用于治疗上皮癌的人体临床试验中进行了测试，尽管成功率有限。该课题组报道的新机制知识表明，elesclomol 可能在表达大量脂酰化线粒体蛋白和高度呼吸的癌症中效果最好。这种方法可能对天然抵抗细胞凋亡的癌症特别有用，通过利用这种金属的独特作用，可以找到一种杀死癌细胞的新方法。
参考文献：
1. Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins. Science 2022.DOI: 10.1126/science.abf0529
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf0529
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