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元素周期表的新啟示之銅死亡
1.前言
截止日前，國自然的申請工作即將步入尾聲，大家將能寫的都寫好了，關于中不中的下面就看天意了。我們知道其實有關細胞死亡相關的標書在國科金中一直都占據著很高的比例，細胞死亡相關的研究一直都是國自然的熱點研究領域之一。這些細胞死亡的方式有多種形式，其中包括細胞凋亡（Apoptosis）、細胞自噬（Autophagy）、細胞焦亡（Pyroptosis），以及鐵死亡（Ferroptosis)等等。
在讀本篇推文之前，大多數小伙伴肯定或多或少的都聽說過鐵死亡，就是那個在前幾年換個腫瘤模型都能發SCI的數據挖掘熱點。其背后的生物學基礎是因為鐵可以催化有毒膜脂質過氧化物的形成，這是鐵死亡的主要特征，這是一種獨特的非凋亡性細胞死亡形式。但是很少有人知道的是，其實金屬誘導的死亡有很多，除了鐵死亡還有鋅死亡（過量的鋅可以通過抑制三磷酸腺苷(ATP)合成來引發非凋亡性細胞死亡），鎂死亡。吶，最近又出現一個銅死亡。于是小編默默的拿出了元素周期表進行了端詳了起來。。。
下一個是鈉死亡？鉀死亡？
近日，博德研究所的科學家揭示銅毒性涉及特定線粒體代謝酶的破壞，從而引發一種不尋常的細胞死亡機制。這種機制可以解釋與遺傳性銅過載疾病相關的病理學，并提出利用銅毒性治療癌癥的新方法。這項研究成果發表在Science上，篇名為“Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins”，那么下面Immugent來和大家一起學習一下這項最近火爆的熱點研究吧！
2.銅離子載體誘導新型細胞死亡，其啟動與細胞呼吸相關
這個科研團隊其實一直都在做銅離子相關的研究工作，銅基毒性的探索的相關工作最早開始于2019年，研究人員通過系統地測試了銅載體的毒性，得出了其產生的毒性源于銅本身的假設。他們發現，許多不同的銅結合分子，或銅離子載體，都可以以類似的方式誘導細胞死亡，而這一過程完全取決于銅的可用性。此外，研究人員還發現，這種細胞死亡的形式(他們稱之為表皮壞死)與其他已被充分研究的形式不同。當研究人員阻斷了已知的細胞死亡途徑，如細胞凋亡和鐵中毒時，用銅離子載體處理的細胞仍然死亡。
在這項研究中，研究人員首先在489個細胞系中檢測了1448個載銅藥物對細胞的殺傷效果，結果發現這些載銅藥物均能殺傷細胞。而改變這些藥物的銅結合能力會使其喪失對細胞的殺傷效果。研究發現單獨加入銅結合分子Elesclomol（伊利司莫）并不影響細胞的生長，而一旦加入銅離子，就會抑制細胞生長。隨后，作者通過相關實驗觀察到更依賴線粒體呼吸的細胞對銅離子的敏感性比進行糖酵解的細胞高近1000倍。采用藥物干預線粒體功能后，細胞對銅離子的敏感性發生顯著變化。
通過乏氧條件培養細胞，作者進一步證實了銅誘導的細胞死亡需要線粒體呼吸參與，而糖酵解產生的ATP對銅誘導的細胞死亡影響較小。緊接著，作者還發現銅并不直接參與電子傳輸鏈（ETC），而只是在三羧酸（TCA）循環中發揮作用。隨后通過對細胞進行代謝組學測序發現，對銅敏感細胞中與TCA相關的代謝物明顯更多。這些結果表明銅誘導的細胞死亡與線粒體代謝之間緊密聯系，銅與TCA循環之間息息相關。
3. 銅死亡的關鍵調控基因FDX1，是蛋白質脂化的上游調節因子
為了確定介導銅毒性的特定代謝途徑，研究者通過多重CRISPR基因敲除篩選，確定了促進銅誘導死亡的關鍵基因-FDX1（該基因編碼一種Elesclomol可直接靶向的蛋白，該蛋白可將二價銅離子轉化更毒的一價銅離子）。研究還發現敲除FDX1會減弱銅離子載體誘導的細胞死亡。此外，當細胞在糖酵解條件下生長時，大多數銅離子載體（如elesclomol、disulfiram和NSC319726）失去了殺傷活性。這一結果進一步表明銅與線粒體代謝密切相關。
研究者進一步研究發現，敲除FDX1或硫鋅?；嚓P酶可以使細胞免于銅毒性，因此推測FDX1可能是蛋白質硫鋅酰化的上游調節因子。首先通過對公共數據庫的數據進行挖掘，作者發現FDX1和硫辛酸代謝與細胞存活高度相關。其次對208例人類腫瘤標本進行了FDX1和硫辛酸的免疫組化檢測，結果發現FDX1和硫鋅酰化蛋白的表達高度相關。最后通過Western-blot和免疫組化在蛋白水平對該基因進行檢測，發現FDX1基因敲除導致蛋白質硫鋅酰化完全喪失，同時也導致細胞呼吸顯著下降。這些結果均表明FDX1是蛋白質硫鋅?；纳嫌握{節因子。研究還發現銅干擾鐵硫簇，而鐵硫簇是幾種關鍵代謝酶的一部分。當這種酶降低時，細胞更容易死亡。
4.系統揭示化學和基因誘導的銅依賴細胞死亡的共同機制
雖然這是銅死亡真正意義上發表的第一篇系統性研究論文，但事實上這種新的細胞死亡機制的一部分已被發生在細菌和酵母中，因此研究人員認為該研究可以揭示各種生物過程，包括產生具有抗菌特性銅離子載體的微生物，以及患有銅失調遺傳病的人，例如威爾遜氏病患者。
最后，研究人員發現通過銅載體穿提到線粒體內的銅離子直接與這些脂?；揎椀牡鞍踪|結合，導致它們形成長鏈和團塊化，從而導致細胞死亡，這些銅離子還會干擾鐵硫簇，從而導致鐵硫蛋白下調，導致細胞毒性應激并死亡。這些在銅毒性小鼠模型中的研究結果表明，銅超載導致的細胞效應與銅離子載體誘導的細胞效應相同。綜上所述，這個的數據支持了一個模型，即過量銅促進脂化蛋白的聚集和Fe-S簇蛋白的不穩定，從而導致蛋白毒性應激并最終導致細胞死亡。
盡管Elesclomol在其作為癌癥治療劑的臨床試驗中失敗了，但后來的分析表明，該銅離子載體已經幫助了腫瘤依賴線粒體產生能量的患者。既然該團隊已經發現了銅誘導的細胞死亡的標志物，他們認為伊利司莫有可能用于治療一系列特別容易受到該過程影響的癌癥，例如那些高表達FDX1基因的癌癥細胞。
5.展望
好啦，文章讀完了，熱鬧也看完了，該說正事了！
像鐵死亡前幾年剛被提出來時一樣，銅死亡必定會成為下一個研究熱點。如不出意外，很多會數據挖掘的小伙伴就已經行動起來了，因為這篇Science不僅給出了銅死亡的一個關鍵基因--FDX1，還給出了一系列銅死亡相關的基因，我們可以將這些基因制作成銅死亡相關Signature，換個癌癥擼一遍就是一篇不錯的SCI!
當然，上面只是對那些只想水文章的小伙伴說的，對于想做大研究的小伙伴，這項研究依然可以提供很多研究思路。比如，可以實驗一些你所在領域的細胞系，然后用不同的金屬離子處理，觀察處理前后細胞出現了哪些功能變化。當然，還可以使用不同的金屬離子組合來進行研究，或許就會發現下一個新型的細胞死亡誘導機制，趕快行動起來吧！
