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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(guó)自然的申請(qǐng)工作即將步入尾聲，大家將能寫的都寫好了，關(guān)于中不中的下面就看天意了。我們知道其實(shí)有關(guān)細(xì)胞死亡相關(guān)的標(biāo)書在國(guó)科金中一直都占據(jù)著很高的比例，細(xì)胞死亡相關(guān)的研究一直都是國(guó)自然的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。這些細(xì)胞死亡的方式有多種形式，其中包括細(xì)胞凋亡（Apoptosis）、細(xì)胞自噬（Autophagy）、細(xì)胞焦亡（Pyroptosis），以及鐵死亡（Ferroptosis)等等。
在讀本篇推文之前，大多數(shù)小伙伴肯定或多或少的都聽說過鐵死亡，就是那個(gè)在前幾年換個(gè)腫瘤模型都能發(fā)SCI的數(shù)據(jù)挖掘熱點(diǎn)。其背后的生物學(xué)基礎(chǔ)是因?yàn)殍F可以催化有毒膜脂質(zhì)過氧化物的形成，這是鐵死亡的主要特征，這是一種獨(dú)特的非凋亡性細(xì)胞死亡形式。但是很少有人知道的是，其實(shí)金屬誘導(dǎo)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(fā)非凋亡性細(xì)胞死亡），鎂死亡。吶，最近又出現(xiàn)一個(gè)銅死亡。于是小編默默的拿出了元素周期表進(jìn)行了端詳了起來。。。
下一個(gè)是鈉死亡？鉀死亡？
近日，博德研究所的科學(xué)家揭示銅毒性涉及特定線粒體代謝酶的破壞，從而引發(fā)一種不尋常的細(xì)胞死亡機(jī)制。這種機(jī)制可以解釋與遺傳性銅過載疾病相關(guān)的病理學(xué)，并提出利用銅毒性治療癌癥的新方法。這項(xiàng)研究成果發(fā)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(xué)習(xí)一下這項(xiàng)最近火爆的熱點(diǎn)研究吧！
2.銅離子載體誘導(dǎo)新型細(xì)胞死亡，其啟動(dòng)與細(xì)胞呼吸相關(guān)
這個(gè)科研團(tuán)隊(duì)其實(shí)一直都在做銅離子相關(guān)的研究工作，銅基毒性的探索的相關(guān)工作最早開始于2019年，研究人員通過系統(tǒng)地測(cè)試了銅載體的毒性，得出了其產(chǎn)生的毒性源于銅本身的假設(shè)。他們發(fā)現(xiàn)，許多不同的銅結(jié)合分子，或銅離子載體，都可以以類似的方式誘導(dǎo)細(xì)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(fā)現(xiàn)，這種細(xì)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(dāng)研究人員阻斷了已知的細(xì)胞死亡途徑，如細(xì)胞凋亡和鐵中毒時(shí)，用銅離子載體處理的細(xì)胞仍然死亡。
在這項(xiàng)研究中，研究人員首先在489個(gè)細(xì)胞系中檢測(cè)了1448個(gè)載銅藥物對(duì)細(xì)胞的殺傷效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些載銅藥物均能殺傷細(xì)胞。而改變這些藥物的銅結(jié)合能力會(huì)使其喪失對(duì)細(xì)胞的殺傷效果。研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)加入銅結(jié)合分子Elesclomol（伊利司莫）并不影響細(xì)胞的生長(zhǎng)，而一旦加入銅離子，就會(huì)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)。隨后，作者通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)觀察到更依賴線粒體呼吸的細(xì)胞對(duì)銅離子的敏感性比進(jìn)行糖酵解的細(xì)胞高近1000倍。采用藥物干預(yù)線粒體功能后，細(xì)胞對(duì)銅離子的敏感性發(fā)生顯著變化。
通過乏氧條件培養(yǎng)細(xì)胞，作者進(jìn)一步證實(shí)了銅誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡需要線粒體呼吸參與，而糖酵解產(chǎn)生的ATP對(duì)銅誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡影響較小。緊接著，作者還發(fā)現(xiàn)銅并不直接參與電子傳輸鏈（ETC），而只是在三羧酸（TCA）循環(huán)中發(fā)揮作用。隨后通過對(duì)細(xì)胞進(jìn)行代謝組學(xué)測(cè)序發(fā)現(xiàn)，對(duì)銅敏感細(xì)胞中與TCA相關(guān)的代謝物明顯更多。這些結(jié)果表明銅誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡與線粒體代謝之間緊密聯(lián)系，銅與TCA循環(huán)之間息息相關(guān)。
3. 銅死亡的關(guān)鍵調(diào)控基因FDX1，是蛋白質(zhì)脂化的上游調(diào)節(jié)因子
為了確定介導(dǎo)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(jìn)銅誘導(dǎo)死亡的關(guān)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(jià)銅離子轉(zhuǎn)化更毒的一價(jià)銅離子）。研究還發(fā)現(xiàn)敲除FDX1會(huì)減弱銅離子載體誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。此外，當(dāng)細(xì)胞在糖酵解條件下生長(zhǎng)時(shí)，大多數(shù)銅離子載體（如elesclomol、disulfiram和NSC319726）失去了殺傷活性。這一結(jié)果進(jìn)一步表明銅與線粒體代謝密切相關(guān)。
研究者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，敲除FDX1或硫鋅酰化相關(guān)酶可以使細(xì)胞免于銅毒性，因此推測(cè)FDX1可能是蛋白質(zhì)硫鋅酰化的上游調(diào)節(jié)因子。首先通過對(duì)公共數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，作者發(fā)現(xiàn)FDX1和硫辛酸代謝與細(xì)胞存活高度相關(guān)。其次對(duì)208例人類腫瘤標(biāo)本進(jìn)行了FDX1和硫辛酸的免疫組化檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FDX1和硫鋅酰化蛋白的表達(dá)高度相關(guān)。最后通過Western-blot和免疫組化在蛋白水平對(duì)該基因進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)FDX1基因敲除導(dǎo)致蛋白質(zhì)硫鋅酰化完全喪失，同時(shí)也導(dǎo)致細(xì)胞呼吸顯著下降。這些結(jié)果均表明FDX1是蛋白質(zhì)硫鋅酰化的上游調(diào)節(jié)因子。研究還發(fā)現(xiàn)銅干擾鐵硫簇，而鐵硫簇是幾種關(guān)鍵代謝酶的一部分。當(dāng)這種酶降低時(shí)，細(xì)胞更容易死亡。
4.系統(tǒng)揭示化學(xué)和基因誘導(dǎo)的銅依賴細(xì)胞死亡的共同機(jī)制
雖然這是銅死亡真正意義上發(fā)表的第一篇系統(tǒng)性研究論文，但事實(shí)上這種新的細(xì)胞死亡機(jī)制的一部分已被發(fā)生在細(xì)菌和酵母中，因此研究人員認(rèn)為該研究可以揭示各種生物過程，包括產(chǎn)生具有抗菌特性銅離子載體的微生物，以及患有銅失調(diào)遺傳病的人，例如威爾遜氏病患者。
最后，研究人員發(fā)現(xiàn)通過銅載體穿提到線粒體內(nèi)的銅離子直接與這些脂酰化修飾的蛋白質(zhì)結(jié)合，導(dǎo)致它們形成長(zhǎng)鏈和團(tuán)塊化，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，這些銅離子還會(huì)干擾鐵硫簇，從而導(dǎo)致鐵硫蛋白下調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞毒性應(yīng)激并死亡。這些在銅毒性小鼠模型中的研究結(jié)果表明，銅超載導(dǎo)致的細(xì)胞效應(yīng)與銅離子載體誘導(dǎo)的細(xì)胞效應(yīng)相同。綜上所述，這個(gè)的數(shù)據(jù)支持了一個(gè)模型，即過量銅促進(jìn)脂化蛋白的聚集和Fe-S簇蛋白的不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致蛋白毒性應(yīng)激并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。
盡管Elesclomol在其作為癌癥治療劑的臨床試驗(yàn)中失敗了，但后來的分析表明，該銅離子載體已經(jīng)幫助了腫瘤依賴線粒體產(chǎn)生能量的患者。既然該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了銅誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡的標(biāo)志物，他們認(rèn)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(dá)FDX1基因的癌癥細(xì)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(shí)一樣，銅死亡必定會(huì)成為下一個(gè)研究熱點(diǎn)。如不出意外，很多會(huì)數(shù)據(jù)挖掘的小伙伴就已經(jīng)行動(dòng)起來了，因?yàn)檫@篇Science不僅給出了銅死亡的一個(gè)關(guān)鍵基因--FDX1，還給出了一系列銅死亡相關(guān)的基因，我們可以將這些基因制作成銅死亡相關(guān)Signature，換個(gè)癌癥擼一遍就是一篇不錯(cuò)的SCI!
當(dāng)然，上面只是對(duì)那些只想水文章的小伙伴說的，對(duì)于想做大研究的小伙伴，這項(xiàng)研究依然可以提供很多研究思路。比如，可以實(shí)驗(yàn)一些你所在領(lǐng)域的細(xì)胞系，然后用不同的金屬離子處理，觀察處理前后細(xì)胞出現(xiàn)了哪些功能變化。當(dāng)然，還可以使用不同的金屬離子組合來進(jìn)行研究，或許就會(huì)發(fā)現(xiàn)下一個(gè)新型的細(xì)胞死亡誘導(dǎo)機(jī)制，趕快行動(dòng)起來吧！
