细胞铜死亡特性、分子机制的介绍及其与多种疾病相关性的研究进展
2024-05-09 来源:本站 点击次数:1836
重金属离子是人体必需的微量营养素，其不足和过量都可能引发细胞死亡，例如铁和铜。关于细胞铁死亡小陶之前已做了详细解析（可见往期:基于十年研究，铁死亡模全新模型横空出世），今天咱们再来看看热度逐渐攀升的细胞“铜死亡“~
铜死亡（Cuproptosis）的概念最早由 Peter Tsvetkov 在 2022 年提出[1]，它代表一种独特的细胞死亡方式，与其他受控细胞死亡（RCDs）方式有所不同，其过程涉及 铜的依赖、脂酰化蛋白的积累以及 Fe-S 簇蛋白的减少。下面，让我们一起深入了解一下铜死亡吧~
铜死亡有哪些特性？
生化特性
铜以两种形式存在于体内，亚铜离子（Cu+）和铜离子（Cu2+），并参与多种生理反应。人们主要从食物中获取铜，铜在食物中以 Cu2+ 形式存在，通过吸收和运输进入肝细胞，并通过铜蓝蛋白将铜输送到身体各部位。
铜的稳态失衡会导致细胞内铜浓度升高，引发细胞损伤和铜死亡，其中 铜离子的作用 包括：
①铜离子通过芬顿反应产生大量活性氧（ROS），引发 DNA 损伤和脂质过氧化；
②铜离子通过抑制泛素-蛋白酶体系统来抑制细胞蛋白酶活性，并抑制细胞增殖；
③铜离子通过与脂酰化蛋白（丙酮酸、α-酮戊二酸、支链铜酸脱氢酶和甘氨酸裂解系统）结合，诱导脂酰化蛋白的聚集并抑制线粒体代谢功能，从而促进细胞发生铜死亡。
此外，铜积累与铜死亡密切相关，此过程受到 Ferredoxin1 (FDX1) 和 lipoic acid synthase (LIAS) 的调节。
形态表现
铜死亡会表现出一系列主要形态学特征，包括 线粒体的收缩、细胞膜的破裂、内质网的损伤 以及 染色质的破裂，这些特征与凋亡过程相似[3][4][5]，但是其机制与已知的其他细胞死亡方式有所不同。
铜死亡的分子机制
氧化应激的激活
在正常的生理条件下，细胞维持着氧化与抗氧化防御之间的平衡，一旦这个平衡被破坏，氧化应激就会发生，导致细胞损伤并引发多种疾病。芬顿反应（ Fenton reaction）是一种常见的金属催化反应，能够产生大量的活性氧物质（ROS）。铜离子在这一过程中起到关键作用，通过 催化 H2O2 产生大量 ROS，对细胞产生多方面的损害，包括 损伤 DNA、干扰线粒体功能、破坏细胞膜完整性等。
此外，一些研究发现，铜离子可以通过促进 ROS 产生并调控相关信号通路来诱导癌细胞死亡。例如，铜离子载体 NSC319726 可激活 Cu2+ 并促进 ROS 产生，导致脱氧核苷酸耗尽和 DNA 合成抑制，这使得细胞停留在 G1 期并诱导细胞死亡[6]。此外， Disulfiram 与 Cu2+ 结合会促进 ROS 产生，激活 P38 信号通路，并抑制 NF-kB 信号通路，从而诱导癌细胞死亡[7]。也就是说，铜离子可通过增加 ROS 产生和激活与氧化应激相关的信号通路来达到杀伤细胞的目的。
泛素-蛋白酶体系统的抑制
泛素-蛋白酶体系统（UPS）是一个关键的蛋白质降解通路，负责细胞中大约 80% 蛋白质的降解。在这个系统中，泛素分子被选择性地连接到目标蛋白质上，标志其进行降解。泛素化过程在细胞凋亡、信号传递和损伤修复等多种细胞活动中发挥着重要作用。
研究表明，铜离子可以通过不同机制干扰泛素-蛋白酶体系统的正常功能。例如，Disulfiram-Cu2+ 复合物通过抑制蛋白酶体活性和增加泛素-蛋白相互作用来损伤癌细胞[8]；Disulfiram-Cu2+ 复合物通过阻止蛋白酶体系统上游信号传导和抑制依赖泛素化的 ATP 合酶（ATP synthase），抑制泛素蛋白质的降解[9]。
铜通过靶向脂酰化TCA循环蛋白诱导细胞死亡
铜死亡的关键特征之一是在线粒体呼吸链中三羧酸循环（TCA循环）的蛋白质硫辛酸酯化，这是一种重要的赖氨酸翻译后修饰，它通过酰胺键将硫辛酸酯与蛋白质赖氨酸残基连接起来，对调控 TCA 循环的关键酶非常重要。
铜离子通过与脂酰化组分结合，导致脂酰化蛋白和铁硫簇蛋白的损失，诱导蛋白质毒性应激和细胞死亡。其中，FDX1 是铜死亡的上游调节因子，其敲除或与脂酰化相关的酶可以阻止铜死亡的发生。因此，这些生物标志物如 FDX1、LIPT1、LIAS、DLD和 DLAT 等在铜死亡的研究中具有重要作用，有望成为该细胞死亡过程的生物标志物。
铜死亡的诱导剂和抑制剂
铜死亡诱导剂是指能够触发细胞铜死亡过程的化合物，目前以铜离子载体为主。这些载体，如 elesclomol、NSC-319726 和 二硫化物，通过将铜离子引入细胞内并干扰铁硫簇生物合成等途径诱导铜死亡，具有潜在的癌细胞治疗效果。与此相反，铜死亡抑制剂则是指能够抑制细胞铜死亡的化合物或治疗方法。这些抑制剂包括 铜螯合剂、氧化磷酸化抑制剂以及影响电子传递链和线粒体丙酮酸摄取的物质，它们可能通过不同机制缓解与铜死亡相关的各种疾病。
总结
铜死亡是一种新发现的细胞死亡方式，过量的铜通过促进依赖铜的脂酰化蛋白在三羧酸循环中异常寡聚化以及降低 Fe-S 簇蛋白水平来诱导铜死亡。在这个过程中，Ferredoxin1 (FDX1)是铜死亡的关键因素，通过将 Cu2+还原为 Cu+，促使脱氢脂酰转乙酰酶（DLAT）脂酰化，并通过降低铜硫簇蛋白水平来引发细胞死亡。
铜死亡与多种疾病的发生和进展相关，包括乳腺癌、肺癌、神经退行性疾病、威尔逊氏病、肥胖等。最新研究还指出，铜死亡与多种心血管疾病的发生和进展有关。因此，深入探讨铜死亡在不同疾病中的潜在作用及其相关机制，有助于寻找新的治疗靶点并推动药物研发。
当下，铜死亡相关研究如火如荼，陶术可提供 铜死亡化合物库、 Disulfiram 、NSC-319726、 Elesclomol、Triplin、DL-Penicillamine 以及 Trientine-2HCl 等铜死亡相关抑制剂、螯合剂，助力您铜死亡相关的药物研发和研究，欢迎私信咨询~
参考资料：
[1] P. Tsvetkov, S. Coy, B. Petrova, M. Dreishpoon, A. Verma, M. Abdusamad, J. Rossen, L. Joesch-Cohen, R. Humeidi, R. Spangler, J. Eaton, E. Frenkel, M. Kocak, S. Corsello, S. Lutsenko, N. Kanarek, S. Santagata, T. Golub, Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins, Science 375 (6586) (2022) 1254–1261.
[2] Di Wang, Zhenyu Tian, Peng Zhang, Lv Zhen, Qingju Meng, Benteng Sun, Xingli Xu, Tong Jia, Shengqiang Li,The molecular mechanisms of cuproptosis and its relevance to cardiovascular disease,Biomedicine & Pharmacotherapy,Volume 163,2023,114830,ISSN 0753-3322,https://doi.org/10.1016/j.biopha.2023.114830.
[3] G. Zhao, H. Sun, T. Zhang, J.X. Liu, Copper induce zebrafish retinal developmental defects via triggering stresses and apoptosis, Cell Commun. Signal. 18 (1) (2020) 45.
[4] Liao Jianzhao, Yang Fan, Tang Zhaoxin, Yu Wenlan, Han Qingyue, Inhibition of Caspase-1-dependent pyroptosis attenuates copper-induced apoptosis in chicken hepatocytes, Ecotoxicol. Environ. Saf. (2019).
[5] X. Tao, X. Wan, D. Wu, E. Song, Y. Song, A tandem activation of NLRP3 inflammasome induced by copper oxide nanoparticles and dissolved copper ion in J774A.1 macrophage, J. Hazard. Mater. 411 (2021), 125134.
[6] K. Shimada, E. Reznik, M.E. Stokes, L. Krishnamoorthy, P.H. Bos, Y. Song, C. E. Quartararo, N.C. Pagano, D.R. Carpizo, A.C. deCarvalho, D.C. Lo, B. R. Stockwell, Copper-binding small molecule induces oxidative stress and cellcycle arrest in glioblastomapatient-derived cells, Cell Chem. Biol. 25 (5) (2018) 585–594, e7.
[7] N.C. Yip, I.S. Fombon, P. Liu, S. Brown, V. Kannappan, A.L. Armesilla, B. Xu, J. Cassidy, J.L. Darling, W. Wang, Disulfiram modulated ROS-MAPK and NFκB pathways and targeted breast cancer cells with cancer stem cell-like properties, Br. J. Cancer 104 (10) (2011) 1564–1574.
[8] D. Chen, Q.C. Cui, H. Yang, Q.P. Dou, Disulfiram, a clinically used anti-alcoholism drug and copper-binding agent, induces apoptotic cell death in breast cancer cultures and xenografts via inhibition of the proteasome activity, Cancer Res. 66 (21) (2006) 10425–10433.
[9] Z. Skrott, M. Mistrik, K.K. Andersen, S. Friis, D. Majera, J. Gursky, T. Ozdian, J. Bartkova, Z. Turi, P. Moudry, M. Kraus, M. Michalova, J. Vaclavkova, P. Dzubak, I. Vrobel, P. Pouckova, J. Sedlacek, A. Miklovicova, A. Kutt, J. Li, J. Mattova, C. Driessen, Q.P. Dou, J. Olsen, M. Hajduch, B. Cvek, R.J. Deshaies, J. Bartek, Alcohol-abuse drug disulfiram targets cancer via p97 segregase adaptor NPL4, Nature 552 (7684) (2017) 194–199.
铜死亡（Cuproptosis）的概念最早由 Peter Tsvetkov 在 2022 年提出[1]，它代表一种独特的细胞死亡方式，与其他受控细胞死亡（RCDs）方式有所不同，其过程涉及 铜的依赖、脂酰化蛋白的积累以及 Fe-S 簇蛋白的减少。下面，让我们一起深入了解一下铜死亡吧~
▲细胞死亡的不同形式
铜死亡有哪些特性？
生化特性
铜以两种形式存在于体内，亚铜离子（Cu+）和铜离子（Cu2+），并参与多种生理反应。人们主要从食物中获取铜，铜在食物中以 Cu2+ 形式存在，通过吸收和运输进入肝细胞，并通过铜蓝蛋白将铜输送到身体各部位。
铜的稳态失衡会导致细胞内铜浓度升高，引发细胞损伤和铜死亡，其中 铜离子的作用 包括：
①铜离子通过芬顿反应产生大量活性氧（ROS），引发 DNA 损伤和脂质过氧化；
②铜离子通过抑制泛素-蛋白酶体系统来抑制细胞蛋白酶活性，并抑制细胞增殖；
③铜离子通过与脂酰化蛋白（丙酮酸、α-酮戊二酸、支链铜酸脱氢酶和甘氨酸裂解系统）结合，诱导脂酰化蛋白的聚集并抑制线粒体代谢功能，从而促进细胞发生铜死亡。
此外，铜积累与铜死亡密切相关，此过程受到 Ferredoxin1 (FDX1) 和 lipoic acid synthase (LIAS) 的调节。
形态表现
铜死亡会表现出一系列主要形态学特征，包括 线粒体的收缩、细胞膜的破裂、内质网的损伤 以及 染色质的破裂，这些特征与凋亡过程相似[3][4][5]，但是其机制与已知的其他细胞死亡方式有所不同。
▲细胞内铜代谢信号通路
铜死亡的分子机制
氧化应激的激活
在正常的生理条件下，细胞维持着氧化与抗氧化防御之间的平衡，一旦这个平衡被破坏，氧化应激就会发生，导致细胞损伤并引发多种疾病。芬顿反应（ Fenton reaction）是一种常见的金属催化反应，能够产生大量的活性氧物质（ROS）。铜离子在这一过程中起到关键作用，通过 催化 H2O2 产生大量 ROS，对细胞产生多方面的损害，包括 损伤 DNA、干扰线粒体功能、破坏细胞膜完整性等。
此外，一些研究发现，铜离子可以通过促进 ROS 产生并调控相关信号通路来诱导癌细胞死亡。例如，铜离子载体 NSC319726 可激活 Cu2+ 并促进 ROS 产生，导致脱氧核苷酸耗尽和 DNA 合成抑制，这使得细胞停留在 G1 期并诱导细胞死亡[6]。此外， Disulfiram 与 Cu2+ 结合会促进 ROS 产生，激活 P38 信号通路，并抑制 NF-kB 信号通路，从而诱导癌细胞死亡[7]。也就是说，铜离子可通过增加 ROS 产生和激活与氧化应激相关的信号通路来达到杀伤细胞的目的。
泛素-蛋白酶体系统的抑制
泛素-蛋白酶体系统（UPS）是一个关键的蛋白质降解通路，负责细胞中大约 80% 蛋白质的降解。在这个系统中，泛素分子被选择性地连接到目标蛋白质上，标志其进行降解。泛素化过程在细胞凋亡、信号传递和损伤修复等多种细胞活动中发挥着重要作用。
研究表明，铜离子可以通过不同机制干扰泛素-蛋白酶体系统的正常功能。例如，Disulfiram-Cu2+ 复合物通过抑制蛋白酶体活性和增加泛素-蛋白相互作用来损伤癌细胞[8]；Disulfiram-Cu2+ 复合物通过阻止蛋白酶体系统上游信号传导和抑制依赖泛素化的 ATP 合酶（ATP synthase），抑制泛素蛋白质的降解[9]。
铜通过靶向脂酰化TCA循环蛋白诱导细胞死亡
铜死亡的关键特征之一是在线粒体呼吸链中三羧酸循环（TCA循环）的蛋白质硫辛酸酯化，这是一种重要的赖氨酸翻译后修饰，它通过酰胺键将硫辛酸酯与蛋白质赖氨酸残基连接起来，对调控 TCA 循环的关键酶非常重要。
铜离子通过与脂酰化组分结合，导致脂酰化蛋白和铁硫簇蛋白的损失，诱导蛋白质毒性应激和细胞死亡。其中，FDX1 是铜死亡的上游调节因子，其敲除或与脂酰化相关的酶可以阻止铜死亡的发生。因此，这些生物标志物如 FDX1、LIPT1、LIAS、DLD和 DLAT 等在铜死亡的研究中具有重要作用，有望成为该细胞死亡过程的生物标志物。
▲铜死亡的分子机制
铜死亡的诱导剂和抑制剂
铜死亡诱导剂是指能够触发细胞铜死亡过程的化合物，目前以铜离子载体为主。这些载体，如 elesclomol、NSC-319726 和 二硫化物，通过将铜离子引入细胞内并干扰铁硫簇生物合成等途径诱导铜死亡，具有潜在的癌细胞治疗效果。与此相反，铜死亡抑制剂则是指能够抑制细胞铜死亡的化合物或治疗方法。这些抑制剂包括 铜螯合剂、氧化磷酸化抑制剂以及影响电子传递链和线粒体丙酮酸摄取的物质，它们可能通过不同机制缓解与铜死亡相关的各种疾病。
总结
铜死亡是一种新发现的细胞死亡方式，过量的铜通过促进依赖铜的脂酰化蛋白在三羧酸循环中异常寡聚化以及降低 Fe-S 簇蛋白水平来诱导铜死亡。在这个过程中，Ferredoxin1 (FDX1)是铜死亡的关键因素，通过将 Cu2+还原为 Cu+，促使脱氢脂酰转乙酰酶（DLAT）脂酰化，并通过降低铜硫簇蛋白水平来引发细胞死亡。
铜死亡与多种疾病的发生和进展相关，包括乳腺癌、肺癌、神经退行性疾病、威尔逊氏病、肥胖等。最新研究还指出，铜死亡与多种心血管疾病的发生和进展有关。因此，深入探讨铜死亡在不同疾病中的潜在作用及其相关机制，有助于寻找新的治疗靶点并推动药物研发。
当下，铜死亡相关研究如火如荼，陶术可提供 铜死亡化合物库、 Disulfiram 、NSC-319726、 Elesclomol、Triplin、DL-Penicillamine 以及 Trientine-2HCl 等铜死亡相关抑制剂、螯合剂，助力您铜死亡相关的药物研发和研究，欢迎私信咨询~
参考资料：
[1] P. Tsvetkov, S. Coy, B. Petrova, M. Dreishpoon, A. Verma, M. Abdusamad, J. Rossen, L. Joesch-Cohen, R. Humeidi, R. Spangler, J. Eaton, E. Frenkel, M. Kocak, S. Corsello, S. Lutsenko, N. Kanarek, S. Santagata, T. Golub, Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins, Science 375 (6586) (2022) 1254–1261.
[2] Di Wang, Zhenyu Tian, Peng Zhang, Lv Zhen, Qingju Meng, Benteng Sun, Xingli Xu, Tong Jia, Shengqiang Li,The molecular mechanisms of cuproptosis and its relevance to cardiovascular disease,Biomedicine & Pharmacotherapy,Volume 163,2023,114830,ISSN 0753-3322,https://doi.org/10.1016/j.biopha.2023.114830.
[3] G. Zhao, H. Sun, T. Zhang, J.X. Liu, Copper induce zebrafish retinal developmental defects via triggering stresses and apoptosis, Cell Commun. Signal. 18 (1) (2020) 45.
[4] Liao Jianzhao, Yang Fan, Tang Zhaoxin, Yu Wenlan, Han Qingyue, Inhibition of Caspase-1-dependent pyroptosis attenuates copper-induced apoptosis in chicken hepatocytes, Ecotoxicol. Environ. Saf. (2019).
[5] X. Tao, X. Wan, D. Wu, E. Song, Y. Song, A tandem activation of NLRP3 inflammasome induced by copper oxide nanoparticles and dissolved copper ion in J774A.1 macrophage, J. Hazard. Mater. 411 (2021), 125134.
[6] K. Shimada, E. Reznik, M.E. Stokes, L. Krishnamoorthy, P.H. Bos, Y. Song, C. E. Quartararo, N.C. Pagano, D.R. Carpizo, A.C. deCarvalho, D.C. Lo, B. R. Stockwell, Copper-binding small molecule induces oxidative stress and cellcycle arrest in glioblastomapatient-derived cells, Cell Chem. Biol. 25 (5) (2018) 585–594, e7.
[7] N.C. Yip, I.S. Fombon, P. Liu, S. Brown, V. Kannappan, A.L. Armesilla, B. Xu, J. Cassidy, J.L. Darling, W. Wang, Disulfiram modulated ROS-MAPK and NFκB pathways and targeted breast cancer cells with cancer stem cell-like properties, Br. J. Cancer 104 (10) (2011) 1564–1574.
[8] D. Chen, Q.C. Cui, H. Yang, Q.P. Dou, Disulfiram, a clinically used anti-alcoholism drug and copper-binding agent, induces apoptotic cell death in breast cancer cultures and xenografts via inhibition of the proteasome activity, Cancer Res. 66 (21) (2006) 10425–10433.
[9] Z. Skrott, M. Mistrik, K.K. Andersen, S. Friis, D. Majera, J. Gursky, T. Ozdian, J. Bartkova, Z. Turi, P. Moudry, M. Kraus, M. Michalova, J. Vaclavkova, P. Dzubak, I. Vrobel, P. Pouckova, J. Sedlacek, A. Miklovicova, A. Kutt, J. Li, J. Mattova, C. Driessen, Q.P. Dou, J. Olsen, M. Hajduch, B. Cvek, R.J. Deshaies, J. Bartek, Alcohol-abuse drug disulfiram targets cancer via p97 segregase adaptor NPL4, Nature 552 (7684) (2017) 194–199.
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