铜死亡：机制与癌症的联系

铜死亡：机制与癌症的联系 by 医学僧的科研日记

铜死亡关键基因，简写为CKG，包括FDX1、LIAS、LIPT1、DLD、DLAT、PDHA1、PDHB、MTF1、GLS、CDKN2A、SLC31A1、ATP7A/B十三种基因。

第一个介绍的是FDX1，它编码铁氧还蛋白1，参与参与类固醇生成、铁硫簇等的生成，可以还原铜离子，并表现出强细胞毒性和细胞功能。在铜死亡中，FDX 1作为LA途径的上游，对蛋白质脂酰化过程起着核心作用。

作者补充道，与配对的正常组织相比，FDX 1表达水平在胶质母细胞瘤和女性生殖器肿瘤中上调，在实体瘤如肺腺癌和肝细胞癌中下调。这提示着EDX1或许具有生物标志物的临床意义。

今天和大家分享的是一篇文献是在MOLECULAR CANCER（IF：37.3）发表的一篇文章，题目是“铜死亡：机制与癌症的联系”(Cuproptosis: mechanisms and links with cancers）。接下来让我们一起来学习这篇文章吧！

一、研究背景

铜是人体中的一种微量元素，与多种信号通路和肿瘤相关的生物学行为密切相关；
过量的铜可导致细胞死亡，长期以来，铜诱导细胞死亡的机制和具体形式仍不清楚；
新的研究认为铜死亡是一种独立的细胞死亡形式，被认为与线粒体呼吸和硫辛酸(LA)途径高度相关;
铜死亡与细胞代谢高度相关，某些癌症类型通常表现出高有氧呼吸水平。一些肿瘤类型如黑色素瘤、乳腺癌和白血病，一些具有肿瘤干细胞的癌症和一些耐药肿瘤表现出高线粒体代谢状态。
铜离子载体在铜死亡的发现中发挥了重要作用，并且在过去可能用于抗肿瘤治疗。

二、文章思路

本文分为七个部分，作者首先介绍了全身及细胞内铜稳态，然后阐述了铜死亡与肿瘤信号通路，接着介绍了从铜诱导的细胞死亡到铜死亡研究的发展史，在介绍了铜死亡关键基因的功能和临床意义之后又在临床角度介绍了铜死亡相关基因与肿瘤预后以及潜在的癌症治疗，最后总结并作出展望。

三、文章内容

（一）全身及胞内铜稳态

正常人体铜代谢分为四个部分，摄取、存储、转运和排出。

在器官水平上，铜的摄取主要通过小肠发生，小肠上皮细胞通过铜转运蛋白1(CTR 1)或称溶质载体家族31成员1(SLC 31 A1)摄取铜离子，该转运蛋白由细胞表面的slc 31 a1编码。
存储主要依赖胞内铜伴侣等与铜结合的蛋白。金属硫蛋白1/2是一种富含巯基的蛋白质，它通过胱氨酸残基以pH依赖性的方式与铜离子结合，从而介导了铜的储存功能，但其结合和转运铜的特异性尚不清楚。
在血液中，约75%的铜离子以不可交换形式与血浆铜蓝蛋白结合，约25%的铜离子以可交换形式与人血清白蛋白结合，另外约0.2%的铜离子与组氨酸结合，在循环系统中转运，输送到各个组织细胞中。
铜的排出分为组织细胞的排出与肝脏中的排出。铜通过ATOX 1转运到上皮的另一侧，并通过ATP 7A的作用输出到血流中。肝脏是体内铜排泄的主要器官，铜离子通过门脉系统被转运到肝脏，通过ATP 7 B，过量的铜被排泄到胆汁中并离开身体。
研究人员发现，与正常患者相比，肿瘤患者的血清铜离子水平显著升高，包括肺癌、前列腺癌、乳腺癌、胆囊癌、胃癌等。铜离子在癌细胞中的正常功能取决于铜稳态的调节和不同类型蛋白质的相互作用。
铜在肿瘤细胞中的代谢与正常细胞一般无二。通过SLC 31 A1，二价的铜离子在细胞表面steap蛋白的催化下被还原为一价的铜离子进入细胞；在细胞内通过SLC 25 A3从线粒体膜间隙跨内膜转运到线粒体基质中。
细胞对铜的排泄仍旧通过ATP7A/B实现，胞内的储存主要依赖MT和GSH，胞内铜伴侣具有空间分布的特异性。细胞质中主要是ATOX 、CCS，而线粒体中主要是COX、SCO 1/2、COA 6等。

（二）铜死亡与肿瘤信号通路

铜与癌症的过程密切相关，并以直接或间接的方式影响它们。

作者将铜对癌症的影响总结成下图，分为肿瘤发生、生长、代谢、迁移、血管生成五个部分。铜直接结合或激活EGFR、PDK 1或PI 3 K以促进肿瘤发生，另外还影响MAPK和自噬途径或间接改变c-Myc稳定性以影响肿瘤生长。铜离子间接促进HIFα或间接抑制Notch途径配体Jagged 1，从而促进血管肿瘤迁移。此外，铜还可以调节PDE 3B或S6 K1，从而调节肿瘤代谢。

（三）从铜诱导的细胞死亡到铜死亡

早在20世纪80年代，科学家们就发现铜会导致细胞死亡。
2000年，人们意识到铜离子载体是一种可逆结合铜离子的脂溶性分子，在铜死亡的发现中发挥重要作用，并可能作为抗肿瘤药物。
2012年，ES转运铜并导致线粒体相关蛋白水平降低，从而导致ROS增加并进一步抑制肿瘤细胞增殖。这也与铜诱导的细胞死亡和线粒体代谢之间的相关性相一致。
2013年，人们发现铜离子被认为能够氧化抗坏血酸并与H₂O₂反应，从而在通过ES转运进入细胞后会产生更具破坏性的ROS 。
2016年，ES可作用于线粒体呼吸链，并通过ROS介导的机制导致细胞内活性氧水平升高和细胞死亡。
2019年，Tsvetkov提出，FDX 1被鉴定为与ES敏感性最相关的基因，其直接与ES-Cu结合并导致铁硫簇形成功能的抑制，并在2022年确定了铜诱导细胞死亡的机制，命名为铜死亡；铜死亡被认为与线粒体中TCA循环的组分相互作用，并涉及保守的转录后蛋白质修饰途径——脂酰化。
2021年，ESCu复合物可直接作用于线粒体膜，导致线粒体膜电位改变，低浓度ES导致超极化，高浓度ES导致去极化，而这种对线粒体膜电位的影响可被TTM抑制。
DSF-Cu复合物与Npl 4的相互作用也被认为与铜诱导的细胞死亡密切相关。铜被认为通过与Npl 4相互作用抑制p97的泛素化蛋白降解功能，可能导致其聚集或直接结合并抑制其构象转变，最终导致细胞死亡。

作者将铜死亡的机制整理成上图，主要分为四个步骤：(1)用铜离子载体直接将铜转运到细胞内;(2)过表达SLC 31 A1;(3)通过BSO抑制GSH的合成，使游离铜离子释放减少;(4)通过敲低ATP 7 B，减少铜的输出。

这几个步骤的共同结果是导致胞内铜的过度积累。过量的Cu+与脂酰化的DLAT结合，进一步导致的DLAT寡聚化、铜诱导的Fe-S稳定性降低、Npl 4-p97失活共同导致铜死亡。

（四）铜死亡关键基因：功能及临床意义

铜死亡关键基因（CKG），包括FDX1、LIAS、LIPT1、DLD、DLAT、PDHA1、PDHB、MTF1、GLS、CDKN2A、SLC31A1、ATP7A/B十三种基因。文章对其分类进行了介绍。

1、FDX1

编码铁氧还蛋白1，参与参与类固醇生成、铁硫簇等的生成，可以还原铜离子，并表现出强细胞毒性和细胞功能。在铜死亡中，FDX 1作为LA途径的上游，对蛋白质脂酰化过程起着核心作用。
与配对的正常组织相比，FDX 1表达水平在胶质母细胞瘤和女性生殖器肿瘤中上调，在实体瘤如肺腺癌和肝细胞癌中下调。这提示着EDX1或许具有生物标志物的临床意义。

2、LIPT 1、LIAS

硫辛酸是参与线粒体代谢中间体氧化脱羧酶所需的关键物质，其合成需要依赖LIPT 1、LIAS。由LIPT 1、LIAS表达的蛋白都属于LA途径，其介导蛋白质如PDC的转录后类脂修饰，对于细胞正常细胞活性和铜死亡都是至关重要的。
LIAS的缺乏导致线粒体能量代谢紊乱；LIPT 1的缺乏将导致Leigh病以及PDC缺乏；敲低LIPT 1基因的表达可防止癌细胞的生长和侵袭。

3、DLAT、DLD、PDHA1和PDHB

DLAT、DLD、PDHA1和PDHB是PDC的三个重要亚基，是线粒体有氧呼吸过程的重要组成部分，在铜死亡过程中起关键作用。
PDC通过三者协同作用产生乙酰辅酶A和NADPH，这是线粒体氧化磷酸化的控制步骤；脂酰化DLAT在铜死亡过程中发挥重要作用：其寡聚化导致蛋白毒性应激并最终导致细胞死亡；另外，高水平的PDHA1被认为与肺癌患者更好的预后相关，并可用作肿瘤微环境的生物标志物。

4、MTF 1、GLS和CDKN 2A

MTF 1、GLS和CDKN 2A被证实与细胞铜死亡敏感性相关。
MTF 1为细胞适应重金属的转录调节因子，通过与MT启动子中的金属反应元件结合，激活铜结合蛋白MT的转录
GLS将谷氨酰胺转化为谷氨酸，并参与维持谷氨酸的稳态。GLS和MTF-1可能通过影响细胞内铜离子结合物质GSH和MT的水平来影响细胞对铜中毒的敏感性。
CDKN 2A则可以与细胞周期蛋白依赖性激酶相互作用并抑制其诱导细胞周期停滞在G1期。

5、SLC 31 A1、ATP 7A/B

SLC 31 A1、ATP 7A/B负责维持铜稳态。SLC 31 A1介导铜进入细胞，而ATP 7A和ATP 7B介导铜从细胞中排出。
在临床研究中发现，SLC31A1的高表达与BRCA患者的不良临床结局相关；SLC31A1和ATP7B的微卫星与肺癌风险相关，可能影响肺癌发展的过程。

（五）铜死亡的相关基因与肿瘤预后

铜死亡自被证实以来，引起了越来越多的关注，大多数研究者对铜死亡与癌症的关系进行了探讨。研究人员使用在线数据库分析了可能在铜死亡和癌症之间的联系中发挥重要作用的众多基因中的一些，并在此基础上预测患者的癌症特征和预后。CKG具有相互作用的相关细胞功能，使这些基因中的任何一个对肿瘤预后的评估变得复杂。另外，CKG在不同的肿瘤中具有不同的作用。

如表2所示，作者已列出了由铜死亡相关基因构建的预后特征及其临床价值。

上图为铜死亡相关基因与肿瘤信号通路。铜死亡相关基因在肿瘤信号通路中占有重要地位，与肿瘤的增殖、基因组不稳定、逃避凋亡、持续血管生成和对抗生长信号不敏感等多种过程有着密切的关系。连接在一起的分子通过创建复合物来实现功能，虚线框中的分子合作实现功能。作者列出了CRG相关癌症途径和相关癌症过程中的必需基因，其中CRG以橙子标记。

（六）铜死亡和潜在的癌症治疗

铜死亡机制的发现为今后的药物研究提供了方向，而能够诱导铜死亡的铜离子载体或称铜死亡相关药物在未来的癌症治疗中可能具有一定的应用前景。

铜离子载体的形式多种多样。一些抗微生物药物也充当铜离子载体，其通过升高细胞内铜离子浓度来抑制微生物的生长。如吡啶酸锌、4-Br-A23187、二甲基二硫代氨基甲酸盐、喹啉的衍生物等。ES和DSF可以通过将铜离子易位到细胞和线粒体中来诱导细胞死亡，进一步导致DLAT寡聚化、降低的Fe-S稳定性和与Npl 4的相互作用。另外，目前正在广泛研究将铜离子与铜离子载体结合的纳米药物，并且肿瘤的靶向使得可以通过铜中毒实现更精确的肿瘤杀伤。
研究人员还发现，由铜离子载体引起的铜死亡与线粒体代谢水平之间存在显著相关性，在未来探索依赖铜死亡治疗癌症的可能药物的研究中应综合考虑这一点，实际应用如联合使用铜离子载体与作用于EGFR或BCL-2的小分子靶向药物取得了一定的临床成果。

总而言之，铜离子载体可与靶向治疗药物(如TKI和PI)联合使用，这些药物应用于线粒体代谢状态较高的肿瘤，血清LDH可用作预测因子和预后指标，分别在给药前后指导治疗。

四、总结与展望

在结论与展望部分，作者总结道：

铜死亡与线粒体呼吸水平和LA途径密切相关，但其发病机制仍有待进一步探讨：①FDX1等关键因子的具体作用途径尚未探索②在正常细胞中铜死亡被抑制的某些机制有待进一步描述。
由于缺乏足够的生物学证据和实验验证，目前仅间接证明了铜死亡与癌症之间的联系，这些基因是否在铜死亡与肿瘤之间的关系中发挥直接作用或受到两者的间接影响仍未可知。
蛋白酶体抑制剂可诱导细胞内线粒体高代谢状态，与铜离子载体联合用于肿瘤治疗也是未来可能的应用方向。

五、创新与不足

本文有五大特色。首先，紧紧扣题，每部分与铜死亡和肿瘤相扣，逻辑十分通顺；其次图文结合，本文配备了两张大表和五幅图片，在讲述对应内容时对应内容简明扼要，生动易懂；第三，文章的层次分明，每段条分缕析，先总后分；第四，作者找到的例证十分翔实，针对每一个论点有2到5甚至更多的例证，并做出了进一步阐释；最后，文章的文笔优美，采用高级词汇，句式丰富，值得学习。

与此同时，文章也有一些不足之处。首先作者部分内容重复，比如铜死亡的错误认识前后反复发讲解，造成内容上的冗余；其次，文章讲述的时候铜死亡与铜代谢的概念时而混淆，尤其是在铜死亡与肿瘤的关系部分讲述的主要是单一的铜离子参与肿瘤相关路径，与铜死亡途径关联不大；但总的来说，文章内容详实，对铜死亡相关基因以及与肿瘤的关系介绍得入木三分，十分值得学习。

写在后面

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