线粒体热蛋白质组分析揭示铜死亡中丙酮酸脱氢酶的异常激活机制

研究人员针对铜死亡(cuproptosis)机制不清的问题，开发了线粒体热邻近共聚集策略(Mito-TPCA)，发现铜通过靶向脂酰域破坏PDK-PDH复合物结合，导致PDH去磷酸化/异常激活，揭示了癌症细胞敏感性的新机制，为癌症治疗提供了潜在靶点。

　　

铜作为生命必需元素，其代谢异常与多种疾病相关。近年来发现的铜死亡(cuproptosis)是一种铜诱导的程序性细胞死亡形式，在癌症治疗中展现出潜力，但其分子机制尚不明确。传统观点认为铜主要通过产生活性氧(ROS)导致细胞死亡，但新证据表明铜死亡与线粒体铜介导的蛋白质毒性应激密切相关。特别值得注意的是，依赖线粒体代谢的细胞对铜胁迫更为敏感，暗示线粒体代谢在铜死亡中扮演关键角色。然而，铜如何精确调控线粒体蛋白相互作用网络，进而触发细胞死亡，仍是未解之谜。

为回答这一问题，北京大学、华中农业大学和南方科技大学的研究团队在《Cell Reports》发表了创新性研究成果。他们开发了活细胞线粒体热分析策略Mito-TPCA，首次系统描绘了铜死亡过程中线粒体蛋白质相互作用网络的动态变化，揭示了丙酮酸脱氢酶复合物(PDH)异常激活的核心机制。

研究团队主要运用了三大关键技术：1) 线粒体靶向的APEX2邻近标记技术，实现线粒体蛋白质组的特异性标记；2) 热邻近共聚集分析(TPCA)，通过37°C、46°C和55°C三级温度梯度监测蛋白质热稳定性变化；3) 定量质谱技术，结合TMT标记进行蛋白质组定量分析。这些技术的创新性整合，使研究人员能够在活细胞中高灵敏度地捕捉线粒体蛋白质相互作用网络的动态变化。

研究结果部分，作者通过以下系列实验揭示了铜死亡的关键机制：

Mito-TPCA揭示铜死亡中PDK与PDH复合物解离
热蛋白质组分析显示，铜处理导致丙酮酸脱氢酶激酶(PDK)与PDH复合物的核心组分DLAT（二氢硫辛酸转乙酰酶）相互作用显著减弱。免疫共沉淀实验证实，铜离子通过靶向DLAT的脂酰域，破坏了PDK1与DLAT的结合，导致PDKs从PDH复合物上解离。

PDH异常激活驱动铜死亡进程
研究发现铜诱导的PDKs解离引发了PDH E1亚基(PDHA1)关键位点(Ser293、Ser232和Ser300)的去磷酸化，通过检测细胞柠檬酸水平升高证实了PDH的异常激活。时序分析显示，PDH激活先于细胞死亡发生，且PDHA1基因敲除显著抑制了铜死亡，证实PDH激活是铜死亡的关键驱动因素。

癌症细胞对铜死亡敏感性增强的机制
研究比较了多种癌细胞(HeLa、MCF-7)与正常乳腺上皮细胞(MCF-10A)的响应差异，发现癌细胞在更低浓度铜处理下即表现出显著的PDH去磷酸化和细胞死亡。值得注意的是，PDK抑制剂JX06诱导的细胞死亡不伴随caspase-3/7激活，与传统凋亡通路不同，揭示了铜死亡独特的非凋亡性细胞死亡特征。

这项研究的结论部分指出，铜死亡通过重塑线粒体代谢网络发挥其生物学效应：铜离子靶向PDH复合物的脂酰化蛋白，破坏PDKs的结合，导致PDH去磷酸化和持续激活。这种代谢重编程迫使癌细胞从糖酵解(Warburg效应)转向线粒体氧化代谢，引发致命的代谢失衡。该发现不仅阐明了铜死亡的核心分子机制，更提供了多重理论创新：1) 首次将PDH去磷酸化/激活与铜死亡直接关联；2) 揭示了铜离子调控线粒体蛋白相互作用网络的新范式；3) 为癌症治疗提供了PDH调控这一潜在靶点。

讨论部分强调，Mito-TPCA技术的开发为研究线粒体蛋白质相互作用动力学提供了通用平台。未来研究可进一步探索：1) 铜精确结合脂酰域的结构基础；2) PDH激活下游的具体致死通路；3) 不同癌症类型对铜死亡的敏感性差异。这些发现为开发基于铜死亡机制的靶向抗癌策略奠定了重要基础，特别是针对代谢异常癌症的治疗提供了新思路。