《BioMetals》：Balancing cellular copper levels via the post-translational regulation of copper transport
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铜（Cu）是生命所必需的酶辅因子，为大量生物过程提供动力。然而，细胞处于一种微妙的平衡状态，铜过多和过少都可能导致功能障碍。这些风险在门克斯病（Menkes disease）患者身上得到了体现，铜缺乏会导致神经发育迟缓和儿童早期死亡；而肝豆状核变性（Wilso
铜（Cu）是生命所必需的酶辅因子，为大量生物过程提供动力。然而，细胞处于一种微妙的平衡状态，铜过多和过少都可能导致功能障碍。这些风险在门克斯病（Menkes disease）患者身上得到了体现，铜缺乏会导致神经发育迟缓和儿童早期死亡；而肝豆状核变性（Wilson’s disease）患者则因铜过载导致肝损伤、行为改变和运动障碍。铜也是一种主要的细胞应激源，在包括神经退行性疾病和癌症在内的许多其他病理中发挥作用。因此，细胞通过高度保守的摄取、外排和分布机制来严格调控铜负荷。尽管这些机制已有充分记载，但关于细胞如何感知和响应铜水平偏离的研究仍较少。这一功能可能在于控制铜转运蛋白的广泛翻译后修饰（PTMs），其中糖基化、磷酸化和泛素化的协同作用影响其活性、细胞内运输和稳定性。铜还影响施加这些PTMs的机制，为细胞“感知”铜水平提供了潜在机制。本综述探讨了这一假说，审视了我们目前关于PTMs如何被铜调节，以及它们如何控制铜转运蛋白对波动的铜负荷作出反应的知识。进一步探究细胞如何感知和响应铜水平偏离，可能有助于有效诊断和治疗许多与铜水平失调相关的疾病。
铜稳态对维持我们的健康至关重要
要理解翻译后修饰在铜转运调控中的作用，我们首先必须简要回顾铜转运的机制。铜（Cu）具有氧化还原活性，在氧化的铜离子（Cu(II)）和还原的亚铜离子（Cu(I)）之间转换。只有Cu(I)可以被导入细胞并插入铜蛋白中；因此，Cu(II)在质膜上或在铜导入期间被还原为Cu(I)。这一机制尚未完全明确，尽管酵母中的还原酶蛋白和哺乳动物中的STEAP蛋白被推测参与这一作用。
CTR1对铜的摄取
CTR1（或SLC31A1）在质膜上普遍表达，形成孔状对称三聚体，促进铜从细胞外空间被动转运进入细胞。Ctr1?/?小鼠在胚胎发生中期之前死亡，表现出生长迟缓和发育缺陷，且无法通过补充铜来挽救。肠道特异性Ctr1?/?小鼠能够存活，但表现出严重的生长缺陷、心脏肥大、肝脏铁积累，并在断奶年龄死亡。
次级铜导入蛋白CTR2（或SLC31A2）主要定位于晚期内体和溶酶体，可能参与从这些结构中释放铜，因为Ctr2?/?小鼠的大脑和肥大细胞中的囊泡内铜积累。尽管在基础条件下CTR2不太可能作为膜铜导入蛋白，但它可能被招募到膜上以补充铜导入，因为CTR2过表达可提高COS-7细胞中的铜摄取。
CTR1在极化细胞（如肠道上皮细胞）中的定位一直是争论的主题。CTR1最初通过免疫荧光在顶膜检测到，表明CTR1可能从饮食中摄取铜。然而，后来的功能研究提供了证据表明CTR1可能位于基底外侧膜并从血液中摄取铜。在Caco-2细胞中，基底外侧膜的放射性同位素铜摄取比顶膜高12倍。两项独立工作也通过表面特异性生物素化、免疫染色和共聚焦显微镜检测到CTR1主要位于基底外侧膜。有趣的是，有研究观察到顶膜表面下方有一些染色，而另一项研究在肠道特异性Ctr1?/?小鼠中注意到稀疏的CTR1阳性细胞具有顶膜定位。有人提出CTR1可能存在于未分化细胞的顶膜，这可能解释了围绕CTR1定位的争议。铜水平的改变也可能解释一些早期发现。在铜缺乏的P16小鼠中观察到顶膜CTR1水平显著升高，低铜饮食也显示总CTR1和顶膜CTR1丰度升高。这提出了可能性，即在基础条件下CTR1可能主要位于基底外侧膜，但在铜缺乏时可能转位至顶膜。
即使CTR1导入被阻断，铜仍可被吸收到肠道上皮细胞中，这表明CTR1可能不是该过程所必需的，或者可能存在多种铜转运蛋白来补偿CTR1功能丧失。二价金属转运蛋白1（DMT-1）可能对此有所贡献，因为Dmt-1过表达可刺激Cu(II)导入，且DMT-1可以在CTR1敲除模型中部分补偿CTR1功能降低。然而，其主要作用存在争议，因为肠道特异性Dmt-1?/?小鼠的铜摄取没有显著减少。需要更多的工作来理解铜如何从饮食中被吸收到小肠以及涉及哪些蛋白质。
通过伴侣蛋白和其他铜结合分子进行铜的分配和管理
由于本综述侧重于铜转运蛋白的翻译后调控，我们将仅简要概述细胞内铜管理的关键参与者。游离铜离子具有高反应性，由谷胱甘肽（GSH）或富含半胱氨酸的金属硫蛋白（MTNs）等配体缓冲。伴侣蛋白还引导铜到达关键细胞器和铜酶。ATOX1引导铜到达反式高尔基体网络（TGN）分泌途径中的铜外排蛋白ATP7A/B。有人提出亲和力梯度驱动铜到达其细胞目的地，因为铜酶对其各自伴侣蛋白具有更高的铜亲和力。目前尚不清楚铜如何从CTR1转移到伴侣蛋白，尽管铜可以从CTR1的C末端释放到ATOX1，CCS也可以在膜上与CTR1相互作用。另一个假说是GSH可能作为CTR1和伴侣蛋白之间的中间体，因为GSH的减少会减慢铜导入速率，而伴侣蛋白的减少则没有影响。
铜也是几种线粒体蛋白所必需的，包括电子传递蛋白细胞色素c氧化酶（CcO）和抗氧化剂超氧化物歧化酶1（SOD1）。在线粒体膜间隙和细胞质中，伴侣蛋白CCS将铜递送至SOD1。包括COX17、COX11、SCO1和SCO2在内的几种伴侣蛋白将铜引导至CcO，COX19和COX23也协助该酶的组装。鉴于线粒体对铜的高需求，线粒体铜转运机制已开始被研究。线粒体基质具有高铜水平，超出了CcO和SOD1所需，这表明线粒体可能在基质中缓冲和储存铜，并通过未知机制将其转运到膜间隙以整合到铜酶中。据认为，阴离子非蛋白质配体CuL可以将铜转运穿过线粒体外膜，尽管该蛋白质的身份及其穿越膜的机制仍然未知。磷酸盐转运蛋白SLC25A3已被证明可以跨线粒体内膜转运铜。SLC25A3的缺失仅部分降低了铜水平和CcO活性，表明它不是参与此转运步骤的唯一蛋白质。线粒体铁转运蛋白MRFN1/2也可以转运铜，并可能补充SLC25A3的活性。
铜负荷也由几种铜结合转录因子管理。金属调节转录因子1（MTF1）调节SLC25A3、ATP7A/B和MTNs的基因表达。MTF1在调节哺乳动物CTR1中的作用尚不清楚，但果蝇铜导入蛋白Ctr1B确实被MTF-1上调。特异性蛋白1（SP1）在转录水平上调节CTR1和ATP7A。ATOX1也作为铜响应转录因子发挥作用，最近被证明与CRIP2蛋白相互作用以调节小鼠骨骼肌成肌细胞分化并在癌细胞中激活自噬。
ATP7A和ATP7B的铜外排
铜ATP酶蛋白由X连锁的ATP7A和常染色体的ATP7B编码，控制铜外排，分别与铜代谢紊乱门克斯病和肝豆状核变性相关。由于酵母和昆虫只有一种铜ATP酶，ATP7A/B被认为是由基因复制产生的。ATP7A是必需的，在整个发育过程中普遍表达。半合子雄性小鼠的Atp7A敲除是胚胎致死的，E10.5胚胎表现出生长迟缓和形态缺陷。ATP7B主要在肝脏和小肠中表达，似乎在铜稳态中发挥更专门的作用。Atp7B?/?小鼠能够存活，与野生型对照相比没有表现出可检测的表型变化。它们出生时全身铜水平较低，在生命的最初几个月内铜在肝脏中迅速积累。Atp7B?/?无效母鼠的乳汁中铜分泌受损，从这些小鼠哺乳的幼崽会出现严重的铜缺乏、生长受损和神经系统症状。
ATP7A/B的活性由ATOX1将铜递送至其N末端金属结合域来刺激，并由GSH和谷氨还蛋白促进。ATP7A/B根据铜负荷在铜递送和外排中发挥双重作用。在基础条件下，ATP7A/B与TGN标志物共定位，并促进铜递送至分泌途径铜酶，如高尔基体腔中的酪氨酸酶和赖氨酰氧化酶。缺乏功能性ATP7A的小鼠由于这些酶的功能降低而表现出色素减退的毛色和卷曲的胡须。当铜水平升高时，ATP7A/B通过囊泡和囊泡介导的融合转移到质膜，以促进其外排作用。
