综述：铜、铜死亡与癌症：一种新型细胞死亡的生物学概念

《Apoptosis》：Copper, cuproptosis, and cancer: biology concepts of a novel cell death

　　

铜是一种必需的微量元素，对于线粒体呼吸、氧化还原调控、铁代谢和细胞信号传导至关重要，但过量或定位错误的铜可能具有细胞毒性。铜死亡（cuproptosis）是最近被鉴定出的一种受调控的细胞死亡形式，在该过程中，铜与脂酰化的线粒体蛋白结合，促进其聚集，使铁硫簇蛋白（iron–sulfur cluster proteins）失稳，并诱导线粒体蛋白毒性应激。因此，铜在癌症中具有情境依赖的作用。生理水平的铜支持肿瘤代谢、血管生成、细胞外基质重塑以及特定的致癌信号通路，而治疗性的铜耗竭可以抑制依赖于铜的肿瘤进程。相反，铜离子载体（copper ionophores）及相关方法可能足以将细胞内铜水平提高到能够在代谢敏感的癌细胞中诱导铜死亡的程度。本综述描述了全身性和细胞内铜稳态，包括肠道吸收、细胞内运输、线粒体铜分布、储存和外排。特别关注了CTR1/SLC31A1、功能上不同的铜转运ATP酶ATP7A和ATP7B、金属硫蛋白（metallothioneins）、铜伴侣蛋白（copper chaperones）以及细胞色素c氧化酶组装因子。我们还研究了癌细胞如何重编程铜处理机制以支持增殖、血管生成、转移和免疫逃逸。最后，我们讨论了铜死亡的分子基础，包括FDX1、FDXR、LIAS、DLAT、线粒体呼吸、蛋白质脂酰化和铁硫簇失稳的作用。目前的证据表明，铜死亡的易感性因肿瘤类型而异，并取决于铜处理机制、线粒体代谢状态以及蛋白质脂酰化机制的完整性。确定这些决定因素对于开发肿瘤选择性的铜靶向疗法将是必要的。

引言

铜是一种必需的微量元素，支持关键的细胞过程，包括线粒体呼吸、氧化还原平衡、铁代谢、血管生成和信号传导。由于过量的铜可能具有毒性，细胞严格调控其摄取、运输、储存、线粒体处理和排出。在癌症中，铜代谢常常发生紊乱，从而促进恶性转化和肿瘤进展。铜转运体和伴侣蛋白的异常调节可能导致铜在癌细胞内积累或重新分布，这既造成代谢弱点，也提供了潜在的治疗靶点。虽然铜在癌症生物学中的重要性早已被认识，但最近的研究发现它还能直接诱导一种独特的受调控细胞死亡形式。铜死亡是一种新近鉴定的铜依赖性受调控细胞死亡形式，其在机制上不同于凋亡、铁死亡和其他已建立的死亡途径。铜死亡并非主要由DNA断裂、膜破坏或脂质过氧化驱动，而是与线粒体代谢密切相关。当细胞内过多的铜与三羧酸循环中的脂酰化蛋白，特别是关键线粒体酶二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶结合时，会触发铜死亡，导致蛋白质聚集、铁硫簇蛋白耗竭、线粒体蛋白毒性应激，最终导致细胞死亡。FDX1–LIAS–DLAT轴是该过程的核心，它将铜的氧化还原活性、线粒体蛋白脂酰化和对铜死亡的代谢易感性联系起来。铜死亡的发现为癌症治疗提供了新的机会，特别是对于那些铜稳态紊乱或高度依赖线粒体呼吸的肿瘤。通过干预铜转运、线粒体代谢或通过离子载体、螯合剂、转运体抑制剂或纳米医学平台实现细胞内铜积累，基于铜死亡的策略可以选择性地在癌细胞中诱导致命的线粒体蛋白毒性应激。然而，有效的临床转化需要对肿瘤特异性铜代谢、耐药机制和铜死亡调控通路有详细的理解，以最大化抗肿瘤疗效，同时最小化对正常组织的毒性。在这篇叙述性综述中，研究人员总结了控制全身和细胞铜稳态的生物学原理，并探讨了它们在癌症中的相关性。研究人员描述了铜死亡的分子机制，特别强调了线粒体呼吸、FDX1和FDXR、硫辛酸通路、脂酰化的TCA循环蛋白以及铁硫簇失稳。然后，研究人员评估了改变的铜处理机制如何促进肿瘤生长和治疗反应，并评估了与铜离子载体、螯合剂、转运体调节及其他铜靶向策略相关的机遇和局限性。

铜稳态

铜是一种必需的微量营养素，其吸收、分布、利用、储存和排泄必须受到严格控制。过量的铜会破坏氧化还原稳态并损伤蛋白质、脂质和核酸，而铜缺乏则会损害必需含铜酶的活性。全身铜平衡主要通过肠道吸收和肝脏储存及排泄来维持。膳食铜被肠上皮细胞吸收，主要通过ATP7A穿过基底外侧膜输出，运送到肝脏，通过ATP7B依赖的分巡途径掺入铜蓝蛋白，或通过ATP7B介导的胆汁排泄消除。铜还作为催化辅因子参与线粒体呼吸、抗氧化防御、铁代谢、细胞外基质成熟、神经内分泌信号传导、儿茶酚胺合成和色素沉着等酶的功能。代表性的铜依赖性酶包括细胞色素c氧化酶、Cu/Zn超氧化物歧化酶、铜蓝蛋白、亚铁氧化酶、赖氨酰氧化酶家族酶和酪氨酸酶。因此，铜失调可通过几种不同的机制影响癌症生物学，包括改变含铜酶活性、生物可利用铜的重新分布、氧化损伤以及在特定条件下的铜死亡。

全身铜代谢：吸收、转运和排泄

全身铜稳态需要协调的肠道吸收、蛋白结合转运、肝脏摄取、储存和胆汁排泄。膳食铜主要在近端小肠被吸收。Cu?主要通过铜转运蛋白1进入肠上皮细胞。ATP7A随后介导铜的基底外侧输出进入门静脉循环。在肝摄取之前，循环中的铜与白蛋白、氨基酸和其他低分子量配体结合；成熟血浆中的大部分铜由铜蓝蛋白携带。肝细胞摄取门静脉铜，并通过与金属硫蛋白和其他配体的结合缓冲部分细胞内池。ATP7B将铜转运至分巡途径以掺入铜蓝蛋白，并且当肝铜增加时，向顶端或小管腔室转运以促进胆汁排泄。铜随后被分配到外周组织，包括骨骼肌、骨骼和神经系统。

细胞内铜转运和调控

细胞内铜稳态决定了铜是安全地掺入含铜酶、被缓冲系统隔离、从细胞中排出，还是以一种可能变得有毒的形式积累。由于铜死亡依赖于线粒体代谢以及铜与脂酰化线粒体蛋白的相互作用，控制铜摄取、缓冲、亚细胞分布和外排的通路会影响细胞的易感性。

铜摄取与平衡

CTR1/SLC31A1是质膜上的主要高亲和力Cu?输入蛋白，因此在细胞铜获取中起着核心作用。进入后，铜在胞质配体、金属伴侣蛋白和细胞内区室之间转移，而不是以大量游离溶剂化离子的形式存在。大多数细胞内铜与蛋白质紧密结合，而一个更小的、动力学上可及的池参与铜的运输和信号传导。金属硫蛋白、谷胱甘肽和专门的铜伴侣蛋白限制了不适当的铜反应，并有助于将不稳定铜池维持在狭窄的生理范围内。

CCS、SOD1与氧化还原调控

超氧化物歧化酶铜伴侣蛋白将铜递送至超氧化物歧化酶1，并促进其酶活性所需的氧化成熟。SOD1主要位于胞质，在线粒体膜间隙中也存在较小的一部分，在那里它催化超氧化物歧化为过氧化氢和分子氧。此活性限制了超氧化物的积累，但也产生了过氧化氢，后者必须随后被过氧化氢酶、过氧化物氧化还原蛋白或谷胱甘肽依赖性抗氧化系统清除。CCS依赖的SOD1成熟因此有助于细胞氧化还原稳态。未立即转移给含铜蛋白的铜会被金属硫蛋白、谷胱甘肽和其他细胞内配体缓冲，从而限制不适当的铜介导的反应。

线粒体铜转运与细胞色素c氧化酶组装

线粒体需要铜来组装和激活细胞色素c氧化酶。一个可溶的低分子量铜-配体池已被鉴定存在于线粒体基质中。SLC25A3参与线粒体铜处理和细胞色素c氧化酶生物发生。细胞色素c氧化酶包含两个铜中心：COX2亚基中的CuA中心和COX1亚基中的CuB中心。铜插入这些位点需要一个在线粒体膜间隙中协调的组装因子网络。COX17将Cu?传递给SCO1/SCO2和COX11依赖性途径。SCO蛋白参与COX2中CuA中心的成熟，而COX11则有助于COX1中CuB中心的形成。这种铜传递网络的破坏会损害细胞色素c氧化酶的组装和活性，导致线粒体呼吸缺陷和氧化还原稳态改变。

在高尔基体和细胞核中的作用

反式高尔基体网络是铜向分巡途径含铜酶分配的主要细胞内位点。ATP7A和ATP7B是同源的P型铜转运ATP酶，它们从胞质伴侣蛋白ATOX1接收Cu?并将其跨过高尔基体或后高尔基体膜转运。尽管具有这种共同的生化功能，ATP7A和ATP7B具有不同的生理作用。ATP7A主要在肝外组织中起作用，介导基底外侧铜输出并将铜提供给分巡途径含铜酶。ATP7B主要在肝细胞中起作用，提供铜用于掺入铜蓝蛋白并介导通过胆汁的铜排泄。ATP7A中的致病性变异导致门克斯病，而ATP7B中的双等位基因致病性变异导致威尔逊病。铜也在细胞核内发挥作用，帮助控制基因转录。例如，充足的细胞内铜和CCS是缺氧条件下完全激活HIF-1所必需的。ATOX1也被报道能转移到细胞核并在选定的细胞模型中促进增殖和血管生成相关基因的表达。

肿瘤中铜稳态的失调

肿瘤细胞可以调整其内在的铜平衡以满足快速生长的需求，这种情况被称为铜依赖性增殖。许多恶性细胞表现出对铜需求的增加。增加的CTR1/SLC31A1表达可以增强铜内流，而ATP7A、ATP7B、铜伴侣蛋白、金属硫蛋白或囊泡运输的改变可能改变铜的外排、隔离或递送至特定的铜依赖性通路。全身性变化也可能起作用，因为在一些癌症队列中已报道血清铜和/或铜蓝蛋白水平升高。例如，含有BRAF^V600E突变的黑色素瘤细胞依赖铜来激活MAPK通路。同样，铜伴侣蛋白ATOX1可以将铜离子递送至细胞核充当转录因子，上调细胞周期蛋白D1的表达，从而促进细胞周期进程和增殖。通过重编程铜摄入和转运，癌症可以产生一个促增殖环境。铜可以通过支持缺氧响应性转录、生长因子信号传导和铜依赖性胞外酶的活性来促进肿瘤血管生成。铜倾向于增强肿瘤增殖和扩散的能力。例如，赖氨酰氧化酶及其样蛋白是铜依赖性胺氧化酶，催化细胞外基质中胶原蛋白和弹性蛋白纤维的共价交联，这对癌症转移很重要。肿瘤内显著的铜含量可以将免疫系统细胞转变为免疫抑制表型。过量的铜能够引发芬顿样反应产生羟基自由基，并通过氧化和对DNA的损伤导致基因组功能紊乱。

铜死亡及其分子通路

铜长期以来被认为是一把双刃剑——微量必需，过量有毒。直到2022年，Tsvetkov等人正式鉴定并命名了“铜死亡”作为一种由铜驱动的独特受调控细胞死亡形式。铜死亡被定义为一种铜依赖性、非凋亡的细胞死亡机制，在机制上与其他已知通路如凋亡、铁死亡和坏死性凋亡不同。在Tsvetkov等人的研究中，过量的铜被证明能致命地破坏线粒体功能，突出了线粒体是铜死亡的核心细胞器。随后的研究证实，铜死亡主要发生在依赖氧化磷酸化的细胞中，而纯糖酵解细胞相对抵抗。重要的是，铜死亡不显示凋亡或其他经典死亡通路的典型标志。铜死亡应由铜依赖性、线粒体呼吸依赖性和涉及脂酰化线粒体蛋白来定义。铜死亡过程的执行始于铜在细胞内的摄取和定位，尤其是进入线粒体。一旦进入，铜被伴侣分子如谷胱甘肽和金属硫蛋白护送，或转移给专门的铜结合蛋白。当铜水平超过细胞缓冲能力时，过量的铜离子可能被异常地运输到线粒体中。