銅死亡在腫瘤中的研究進展*

岳愷 方艷 綜述 王旭東 審校

銅是所有真核生物生長發(fā)育不可或缺的微量元素。研究表明，銅作為多種關(guān)鍵代謝酶的輔助因子[1]，在廣泛的生物活動中起重要作用，如能量轉(zhuǎn)換、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細胞增殖和血管生成等。正常情況下，細胞內(nèi)的銅濃度保持在較低水平，其吸收、分布、儲存和排出受到機體的嚴密調(diào)控，當(dāng)銅穩(wěn)態(tài)被打破時，細胞會發(fā)生一系列代謝障礙，引起多種疾病，如門克斯病[2]和威爾遜氏病[3]。多項研究表明，與健康組織相比，包括乳腺癌[4]、甲狀腺癌[5]、肺癌[6]和卵巢癌[7]在內(nèi)的多種惡性腫瘤組織和血清中含有更高的銅水平，而高水平的銅離子與腫瘤的增殖與轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。

細胞死亡逃逸是腫瘤的重要特征之一。研究發(fā)現(xiàn)，細胞凋亡以及其他調(diào)節(jié)性細胞死亡（regulated cell death，RCD）方式在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中具有不容忽視的作用[8]。近年來，針對RCD 通路的生化特征及分子機制的深入探索為惡性腫瘤的治療提供了多種靶點。2022 年Tsvetkov 等[9]提出一種銅依賴的新型細胞死亡形式，稱為銅死亡（cuproptosis），因其在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展與治療等方面具有重要作用而廣受關(guān)注。本文對cuproptosis 的發(fā)生機制及其在不同腫瘤中的最新進展及銅離子載體在腫瘤治療方面的研究現(xiàn)狀進行綜述。

1 銅代謝

在細胞內(nèi)，銅離子通過與一系列銅穩(wěn)態(tài)相關(guān)蛋白的相互作用發(fā)揮功能。Cu2+在血液中通過與血漿蛋白（如銅藍蛋白、白蛋白等）[10]結(jié)合被運輸至細胞表面后，在金屬還原酶如人前列腺6-跨膜上皮抗原（human sixtransmembrane epithelial antigen of prostate，STEAP）蛋白的催化下還原為Cu+，隨后在銅轉(zhuǎn)運蛋白1（copper transporter 1，CTR1）［或稱為溶質(zhì)載體家族31 成員1（solute carrier family 31 member 1，SLC31A1）］介導(dǎo)下轉(zhuǎn)運至細胞內(nèi)[11]。通過與不同伴侶蛋白結(jié)合，Cu+被輸送至相應(yīng)蛋白質(zhì)靶點發(fā)揮作用。位于線粒體膜間的細胞色素C 氧化酶銅伴侶蛋白17（cytochrome c oxidase copper chaperone 17，COX17）將Cu+轉(zhuǎn)運至下級攜銅蛋白，包括細胞色素C 合成氧化酶1/2（synthesis of cytochrome c oxidase 1/2，SCO1/2）和COX11，并進一步遞送至細胞色素C 氧化酶（cytochrome c oxidase，COX），以激活線粒體呼吸鏈中酶的活性。超氧化物歧化酶銅伴侶蛋白（copper chaperone for superoxide dismutase，CCS）將Cu+轉(zhuǎn)運至超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD1）發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用[12]。抗氧化劑-1（antioxidant-1，ATOX1）一方面將Cu+運輸至細胞核，使其與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合調(diào)控目的基因表達，另一方面將Cu+遞送到銅轉(zhuǎn)運ATP 酶（copper-transporting ATPase），參與維持胞內(nèi)Cu+的正常水平。此外，銅儲存蛋白如金屬硫蛋白1/2（metallothionein 1/2，MT1/2）和谷胱甘肽（glutathione，GSH）具有高度的銅親和力，過量的Cu+與MT 或GSH 結(jié)合，可以使細胞內(nèi)的Cu+保持在生理水平，從而防止其對細胞造成損傷（圖1）。

圖1 細胞水平銅代謝

2 cuproptosis 發(fā)生機制

cuproptosis 是由Tsvetkov 等[9]首次提出的銅引發(fā)、依賴于線粒體呼吸的新型細胞死亡途徑。細胞內(nèi)異常積累的銅離子與三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)中脂酰化組分直接結(jié)合，這些線粒體脂化蛋白的聚集以及隨后出現(xiàn)的鐵-硫簇蛋白的丟失誘發(fā)蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激，進而導(dǎo)致細胞死亡。

銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡具有銅依賴性[9]。伊利司莫（elesclomol，ES）是一種高效的銅離子載體，以ES-Cu2+復(fù)合物形式將Cu2+攜入胞內(nèi)。在線粒體鐵氧還蛋白1（ferredoxin 1，F(xiàn)DX1）介導(dǎo)下，Cu2+還原為Cu+并被釋放[13]。銅離子載體單獨處理或加入鐵等其他金屬離子不會影響細胞生長，但當(dāng)加入銅離子后細胞生長受到抑制。

銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡機制不同于已知的細胞死亡途徑。Tsvetkov 等[9]發(fā)現(xiàn)ES 介導(dǎo)的細胞死亡并不影響細胞凋亡標(biāo)志caspase-3 的活性；敲除細胞凋亡關(guān)鍵效應(yīng)因子或應(yīng)用泛caspase 抑制劑處理細胞時，ES 的殺傷毒性保持不變。此外，采用多種已知的細胞死亡抑制劑，如鐵死亡抑制劑ferrostatin-1，均未能消除ES 誘導(dǎo)的細胞死亡。

銅離子載體誘導(dǎo)的細胞死亡受線粒體呼吸調(diào)控。研究表明，依賴線粒體呼吸的細胞對ES 的敏感性遠高于依賴糖酵解的細胞（近1000 倍）[9]。電子傳遞鏈復(fù)合物抑制劑和線粒體丙酮酸攝取抑制劑處理細胞能緩解細胞死亡，而線粒體解偶聯(lián)劑卻無明顯影響。此外，ES 脈沖處理細胞后，僅TCA 循環(huán)相關(guān)代謝物的失衡呈時間性增加。

FDX1 和蛋白質(zhì)脂酰化是cuproptosis 的關(guān)鍵調(diào)控因子。通過全基因組CRISPR/Cas9 功能缺失篩選，Tsvetkov 等[9]發(fā)現(xiàn)了包括FDX1、LIAS 和DLAT 在內(nèi)的7 個cuproptosis 相關(guān)基因（cuproptosis-related genes，CRGs），見表1。敲除FDX1 和LIAS，細胞獲得cuproptosis 抵抗，表明FDX1、蛋白質(zhì)脂酰化與cuproptosis 密切相關(guān)。在FDX1 的調(diào)控下，LIAS 將脂酰部分連接至DLAT，形成脂?；疍LAT；Cu+與脂?；疍LAT 直接結(jié)合，導(dǎo)致后者異常寡聚化；同時鐵-硫簇蛋白呈FDX1 依賴性喪失，以上反應(yīng)誘發(fā)細胞產(chǎn)生蛋白毒性應(yīng)激進而死亡（圖2）。

表1 銅死亡相關(guān)基因

圖2 銅死亡分子機制

3 cuproptosis 與腫瘤的關(guān)系

3.1 cuproptosis 與惡性腫瘤發(fā)生、發(fā)展的相關(guān)性

cuproptosis 可能參與多種惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，與相應(yīng)的正常組織相比，不同CRGs 在多種腫瘤類型中存在差異表達，同一CRGs 在不同腫瘤類型中的表達水平也存在差異。CRGs 與腫瘤患者的病理分期和預(yù)后預(yù)測密切相關(guān)。Ma 等[14]發(fā)現(xiàn)DLD、PDHA1 和PDHB1 在癌癥基因組圖譜（TCGA）數(shù)據(jù)庫幾乎所有腫瘤中的表達水平高于其他CRGs，F(xiàn)DX1 在腎上腺皮質(zhì)癌中的表達水平最高。與相應(yīng)的正常組織相比，淋巴樣腫瘤、彌漫性大B 細胞淋巴瘤和胸腺瘤中CRGs 的轉(zhuǎn)錄水平均顯著升高。cuproptosis 相關(guān)風(fēng)險模型對腎透明細胞癌、肝細胞癌、間皮瘤和胃腺癌患者而言具有良好的預(yù)后預(yù)測價值。Liu等[15-16]發(fā)現(xiàn)CRGs 的差異表達與腎透明細胞癌和甲狀腺癌的病理分期之間的相關(guān)性最為顯著。生存分析表明腎乳頭狀細胞癌患者的生存風(fēng)險與CRGs 的差異表達相關(guān)程度最高。此外，cuproptosis 評分系統(tǒng)與腫瘤免疫微環(huán)境密切相關(guān)。研究表明，與高cuproptosis 評分組相比，低cuproptosis 評分組腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME）中癌癥相關(guān)成纖維細胞浸潤程度更高[14]。B 細胞、中性粒細胞和肥大細胞的浸潤水平因癌癥類型而異。

3.2 cuproptosis 與肝細胞癌

FDX1 通過cuproptosis 在肝細胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）中發(fā)揮抗腫瘤活性[17]。研究表明，與正常肝組織相比，F(xiàn)DX1 在HCC 中表達顯著下調(diào)，其表達水平降低與患者的不良預(yù)后有關(guān)[18-19]。CRGs預(yù)后風(fēng)險評分顯示，高風(fēng)險組患者的總生存期（overall survival，OS）明顯降低[18]。Gao 等[20]根據(jù)4 種與預(yù)后相關(guān)的CRGs 構(gòu)建cuproptosis 預(yù)后模型，并利用3個關(guān)鍵基因（DLAT、CDKN2A 和LIPT1）的cuproptosis 特征量化預(yù)后評分，結(jié)果表明CRGs 預(yù)后風(fēng)險評分是HCC 的獨立預(yù)后因素，且CRGs 評分低者生存率更高，提示CRGs 預(yù)后評分可能是HCC 患者可靠的生物標(biāo)志物。基于DLAT、CDKN2A 和LIPT1在HCC 的作用，研究人員利用在線數(shù)據(jù)庫和實驗驗證進行表達分析發(fā)現(xiàn)與正常組織相比，CDKN2A、DLAT 和LIPT1 在HCC 組織中表達顯著升高，與臨床分期和分級呈正相關(guān)。利用ES 處理HCC 細胞后發(fā)現(xiàn)PLC/PRF/5 細胞活力降低，DLAT 表達水平升高，而降低DLAT 表達后，PLC/PRF/5 細胞活力得以回復(fù)，表明DLAT 在HCC 進展中發(fā)揮重要作用。

3.3 cuproptosis 與結(jié)直腸癌

近年來，CRGs 在結(jié)直腸癌（colorectal cancer，CRC）中的臨床價值受到廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)CRGs 在CRC 組織和正常組織之間有表達差異，基于CRGs 的風(fēng)險評分系統(tǒng)對CRC 患者的預(yù)后具有良好的預(yù)測價值；高危組和低危組的CRC 患者在免疫浸潤程度上存在顯著差異，并且高危組的免疫細胞和間質(zhì)細胞浸潤水平更高，免疫逃逸能力更強，免疫治療反應(yīng)更差[21-22]。

同時，研究者也積極探索cuproptosis 在CRC 進展中的作用。Yang 等[23]發(fā)現(xiàn)ES-Cu 脈沖處理能顯著抑制CRC 細胞系HCT116、LoVo 和奧沙利鉑耐藥細胞系HCT116-R 的增殖活力，促進細胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)DX1、SDHB、DLAT 和DLST 4 種CRGs 在CRC 組織中的表達低于正常組織，并且這些基因的過表達與更好的生存率相關(guān)。該研究還發(fā)現(xiàn)4-辛酯衣康酸（4-octyl itaconate，4-OI）能增強ES-Cu 誘導(dǎo)的cuproptosis，而敲降FDX1 可顯著抑制這種作用。研究表明，4-OI 可通過靶向甘油醛-3-磷酸脫氫酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase，GAPDH）抑制有氧糖酵解過程，進而增強CRC 對cuproptosis 的敏感性。裸鼠異種移植大腸癌模型顯示，與對照組及ES 單獨處理組相比，ES 聯(lián)合4-OI 組的裸鼠腫瘤體積明顯減小，腫瘤增殖活力更低，表明ES 與4-OI 的聯(lián)合應(yīng)用可能在CRC 治療中發(fā)揮良好的抗腫瘤效果。

3.4 cuproptosis 與腎透明細胞癌

研究表明，腎透明細胞癌（clear cell renal cell carcinoma，ccRCC）組織中FDX1 表達顯著降低，與TNM 分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移及不良預(yù)后相關(guān)[24-25]。Xie 等[26]發(fā)現(xiàn)FDX1 是ccRCC 細胞的腫瘤抑制因子，F(xiàn)DX1 的表達與ccRCC 的發(fā)生、發(fā)展呈負相關(guān)。miR-21-5p 可直接結(jié)合FDX1 的3'-UTR 介導(dǎo)其降解，miR-21-5p 抑制劑能夠抑制ccRCC 細胞的生長和侵襲，降低FDX1 的表達水平可使這種作用被抑制。該研究還發(fā)現(xiàn)miR-21-5p/FDX1 軸與免疫細胞如CD4+T 細胞和巨噬細胞的浸潤密切相關(guān)，表明該信號軸可能通過介導(dǎo)TME 成分驅(qū)動ccRCC 的進展，提示靶向FDX1 可能為ccRCC 的治療提供新思路。

3.5 cuproptosis 與其他惡性腫瘤

通過TCGA 和癌癥藥物敏感性基因組學(xué)（GDSC）數(shù)據(jù)庫分析，Peng 等[27]發(fā)現(xiàn)CRGs 在頭頸部鱗狀細胞癌（head and neck squamous cell carcinoma，HNSCC）組織中異常表達；CRGs 可作為HNSCC 患者的預(yù)后生物標(biāo)志物；CRGs 的表達與免疫細胞浸潤相關(guān)，并且與順鉑和多西他賽的治療敏感性顯著相關(guān)，提示免疫/化療藥物與靶向CRGs 藥物的聯(lián)合應(yīng)用有望提高HNSCC 患者的治療療效。

Sha 等[28]發(fā)現(xiàn)在三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC）中CRGs 的表達變化具有顯著異質(zhì)性。CRGs 表達失衡在TNBC 進展中具有重要作用。根據(jù)中位風(fēng)險評分將所有患者分為高風(fēng)險組和低風(fēng)險組，結(jié)果顯示低風(fēng)險組患者的OS 更長，預(yù)后更佳，表明CRGs 是TNBC 良好的預(yù)后預(yù)測因素。

通過聯(lián)合CRGs 與胰腺癌生物標(biāo)志物構(gòu)建cuproptosis 相關(guān)基因指數(shù)（cuproptosis-related gene index，CRGI），Huang 等[29]發(fā)現(xiàn)與高CRGI 組相比，低CRGI 組患者預(yù)后更好，并且與其他預(yù)后預(yù)測因子相比，CRGI 的預(yù)測效果最佳，提示CRGI 是胰腺癌患者的獨立預(yù)后因素。

3.6 cuproptosis 與腫瘤治療

對于依賴線粒體代謝供能的惡性腫瘤[30]，cuproptosis 可能成為潛在的治療靶點。研究表明，銅離子載體可通過誘發(fā)cuproptosis 應(yīng)用于線粒體代謝活躍的惡性腫瘤[30]。ES 是一種強效的銅離子載體，研究發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤對ES 的敏感性與腫瘤細胞代謝途徑密切相關(guān)，線粒體代謝活躍程度越高，ES 的臨床治療反應(yīng)越好[31]。Wang 等[32]發(fā)現(xiàn)鐵死亡誘導(dǎo)劑（ferroptosis inducers，F(xiàn)INs）索拉非尼和埃拉斯汀與ES-Cu 聯(lián)合治療，與單獨使用ES-Cu 相比，能顯著增強肝癌細胞中的DLAT 聚集，促進細胞發(fā)生cuproptosis，而沉默LIAS或FDX1 可逆轉(zhuǎn)上述結(jié)果，說明FINs 可以促進ESCu 誘導(dǎo)的肝癌細胞死亡。該研究發(fā)現(xiàn)這種促進作用是通過FINs 消耗胞內(nèi)GSH 以及抑制FDX1 蛋白降解進而促進線粒體蛋白脂?；瓿?。體內(nèi)研究表明，與單藥治療相比，ES-Cu 聯(lián)合索拉非尼可顯著抑制裸鼠體內(nèi)肝癌的生長，并且肝癌細胞內(nèi)DLAT 聚集更明顯，說明索拉非尼在體內(nèi)促進肝癌細胞發(fā)生cuproptosis。既往研究表明，包括索拉非尼在內(nèi)的FINs 可誘導(dǎo)肝癌細胞發(fā)生鐵死亡（ferroptosis），抗腫瘤治療效果顯著。因此，聯(lián)合索拉非尼和ES-Cu，共同靶向ferroptosis 和cuproptosis，可作為一種潛在的肝癌治療策略。雖然ES 臨床應(yīng)用的安全性已得到證實，但與其相關(guān)的臨床試驗并未取得理想的治療效果，這可能與ES 在血液循環(huán)中容易被清除，無法達到殺傷腫瘤細胞的有效藥物濃度有關(guān)[31]。近年來，結(jié)合ES-Cu 的納米藥物正在被廣泛研發(fā)，其在體內(nèi)良好的穩(wěn)定性和靶向性使通過cuproptosis 實現(xiàn)精準(zhǔn)的腫瘤殺傷作用成為可能[33]。未來進一步探索銅離子載體敏感的腫瘤類型及其藥物作用機制，對于cuproptosis 靶向治療策略的研發(fā)具有重要臨床價值。

4 結(jié)語與展望

cuproptosis 參與多種腫瘤的發(fā)生、發(fā)展，其相關(guān)基因有望作為潛在的腫瘤分子診斷標(biāo)志、預(yù)后預(yù)測因子和治療靶標(biāo)。cuproptosis 的重要分子機制已較為明確，但有關(guān)cuproptosis 其他方面的研究仍有待進一步開展，如cuproptosis 在分子或細胞水平的特征性變化等。銅離子載體在線粒體呼吸活躍的腫瘤中具有突出的治療效果，而某些化療/靶向藥物如順鉑及抗表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）等能夠提升腫瘤細胞線粒體代謝水平。因此，化療/靶向藥物與銅離子載體聯(lián)合應(yīng)用，通過促進腫瘤細胞cuproptosis 有望提高腫瘤治療療效。綜上所述，cuproptosis 在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用值得深入探究，靶向cuproptosis 的治療新策略具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文無影響其科學(xué)性與可信度的經(jīng)濟利益沖突。