Cell Metabolism：王晓东团队铜死亡最新研究，发现新型铜离子转运蛋白，并揭示其在铜死亡中的关键作用

众所周知，多细胞生物在发育过程中，存在着多种预定的、受到精确控制的细胞程序性死亡，例如细胞凋亡（Apoptosis）、坏死性凋亡（Necroptosis）、细胞焦亡（Pyroptosis），以及铁死亡（Ferroptosis）等。

铁死亡是2012年由哥伦比亚大学 Brent Stockwell 团队发现的一种铁依赖性的新型细胞程序性死亡方式，由过度堆积的过氧化脂质（peroxidized lipids）诱导发生【1】。

十年后，哈佛-MIT博德研究所的 Todd Golub 团队发现了一种不同于已知细胞死亡机制的新型细胞死亡方式——铜死亡（Cuprotosis）【2】。这种铜依赖性细胞死亡是通过铜离子与线粒体呼吸中的三羧酸循环（TCA）中的脂酰化成分直接结合而发生的，导致脂酰化蛋白质聚集和随后的铁硫簇蛋白下调，从而导致蛋白质毒性应激并最终导致细胞死亡。

铜（Cu）作为几种代谢酶的辅助因子，通过电子转移活性在稳定蛋白质结构和催化反应方面发挥作用。含铜的酶参与多种细胞过程，包括线粒体呼吸、氧自由基清除以及神经肽和神经递质的合成。哺乳动物体内铜缺乏会导致共济失调、神经元变性、认知缺陷、心肌肥大和免疫缺陷。相反，铜过载对细胞代谢有害，并导致上述名为铜死亡的细胞死亡形式，铜的体内平衡必须由膜转运系统进行精确调节。 

2024年8月6日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院王晓东团队与郑三多团队合作，在 Cell Metabolism 期刊发表了题为：Zinc transporter 1 functions in copper uptake and cuproptosis 的研究论文。

该项研究首次发现并证明了锌离子转运蛋白1（ZnT1）不仅发挥着将锌离子（Zn²⁺）转运出细胞的功能，还发挥着将铜离子（Cu²⁺）转运进细胞的功能，而且是Cu²⁺诱导的铜死亡（Cuprotosis）所必需的。

该研究证明了ZnT1作为Zn²⁺和Cu²⁺的双重转运蛋白发挥作用，参与铜死亡和Cu²⁺代谢，并有可能成为利用Zn²⁺治疗由铜过载引起的威尔逊病的靶点。

负责高亲和力铜摄取的转运蛋白是铜摄取蛋白1（CTR1），可直接介导铜进入细胞，并通过铜依赖性亚铁氧化酶调节铁的摄取。CTR1在组织中广泛表达，CTR1的遗传失活会因铜供应不足导致胚胎致死。有趣的是，即使CTR1失活，但铜仍可在肠上皮细胞中积累，这表明还存在着其他铜转运蛋白。 

在人体细胞中，铜的输出由两种同源的铜转运P型ATP酶——ATP7A和ATP7B介导。ATP7A在所有肝外组织中表达，并将肠道中的铜输出到血液中，以便进一步分布到组织中。ATP7A的遗传性功能缺失突变会导致门克斯病（Menkes disease），其特征是血液、大脑和肝脏中铜缺乏，以及其他组织中铜积累。而ATP7B在肝脏中大量表达，并将肝脏中的铜输出到胆汁中，ATP7B的错义突变会导致威尔逊病（Wilson’s disease），其与肝脏中的铜过载有关。

醋酸锌作为铜吸收抑制剂，已被批准用于治疗威尔逊病，然而，锌离子（Zn²⁺）抑制铜摄取的机制仍不清楚。 

在哺乳动物中，锌的外流和摄取分别由锌离子转运蛋白（ZnT）家族和锌铁转运蛋白（ZIP）家族所控制，其中，ZnT家族由十个成员组成，分别被命名为ZnT1 - ZnT10。这些成员要么位于质膜上，要么位于细胞内囊泡中，它们介导锌从细胞质流向细胞外环境或细胞内囊泡。

ZnT1是第一个被克隆的ZnT家族成员，其位于质膜上，通过介导细胞质锌外流来保护细胞免受锌毒性的影响。ZnT1在胚胎发育中发挥重要作用，在小鼠中敲除ZnT1基因会导致早期胚胎死亡。ZnT1的体细胞突变会增加醛固酮浓度，导致原发性醛固酮增多症。 、

在这项最新研究中，研究团队使用全基因组CRISPR-Cas9筛选来寻找其缺失会赋予对 铜离子（Cu²⁺）触发的铜死亡抗性的基因，确定了ZnT1是首要命中基因。

质谱分析表明，在ZnT1基因敲除的细胞中，Cu²⁺的摄取受到损害。研究团队将纯化的ZnT1重组到脂质体中证明了ZnT1的Cu²⁺转运活性。在无配体（apo）和结合Zn²⁺状态下的ZnT1冷冻电镜（cryo-EM）结构以及功能测定揭示了ZnT1转运Cu²⁺的合理机制。在小鼠肠上皮细胞中条件性敲除ZnT1基因，会导致这些细胞中铜水平降低，并导致 Lgr5⁺干细胞的缺失。

具体来说，该研究表明，已知的将锌离子（Zn²⁺）转运出细胞的锌转运蛋白1（ZnT1），还发挥着将铜离子（Cu²⁺）转运进细胞的功能，而且还是Cu²⁺诱导的细胞死亡（铜死亡）所必需的。结构分析和功能表征表明，Cu²⁺和Zn²⁺共享相同的主要结合位点，使得Zn²⁺能够竞争Cu²⁺的摄取，这也解释了醋酸锌作为铜吸收抑制剂来治疗威尔逊病的作用机制（Zn²⁺通过与Cu²⁺竞争ZnT1的结合位点，抑制了其对Cu²⁺的摄取）。

在ZnT家族成员中，ZnT1具有独特的亚基间二硫键，能稳定两个原聚体（protomer）的向外开放构象，以促进有效的Cu²⁺转运。肠上皮中ZnT1基因的特异性敲除会导致铜缺乏，从而导致Lgr5⁺干细胞的缺失。

总的来说，该研究证明了ZnT1作为Zn²⁺和Cu²⁺的双重转运蛋白发挥作用，参与铜死亡和 Cu²⁺代谢，并有可能成为利用Zn²⁺治疗由铜过载引起的威尔逊病的靶点。