張 瑩, 色 瑤綜述, 姜宏佺審校
銅作為人體所必需的微量元素,主要分布在肝臟、血液和腦組織中,并以亞銅離子(Cu+)和銅離子(Cu2+)的形式分別參與細胞內(nèi)多種生理功能,包括參與細胞呼吸、神經(jīng)肽加工和鐵運輸?shù)妊醮x、維持鐵穩(wěn)態(tài)、合成膠原蛋白等[1,2];在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,銅又對調(diào)節(jié)突觸功能、參與髓鞘形成以及淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)運輸?shù)劝l(fā)揮作用[3]。然而,細胞內(nèi)過量的銅會導致自由基產(chǎn)生增多,引起蛋白質(zhì)構(gòu)象改變或使酶活性受損[4]。因此,銅的穩(wěn)態(tài)對于維持機體正常生命活動十分重要。研究表明,銅穩(wěn)態(tài)是由銅轉(zhuǎn)運ATP 酶α、β(ATP7A、ATP7B)、銅轉(zhuǎn)運蛋白(copper transporter 1,CTR1)和多種胞質(zhì)銅伴侶共同介導的[1]。
銅穩(wěn)態(tài)的失調(diào)已被證明參與了肝豆狀核變性(hepatolenticular degeneration, HD)、帕金森?。≒arkinson disease, PD)等多種神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病過程[5]。肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)也是一種神經(jīng)退行性疾病,其病理特征為上、下運動神經(jīng)元的變性損害[6]。ALS 的發(fā)病機制尚不明確,近年來的研究主要集中在錯誤蛋白異常沉積、細胞器功能障礙、興奮性氨基酸毒性等方面[7]。目前有研究發(fā)現(xiàn),細胞內(nèi)銅的異常聚集,可能參與ALS 疾病的發(fā)病機制,損害了運動神經(jīng)元功能和形態(tài)[8]。本文通過綜述銅穩(wěn)態(tài)失調(diào)在ALS 發(fā)病機制的研究進展,提出了維持銅穩(wěn)態(tài)可能為ALS 治療提供新靶點的展望。
食物中的銅主要以Cu2+的形式存在,被還原為Cu+后,在CTR1 的作用下被腸道吸收,進入血液循環(huán)[4,9]。在血液中,銅與銅藍蛋白(ceruloplasmin,CER)等轉(zhuǎn)運蛋白相結(jié)合,經(jīng)銅轉(zhuǎn)運ATP 酶α(ATP7A)釋放入門靜脈循環(huán),由此進入肝臟[10]。儲存在肝細胞中的銅可以被分配到相應組織,其中,ATP7A 起到促進銅通過血腦屏障進入腦實質(zhì)的作用,而過量的銅主要在銅轉(zhuǎn)運ATP 酶β(ATP7B)的作用下,被運輸?shù)侥懼M行排泄[5,11]。因此,肝臟是人體內(nèi)維持銅穩(wěn)態(tài)的核心。
銅在細胞內(nèi)的流動過程復雜而又精妙,由銅伴侶蛋白及銅轉(zhuǎn)運蛋白等共同介導[12]。銅離子經(jīng)CTR1轉(zhuǎn)運進入細胞后,與銅伴侶蛋白結(jié)合,抗氧化劑1 銅伴侶蛋白(antioxidant 1 copper chaperone,ATOX1)和細胞色素氧化酶17(cytochrome-coxidase17,COX17),分別負責將銅離子轉(zhuǎn)運至高爾基體和線粒體[12]。此后,ATP7A/ATP7B、細胞色素c 氧化酶 (cytochrome c oxidase, CCO)等進一步發(fā)揮作用[13]。
2.1 ATP7A 銅轉(zhuǎn)運ATP 酶α(ATP7A),又名Menkes 蛋白(MNK),是一種多跨膜蛋白,在該蛋白的氨基末端具有6 個金屬結(jié)合結(jié)構(gòu)域(N-末端金屬結(jié)合域,NMBD)[12,14],可與Cu+進行結(jié)合,通過ATP水解釋放的能量來完成銅的跨膜轉(zhuǎn)運。Atp7a為X染色體連鎖基因,研究證明,該基因的缺陷會導致多種具有神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)肌肉癥狀的疾病,如門克斯病(Menkes disease,MD)、枕角綜合征(occipital horn syndrom,OHS)、X 連鎖遠端脊肌萎縮癥-3(SMAX3)等[5,11]。
在細胞內(nèi),ATP7A 通常存在于反式高爾基體(trans-golgi network,TGN),在TGN中,ATP7A將銅離子轉(zhuǎn)運至銅酶,如成纖維細胞中的賴氨酸氧化酶中,發(fā)揮生物合成作用[15];而當細胞內(nèi)銅水平升高時,ATP7A 將銅從TGN 中轉(zhuǎn)運至質(zhì)膜,剩余的銅離子在胞吐作用下被排出細胞,從而維持細胞內(nèi)的銅穩(wěn)態(tài)[11]。
2.2 ATP7B 銅轉(zhuǎn)運ATP 酶β(ATP7B)同樣屬于跨膜蛋白,與ATP7A 結(jié)構(gòu)相似,但研究表明,與ATP7A 相比,ATP7B 的金屬結(jié)構(gòu)域?qū)︺~具有更高的親和力[16]。Atp7β位于人第13 號染色體,目前Atp7β突變相關(guān)研究主要以錯義突變?yōu)橹?,肝豆狀核變性由Atp7β基因突變引起[17]。
在細胞內(nèi),ATP7B 與ATP7A 雖然均定位于反式高爾基體,但ATP7B于肝細胞中高度表達,可以將過量的銅離子轉(zhuǎn)運進膽汁排泄,有助于維持銅穩(wěn)態(tài)[18]。
在同時表達以上兩種銅轉(zhuǎn)運蛋白的細胞中,ATP7A 和ATP7B 的作用機制有所不同。研究表明,在極化細胞中,ATP7A攜帶銅離子向基底膜轉(zhuǎn)運,而ATP7B則將銅離子從頂膜排出[11]。
2.3 CTR1 CTR1 作為一種高親和力的銅跨膜轉(zhuǎn)運蛋白,與ATP7A/ATP7B 不同,其跨膜轉(zhuǎn)運過程不依賴ATP。CTR1 由190 個氨基酸組成,N 端位于細胞外,C 端位于細胞內(nèi),以同源三聚體的形式存在于哺乳動物細胞的質(zhì)膜上,形成了銅的運輸通道,在銅轉(zhuǎn)運過程中具有重要的作用[19]。在人類中,CTR1 由SLC31A1基因編碼,該基因位于人類染色體臂9q32 上,由5 個外顯子組成[20]。目前雖然并未明確CTR1 表達異常會導致某種疾病,但研究表明,CTR1-/-小鼠在胚胎第10.5 d 時即在子宮內(nèi)死亡,CTR1在胚胎發(fā)育及細胞代謝中具有重要作用[19]。
在細胞內(nèi),CTR1 主要位于細胞膜,也可定位于細胞內(nèi)囊泡。銅通過CTR1轉(zhuǎn)運進細胞內(nèi),并通過胞質(zhì)囊泡的運輸增加胞內(nèi)銅的水平[21]。
此外,在細胞內(nèi)存在著銅分子的伴侶蛋白,將銅運送到不同的細胞器,例如,COX17 可將Cu 運輸?shù)骄€粒體外膜間隙的CCO;ATOX1將Cu運輸?shù)椒词礁郀柣w[13]。
游離銅離子易與氧發(fā)生級聯(lián)化學反應,從而導致氧自由基(ROS)的生成[22]。研究表明,銅可通過如下幾方面導致ROS 的蓄積:(1)Cu 主要參與形成超氧化物歧化酶(SOD),SOD 對于清除ROS 具有重要的作用,當銅穩(wěn)態(tài)失調(diào)時,SOD 生成異常會導致ROS 過量[23];(2)細胞內(nèi)銅含量過少會使CCO 的活性降低,線粒體功能受損,從而導致ROS 產(chǎn)生[24]??傊?,大量ROS 蓄積,會引發(fā)氧化應激反應,脂質(zhì)氧化、蛋白質(zhì)變性等損傷隨之發(fā)生,進而使細胞發(fā)生炎癥反應甚至死亡。
ALS 是最常見的運動神經(jīng)退行性疾病之一,發(fā)病率為2/100 000,主要病理特征為上、下運動神經(jīng)元的退行性損害,患者常表現(xiàn)為進行性肌肉無力萎縮、吞咽困難等。該病往往進展迅速,患者多數(shù)生存期短,最終可因累及呼吸肌導致的呼吸衰竭而死亡,平均病程只有3~5 年[25]。該病致殘率高,死亡率高,發(fā)病機制尚不明確[7]。銅穩(wěn)態(tài)失調(diào)已被證明參與了多種神經(jīng)退行性疾病,如肝豆狀核變性、門克斯病等的發(fā)病機制[16,26]。在ALS 發(fā)病機制中,銅穩(wěn)態(tài)是否發(fā)揮同樣重要的作用,有待進一步探究。
4.1 銅/鋅超氧化物歧化酶(SOD1) SOD1是細胞內(nèi)一種主要的銅結(jié)合蛋白,存在于線粒體膜間隙和細胞質(zhì)中,需要銅和鋅作為輔助因子,調(diào)節(jié)細胞內(nèi)銅的穩(wěn)態(tài)。ALS 分為家族性(FALS)和散發(fā)性(SALS),約1/5 的FALS 是由于SOD1基因突變引起的[27]。研究證實,在表達突變SOD1(mSOD1)的ALS小鼠模型中,Cu 水平降低可延長動物的壽命[28]。因此,突變的SOD1 的毒性可能源于銅穩(wěn)態(tài)的破壞[29,30]。ATP7A 銅轉(zhuǎn)運ATP 酶α(ATP7A),如上文所述是一種多跨膜蛋白,在細胞內(nèi)可與Cu+進行結(jié)合,通過ATP 水解釋放的能量來完成銅的跨膜轉(zhuǎn)運[15]。最近在Bakkar 等[3]的研究中,發(fā)現(xiàn)1 例診斷為ALS 的65 歲男患,其ATP7A 中含有M1311V 突變體。ATP7A 的M1311V 突變會導致ATP7A 的亞細胞分布和功能改變,影響銅在細胞中的轉(zhuǎn)運,使細胞內(nèi)銅異常聚集;通過該研究,也證明了ATP7A 突變可使誘導性多能干細胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)衍生的運動神經(jīng)元的樹突復雜性、功能和活力降低[3]。此外,有相關(guān)研究表明,編碼銅轉(zhuǎn)運ATP 酶的Atp7β在ALS小鼠的脊髓中表達下調(diào)[31],進一步證明銅穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)可作為ALS疾病的發(fā)病機制。
4.2 金屬硫蛋白(metallothionein proteins,MTs) MTs 是銅和鋅結(jié)合蛋白,在細胞中參與廣泛的生理作用,包括解毒、維持細胞內(nèi)銅和鋅的穩(wěn)態(tài)、清除活性氧等[32]。MTs 存在多種亞型,其中MT1 和MT2 是神經(jīng)膠質(zhì)亞型,但MT3 存在于神經(jīng)元中[33]。相關(guān)研究表明,在SOD1 G93A 小鼠的脊髓中,MT1/2表達上調(diào)可以降低脂質(zhì)過氧化物水平,證明MT1/2與氧化損傷相關(guān)[34]。而Hashimoto等[35]的研究,證明了MT3在脊髓運動神經(jīng)元中的表達對ALS模型小鼠的運動神經(jīng)元具有保護作用,延長了ALS 模型小鼠的壽命。綜上,MT1/2 和MT3 與ALS 的病理機制密切相關(guān)。
此外,銅離子代謝結(jié)構(gòu)域包含體1(copper metabolism MURR1 domain-containing 1,COMMD1)通過調(diào)控ATP7A 和ATP7B 的表達的方式可參與細胞內(nèi)銅離子代謝過程[36]。同時作為一種錯誤折疊蛋白質(zhì)聚集的調(diào)節(jié)因子,COMMD1 已被證明可以與ALS中突變的SOD1(mSOD1)相互作用,促進了mSOD1復合體的形成[36];而銅螯合劑如D-青霉胺、曲恩汀和四硫代鉬酸鹽的相關(guān)研究表明,銅螯合劑可使ALS 小鼠脊髓中異常增加的銅離子濃度恢復到正常水平,延長SOD1 G93A 小鼠的存活率[37]。以上研究均證實了銅穩(wěn)態(tài)在ALS發(fā)病機制中的重要作用。
銅穩(wěn)態(tài)對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常發(fā)育具有十分重要的作用,人類大腦中銅含量約為全身的7%~10%,銅穩(wěn)態(tài)失調(diào)已被證實會誘發(fā)多種神經(jīng)退行性疾病[12]。ALS 作為神經(jīng)退行性疾病的一種,發(fā)病機制尚不明確。在銅死亡相關(guān)研究飛速發(fā)展的今天,銅穩(wěn)態(tài)及相關(guān)通路的調(diào)節(jié)機制正處于不斷完善的階段,銅穩(wěn)態(tài)與ALS的相關(guān)研究,為ALS的發(fā)病機制研究提供了嶄新思路,并證實了通過不同靶點維持銅穩(wěn)態(tài),可能具有治療運動神經(jīng)元疾病的潛力,但仍需進一步的探究。
利益沖突聲明:所有作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明:張瑩負責文獻收集、撰寫論文;色瑤負責論文修改;姜宏佺負責擬定寫作思路、指導撰寫論文并最后定稿。