三羧酸循環與銅死亡

2022年3月在Science期刊發表的Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins揭示了銅離子過載會導致細胞死亡，細胞銅穩態失衡，銅離子直接結合三羧酸循環酯酰化蛋白，FDX1/LIAS介導的LA pathway（硫辛酸途徑）誘導硫辛酸化修飾的DLAT（丙酮酸脫氫酶復合物關鍵組分）發生寡聚化，從而使三羧酸循環代謝失常，引發細胞蛋白質毒性應激，導致細胞死亡。該研究表明，銅死亡與三羧酸循環代謝途徑是有直接聯系的。

三羧酸循環是生物體能量代謝的重要核心部分，通過三羧酸循環中蛋白酶體將葡萄糖、脂肪酸、氨基酸轉化為NADH、FADH，通過ETC（電子傳遞鏈）生成ATP。其中酶催化反應中存在多種硫辛酰化酶蛋白，Tsvetkov等研究中表明帶硫辛酸基團的蛋白容易與亞銅離子發生結合，而哺乳動物中硫辛酰化修飾蛋白主要有四種，DBT（支鏈α-酮酸脫氫酶復合體組分）、GCSH（甘氨酸裂解系統蛋白H）、DLST（α-酮戊二酸脫氫酶復合體組分）、DLAT（丙酮酸脫氫酶復合體組分），其中DLAT是三羧酸循環代謝過程中丙酮酸脫氫酶復合體重要組成部分，丙酮酸脫氫酶將丙酮酸轉化生成乙酰輔酶a，乙酰輔酶a則會參與三羧酸循環。

蛋白翻譯后修飾是蛋白功能調節的方式之一，研究發現硫辛酰化蛋白與銅離子相互作用是銅死亡過程中的核心事件。銅死亡中FDX-1蛋白扮演重要角色，它負責銅離子的還原和多種蛋白的脂酰化修飾，脂酰化（Lipoylation）是存在于線粒體中特別擁有的翻譯后修飾，該過程依賴于線粒體中的硫辛酸（Lipoic acid，LA），脂酰化過程中硫辛酸與蛋白質的賴氨酸殘基以共價鍵的方式結合。三羧酸循環中存在多種硫辛脂酰化的修飾蛋白, 如丙酮酸脫氫酶（Pyruvate dehydrogenase，PDH）和α-酮戊二酸脫氫酶（α-ketoglutarate dehydrogenase，α-KDH）。這些蛋白酶復合體的酶活性依賴于酶組分中的蛋白翻譯后修飾。研究表明，FDX1基因缺失的細胞模型中丙酮酸與α酮戊二酸出現代謝積累，抑制PDH和α-KDH的脂酰化過程，導致丙酮酸或酮戊二酸轉化減少，引起葡萄糖代謝發生障礙 。因此當銅離子過載時，銅離子與TCA循環中的硫辛脂酰化蛋白結合從而導致細胞死亡。