铜稳态失调在肌萎缩侧索硬化发病机制中的研究进展

张 莹， 色 瑶综述， 姜宏佺审校

铜作为人体所必需的微量元素，主要分布在肝脏、血液和脑组织中，并以亚铜离子（Cu+）和铜离子（Cu2＋）的形式分别参与细胞内多种生理功能，包括参与细胞呼吸、神经肽加工和铁运输等氧代谢、维持铁稳态、合成胶原蛋白等［1，2］；在中枢神经系统中，铜又对调节突触功能、参与髓鞘形成以及淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）运输等发挥作用［3］。然而，细胞内过量的铜会导致自由基产生增多，引起蛋白质构象改变或使酶活性受损［4］。因此，铜的稳态对于维持机体正常生命活动十分重要。研究表明，铜稳态是由铜转运ATP 酶α、β（ATP7A、ATP7B）、铜转运蛋白（copper transporter 1，CTR1）和多种胞质铜伴侣共同介导的［1］。

铜稳态的失调已被证明参与了肝豆状核变性（hepatolenticular degeneration， HD）、帕金森病（Parkinson disease， PD）等多种神经退行性疾病的发病过程［5］。肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis， ALS）也是一种神经退行性疾病，其病理特征为上、下运动神经元的变性损害［6］。ALS 的发病机制尚不明确，近年来的研究主要集中在错误蛋白异常沉积、细胞器功能障碍、兴奋性氨基酸毒性等方面［7］。目前有研究发现，细胞内铜的异常聚集，可能参与ALS 疾病的发病机制，损害了运动神经元功能和形态［8］。本文通过综述铜稳态失调在ALS 发病机制的研究进展，提出了维持铜稳态可能为ALS 治疗提供新靶点的展望。

1 细胞外的铜稳态

食物中的铜主要以Cu2+的形式存在，被还原为Cu+后，在CTR1 的作用下被肠道吸收，进入血液循环［4，9］。在血液中，铜与铜蓝蛋白（ceruloplasmin，CER）等转运蛋白相结合，经铜转运ATP 酶α（ATP7A）释放入门静脉循环，由此进入肝脏［10］。储存在肝细胞中的铜可以被分配到相应组织，其中，ATP7A 起到促进铜通过血脑屏障进入脑实质的作用，而过量的铜主要在铜转运ATP 酶β（ATP7B）的作用下，被运输到胆汁进行排泄［5，11］。因此，肝脏是人体内维持铜稳态的核心。

2 细胞内的铜稳态

铜在细胞内的流动过程复杂而又精妙，由铜伴侣蛋白及铜转运蛋白等共同介导［12］。铜离子经CTR1转运进入细胞后，与铜伴侣蛋白结合，抗氧化剂1 铜伴侣蛋白（antioxidant 1 copper chaperone，ATOX1）和细胞色素氧化酶17（cytochrome-coxidase17，COX17），分别负责将铜离子转运至高尔基体和线粒体［12］。此后，ATP7A/ATP7B、细胞色素c 氧化酶 （cytochrome c oxidase， CCO）等进一步发挥作用［13］。

2.1 ATP7A 铜转运ATP 酶α（ATP7A），又名Menkes 蛋白（MNK），是一种多跨膜蛋白，在该蛋白的氨基末端具有6 个金属结合结构域（N-末端金属结合域，NMBD）［12，14］，可与Cu+进行结合，通过ATP水解释放的能量来完成铜的跨膜转运。Atp7a为X染色体连锁基因，研究证明，该基因的缺陷会导致多种具有神经系统和神经肌肉症状的疾病，如门克斯病（Menkes disease，MD）、枕角综合征（occipital horn syndrom，OHS）、X 连锁远端脊肌萎缩症-3（SMAX3）等［5，11］。

在细胞内，ATP7A 通常存在于反式高尔基体（trans-golgi network，TGN），在TGN中，ATP7A将铜离子转运至铜酶，如成纤维细胞中的赖氨酸氧化酶中，发挥生物合成作用［15］；而当细胞内铜水平升高时，ATP7A 将铜从TGN 中转运至质膜，剩余的铜离子在胞吐作用下被排出细胞，从而维持细胞内的铜稳态［11］。

2.2 ATP7B 铜转运ATP 酶β（ATP7B）同样属于跨膜蛋白，与ATP7A 结构相似，但研究表明，与ATP7A 相比，ATP7B 的金属结构域对铜具有更高的亲和力［16］。Atp7β位于人第13 号染色体，目前Atp7β突变相关研究主要以错义突变为主，肝豆状核变性由Atp7β基因突变引起［17］。

在细胞内，ATP7B 与ATP7A 虽然均定位于反式高尔基体，但ATP7B于肝细胞中高度表达，可以将过量的铜离子转运进胆汁排泄，有助于维持铜稳态［18］。

在同时表达以上两种铜转运蛋白的细胞中，ATP7A 和ATP7B 的作用机制有所不同。研究表明，在极化细胞中，ATP7A携带铜离子向基底膜转运，而ATP7B则将铜离子从顶膜排出［11］。

2.3 CTR1 CTR1 作为一种高亲和力的铜跨膜转运蛋白，与ATP7A/ATP7B 不同，其跨膜转运过程不依赖ATP。CTR1 由190 个氨基酸组成，N 端位于细胞外，C 端位于细胞内，以同源三聚体的形式存在于哺乳动物细胞的质膜上，形成了铜的运输通道，在铜转运过程中具有重要的作用［19］。在人类中，CTR1 由SLC31A1基因编码，该基因位于人类染色体臂9q32 上，由5 个外显子组成［20］。目前虽然并未明确CTR1 表达异常会导致某种疾病，但研究表明，CTR1-/-小鼠在胚胎第10.5 d 时即在子宫内死亡，CTR1在胚胎发育及细胞代谢中具有重要作用［19］。

在细胞内，CTR1 主要位于细胞膜，也可定位于细胞内囊泡。铜通过CTR1转运进细胞内，并通过胞质囊泡的运输增加胞内铜的水平［21］。

此外，在细胞内存在着铜分子的伴侣蛋白，将铜运送到不同的细胞器，例如，COX17 可将Cu 运输到线粒体外膜间隙的CCO；ATOX1将Cu运输到反式高尔基体［13］。

3 铜稳态失调的致病机制

游离铜离子易与氧发生级联化学反应，从而导致氧自由基（ROS）的生成［22］。研究表明，铜可通过如下几方面导致ROS 的蓄积：（1）Cu 主要参与形成超氧化物歧化酶（SOD），SOD 对于清除ROS 具有重要的作用，当铜稳态失调时，SOD 生成异常会导致ROS 过量［23］；（2）细胞内铜含量过少会使CCO 的活性降低，线粒体功能受损，从而导致ROS 产生［24］。总之，大量ROS 蓄积，会引发氧化应激反应，脂质氧化、蛋白质变性等损伤随之发生，进而使细胞发生炎症反应甚至死亡。

4 肌萎缩侧索硬化中的铜稳态失调

ALS 是最常见的运动神经退行性疾病之一，发病率为2/100 000，主要病理特征为上、下运动神经元的退行性损害，患者常表现为进行性肌肉无力萎缩、吞咽困难等。该病往往进展迅速，患者多数生存期短，最终可因累及呼吸肌导致的呼吸衰竭而死亡，平均病程只有3～5 年［25］。该病致残率高，死亡率高，发病机制尚不明确［7］。铜稳态失调已被证明参与了多种神经退行性疾病，如肝豆状核变性、门克斯病等的发病机制［16，26］。在ALS 发病机制中，铜稳态是否发挥同样重要的作用，有待进一步探究。

4.1 铜/锌超氧化物歧化酶（SOD1） SOD1是细胞内一种主要的铜结合蛋白，存在于线粒体膜间隙和细胞质中，需要铜和锌作为辅助因子，调节细胞内铜的稳态。ALS 分为家族性（FALS）和散发性（SALS），约1/5 的FALS 是由于SOD1基因突变引起的［27］。研究证实，在表达突变SOD1（mSOD1）的ALS小鼠模型中，Cu 水平降低可延长动物的寿命［28］。因此，突变的SOD1 的毒性可能源于铜稳态的破坏［29，30］。ATP7A 铜转运ATP 酶α（ATP7A），如上文所述是一种多跨膜蛋白，在细胞内可与Cu+进行结合，通过ATP 水解释放的能量来完成铜的跨膜转运［15］。最近在Bakkar 等［3］的研究中，发现1 例诊断为ALS 的65 岁男患，其ATP7A 中含有M1311V 突变体。ATP7A 的M1311V 突变会导致ATP7A 的亚细胞分布和功能改变，影响铜在细胞中的转运，使细胞内铜异常聚集；通过该研究，也证明了ATP7A 突变可使诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）衍生的运动神经元的树突复杂性、功能和活力降低［3］。此外，有相关研究表明，编码铜转运ATP 酶的Atp7β在ALS小鼠的脊髓中表达下调［31］，进一步证明铜稳态调节可作为ALS疾病的发病机制。

4.2 金属硫蛋白（metallothionein proteins，MTs） MTs 是铜和锌结合蛋白，在细胞中参与广泛的生理作用，包括解毒、维持细胞内铜和锌的稳态、清除活性氧等［32］。MTs 存在多种亚型，其中MT1 和MT2 是神经胶质亚型，但MT3 存在于神经元中［33］。相关研究表明，在SOD1 G93A 小鼠的脊髓中，MT1/2表达上调可以降低脂质过氧化物水平，证明MT1/2与氧化损伤相关［34］。而Hashimoto等［35］的研究，证明了MT3在脊髓运动神经元中的表达对ALS模型小鼠的运动神经元具有保护作用，延长了ALS 模型小鼠的寿命。综上，MT1/2 和MT3 与ALS 的病理机制密切相关。

此外，铜离子代谢结构域包含体1（copper metabolism MURR1 domain-containing 1，COMMD1）通过调控ATP7A 和ATP7B 的表达的方式可参与细胞内铜离子代谢过程［36］。同时作为一种错误折叠蛋白质聚集的调节因子，COMMD1 已被证明可以与ALS中突变的SOD1（mSOD1）相互作用，促进了mSOD1复合体的形成［36］；而铜螯合剂如D-青霉胺、曲恩汀和四硫代钼酸盐的相关研究表明，铜螯合剂可使ALS 小鼠脊髓中异常增加的铜离子浓度恢复到正常水平，延长SOD1 G93A 小鼠的存活率［37］。以上研究均证实了铜稳态在ALS发病机制中的重要作用。

5 小 结

铜稳态对于中枢神经系统的正常发育具有十分重要的作用，人类大脑中铜含量约为全身的7%～10%，铜稳态失调已被证实会诱发多种神经退行性疾病［12］。ALS 作为神经退行性疾病的一种，发病机制尚不明确。在铜死亡相关研究飞速发展的今天，铜稳态及相关通路的调节机制正处于不断完善的阶段，铜稳态与ALS的相关研究，为ALS的发病机制研究提供了崭新思路，并证实了通过不同靶点维持铜稳态，可能具有治疗运动神经元疾病的潜力，但仍需进一步的探究。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：张莹负责文献收集、撰写论文；色瑶负责论文修改；姜宏佺负责拟定写作思路、指导撰写论文并最后定稿。