銅穩態失調在肌萎縮側索硬化發病機制中的研究進展

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多種生理功能，包括參與細胞呼吸、神經肽加工和鐵運輸等氧代謝、維持鐵穩態、合成膠原蛋白等［1，2］；在中樞神經系統中，銅又對調節突觸功能、參與髓鞘形成以及淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）運輸等發揮作用［3］。然而，細胞內過量的銅會導致自由基產生增多，引起蛋白質構象改變或使酶活性受損［4］。因此，銅的穩態對于維持機體正常生命活動十分重要。研究表明，銅穩態是由銅轉運ATP 酶α、β（ATP7A、ATP7B）、銅轉運蛋白（copper transporter 1，CTR1）和多種胞質銅伴侶共同介導的［1］。

銅穩態的失調已被證明參與了肝豆狀核變性（hepatolenticular degeneration， HD）、帕金森病（Parkinson disease， PD）等多種神經退行性疾病的發病過程［5］。肌萎縮側索硬化（amyotrophic lateral sclerosis， ALS）也是一種神經退行性疾病，其病理特征為上、下運動神經元的變性損害［6］。ALS 的發病機制尚不明確，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］。目前有研究發現，細胞內銅的異常聚集，可能參與ALS 疾病的發病機制，損害了運動神經元功能和形態［8］。本文通過綜述銅穩態失調在ALS 發病機制的研究進展，提出了維持銅穩態可能為ALS 治療提供新靶點的展望。

1 細胞外的銅穩態

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［4，9］。在血液中，銅與銅藍蛋白（ceruloplasmin，CER）等轉運蛋白相結合，經銅轉運ATP 酶α（ATP7A）釋放入門靜脈循環，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的作用，而過量的銅主要在銅轉運ATP 酶β（ATP7B）的作用下，被運輸到膽汁進行排泄［5，11］。因此，肝臟是人體內維持銅穩態的核心。

2 細胞內的銅穩態

銅在細胞內的流動過程復雜而又精妙，由銅伴侶蛋白及銅轉運蛋白等共同介導［12］。銅離子經CTR1轉運進入細胞后，與銅伴侶蛋白結合，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）等進一步發揮作用［13］。

2.1 ATP7A 銅轉運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 個金屬結合結構域（N-末端金屬結合域，NMBD）［12，14］，可與Cu+進行結合，通過ATP水解釋放的能量來完成銅的跨膜轉運。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系統和神經肌肉癥狀的疾病，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，ATP7A 通常存在于反式高爾基體（trans-golgi network，TGN），在TGN中，ATP7A將銅離子轉運至銅酶，如成纖維細胞中的賴氨酸氧化酶中，發揮生物合成作用［15］；而當細胞內銅水平升高時，ATP7A 將銅從TGN 中轉運至質膜，剩余的銅離子在胞吐作用下被排出細胞，從而維持細胞內的銅穩態［11］。

2.2 ATP7B 銅轉運ATP 酶β（ATP7B）同樣屬于跨膜蛋白，與ATP7A 結構相似，但研究表明，與ATP7A 相比，ATP7B 的金屬結構域對銅具有更高的親和力［16］。Atp7β位于人第13 號染色體，目前Atp7β突變相關研究主要以錯義突變為主，肝豆狀核變性由Atp7β基因突變引起［17］。

在細胞內，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運進膽汁排泄，有助于維持銅穩態［18］。

在同時表達以上兩種銅轉運蛋白的細胞中，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運蛋白，與ATP7A/ATP7B 不同，其跨膜轉運過程不依賴ATP。CTR1 由190 個氨基酸組成，N 端位于細胞外，C 端位于細胞內，以同源三聚體的形式存在于哺乳動物細胞的質膜上，形成了銅的運輸通道，在銅轉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 時即在子宮內死亡，CTR1在胚胎發育及細胞代謝中具有重要作用［19］。

在細胞內，CTR1 主要位于細胞膜，也可定位于細胞內囊泡。銅通過CTR1轉運進細胞內，并通過胞質囊泡的運輸增加胞內銅的水平［21］。

此外，在細胞內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 運輸到線粒體外膜間隙的CCO；ATOX1將Cu運輸到反式高爾基體［13］。

3 銅穩態失調的致病機制

游離銅離子易與氧發生級聯化學反應，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，當銅穩態失調時，SOD 生成異常會導致ROS 過量［23］；（2）細胞內銅含量過少會使CCO 的活性降低，線粒體功能受損，從而導致ROS 產生［24］。總之，大量ROS 蓄積，會引發氧化應激反應，脂質氧化、蛋白質變性等損傷隨之發生，進而使細胞發生炎癥反應甚至死亡。

4 肌萎縮側索硬化中的銅穩態失調

ALS 是最常見的運動神經退行性疾病之一，發病率為2/100 000，主要病理特征為上、下運動神經元的退行性損害，患者常表現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，發病機制尚不明確［7］。銅穩態失調已被證明參與了多種神經退行性疾病，如肝豆狀核變性、門克斯病等的發病機制［16，26］。在ALS 發病機制中，銅穩態是否發揮同樣重要的作用，有待進一步探究。

4.1 銅/鋅超氧化物歧化酶（SOD1） SOD1是細胞內一種主要的銅結合蛋白，存在于線粒體膜間隙和細胞質中，需要銅和鋅作為輔助因子，調節細胞內銅的穩態。ALS 分為家族性（FALS）和散發性（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態的破壞［29，30］。ATP7A 銅轉運ATP 酶α（ATP7A），如上文所述是一種多跨膜蛋白，在細胞內可與Cu+進行結合，通過ATP 水解釋放的能量來完成銅的跨膜轉運［15］。最近在Bakkar 等［3］的研究中，發現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運，使細胞內銅異常聚集；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）衍生的運動神經元的樹突復雜性、功能和活力降低［3］。此外，有相關研究表明，編碼銅轉運ATP 酶的Atp7β在ALS小鼠的脊髓中表達下調［31］，進一步證明銅穩態調節可作為ALS疾病的發病機制。

4.2 金屬硫蛋白（metallothionein proteins，MTs） MTs 是銅和鋅結合蛋白，在細胞中參與廣泛的生理作用，包括解毒、維持細胞內銅和鋅的穩態、清除活性氧等［32］。MTs 存在多種亞型，其中MT1 和MT2 是神經膠質亞型，但MT3 存在于神經元中［33］。相關研究表明，在SOD1 G93A 小鼠的脊髓中，MT1/2表達上調可以降低脂質過氧化物水平，證明MT1/2與氧化損傷相關［34］。而Hashimoto等［35］的研究，證明了MT3在脊髓運動神經元中的表達對ALS模型小鼠的運動神經元具有保護作用，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。

此外，銅離子代謝結構域包含體1（copper metabolism MURR1 domain-containing 1，COMMD1）通過調控ATP7A 和ATP7B 的表達的方式可參與細胞內銅離子代謝過程［36］。同時作為一種錯誤折疊蛋白質聚集的調節因子，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態在ALS發病機制中的重要作用。

5 小 結

銅穩態對于中樞神經系統的正常發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%，銅穩態失調已被證實會誘發多種神經退行性疾病［12］。ALS 作為神經退行性疾病的一種，發病機制尚不明確。在銅死亡相關研究飛速發展的今天，銅穩態及相關通路的調節機制正處于不斷完善的階段，銅穩態與ALS的相關研究，為ALS的發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態，可能具有治療運動神經元疾病的潛力，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。