铜过载导致斑马鱼胚胎和幼鱼HSPCs增殖缺陷产生的新机制

日前， 华中农大水产学院鱼类逆境发育遗传学团队在《iScience》上发表了题为“Copper overload impairs hematopoietic stem and progenitor cell proliferation via prompting HSF1/SP1 aggregation and the subsequently downregulating FOXM1-Cytoskeleton axis”的研究论文，该论文发现铜直接与SP1和HSF1转录蛋白相互作用，并且铜过载诱导这两种蛋白在造血干/祖细胞（hematopoietic stem and progenitor cells, HSPCs）中聚集，导致SP1和HSF1在FOXM1基因上的转录活性降低，细胞骨架基因下调，最终导致HSPCs增殖障碍。

铜（copper, Cu）是生物体中的一种重要微量元素，其体内平衡失衡会导致发育缺陷和各种疾病。铜缺乏会导致造血细胞分化受阻，贫血、中性粒细胞减少症以及血小板减少症。体内铜过载会导致多种造血疾病，如急性溶血性贫血和白血病。在白血病儿童中观察到更高的血清铜，表明铜稳态失衡与造血系统疾病密切相关，但铜超负荷在造血系统中的作用及其潜在机制尚不清楚。

作者首先通过表型观察以及流式分析，发现铜胁迫的斑马鱼HSPCs内铜含量升高及其增殖缺陷。另外，铜螯合剂可以去除体内的铜离子，而铜离子载体是结合铜离子的小分子，有助于将铜离子运输到细胞中。为了进一步确定细胞内铜积累在HSPC发育中的作用，作者分别用铜螯合剂tetrathimolybdate（TTM）和铜离子载体elesclomol处理胚胎，并检测其HSPC发育情况。发现铜过载对HSPC发育的损害具有浓度依赖性，并且铜稳态在HSPCs的发生、维持或扩增过程中具有重要作用。在斑马鱼胚胎发育过程中，铜过载或铜缺乏都会诱导其HSPCs发育受损。

图1 铜在HSPCs的积累以及铜胁迫斑马鱼中HSPCs的发育

为了探索铜胁迫下斑马鱼中HSPCs发育缺陷的调控机制，作者构建了与细胞周期及细胞骨架基因相关的斑马鱼敲除突变体，foxm1-/-、tuba1a-/-、stmn4-/-。发现foxm1-细胞周期/细胞骨架轴表达下调，细胞骨架蛋白表达下调并呈现紊乱分布。单独敲除foxm1或细胞骨架基因均可模拟铜过载胚胎中呈现的HSPCs增殖缺陷表型。而且，作者利用哺乳细胞进行相关实验验证，发现铜胁迫诱导HSPCs增殖缺陷及其调控机制从鱼类到哺乳类高度保守。

机制上，作者发现过载铜与转录因子HSF1和SP1直接结合，并且诱导了HSF1和SP1蛋白在细胞质聚集，导致HSF1和SP1在其下游基因FOXM1上的转录活性降低，以及FOXM1在HSPCs细胞骨架基因上的转录活性降低，最终导致HSPCs增殖受损。

图2 铜过载诱导HSF1、SP1在细胞质聚集

总的来说，该研究揭示了斑马鱼HSPCs内铜过载诱导HSF1/SP1在细胞质聚集，导致foxm1-细胞周期/细胞骨架信号轴表达下调，最终阻碍HSPCs的增殖（图3）。该研究数据丰富了微量元素铜的理论基础，并为铜稳态不平衡下人类造血疾病的潜在机制提供一些新的线索。

图3 论文总结