近日，王福俤/闵军霞教授团队在著名学术期刊 Science Bulletin (中科院1区，影响因子18.8)在线发表了题为“Integrative analysis of copper dysregulation and cuproptosis in postnatal hematopoiesis”的研究成果。

在这项研究中，我国科学家首次发现，铜和铜转运蛋白SLC31A1（Ctr1）在维持造血系统稳态中发挥重要作用，揭示了铜通过调控线粒体能量代谢影响造血干细胞分化和命运决定过程中的关键机制。

基于本项研究的重要发现，浙江大学医学院求是特聘教授王福俤团队首次提出“铜科学(Cuprology)”的新兴学科概念, 针对铜死亡展开探索，大剂量补充铜死亡激活剂Elesclomol没能检测到铜死亡特征出现，因此将化合物Elesclomol重新命名为CupriActivitor1(CuA1，铜激活剂)。

铜是机体必需微量元素之一，铜稳态代谢平衡对机体维持正常生命活动至关重要。铜过量蓄积会产生大量氧化自由基，导致细胞损伤甚至死亡。而铜缺乏则会导致冠心病、神经退行性疾病、贫血等一系列疾病的发生。

其中，贫血是缺铜个体最重要的临床表现之一。主要表现为低铜血症，低铜蓝蛋白血症及红血球数目下降等。到目前为止，铜缺乏导致贫血的确切机制尚未明确。通过构建低铜饮食诱导小鼠模型和铜转运蛋白Slc31a1造血干细胞特异性敲除的小鼠模型，研究人员对铜在造血系统中的作用和机制展开了深入研究。

通过构建低铜膳食诱导小鼠（Copper deficiency, CuD）模型，研究人员发现该小鼠表现为明显贫血，其外周血中红细胞计数，血红蛋白及白细胞计数均明显下降。

对骨髓中造血细胞的分析结果表明和对照小鼠相比，低铜小鼠中Lin-（Lineage negative）细胞和MPP细胞（Multipotent progenitor，多能祖细胞）的比例和计数均显著下降，而造血干细胞的比例和计数在两组小鼠间无明显变化。相关结果表明膳食铜缺乏影响了造血干细胞分化，进而引起造血前体细胞形成受阻，这可能是低铜小鼠出现造血障碍的原因。

SLC31A1是定位于人和哺乳动物细胞胞膜上与铜具有高亲和力的转运蛋白，主要介导铜离子从胞外向胞内的转移。为了更深入阐明造血干细胞铜缺乏对其功能的影响，研究人员进一步构建了Slc31a1造血干细胞特异性敲除的小鼠（Slc31a1fl/fl；Vav-Cre+；敲除小鼠）。

结果表明，敲除小鼠表现为严重的生长发育障碍并在出生后8周内死亡；血液学数据提示，敲除小鼠严重贫血且表现为全血细胞的显著减少。骨髓流式分析表明，骨髓中的各系血细胞计数均显著下降。

Slc31a1通过细胞自主性机制调控造血干细胞稳态

 

后续对造血干/祖细胞的分析发现，敲除小鼠骨髓中的多能祖细胞比例和数目均显著下降。体外的细胞集落形成实验结果表明，Slc31a1缺失的造血干细胞无法有效形成下游各系血细胞集落。进一步的，竞争性骨髓移植实验结果表明，Slc31a1敲除造血干细胞的功能缺陷是细胞自主性的（cell autonomous），和细胞外环境关系不大。

 

Slc31a1敲除导致造血细胞分化相关基因表达下降

为了深入探究Slc31a1敲除导致造血干细胞分化障碍的分子机制，研究人员收集敲除和对照小鼠的造血干细胞（Lin-Sca-1+c-Kit+）并进行转录组测序（RNA-seq）。结果表明敲除小鼠中与造血细胞发育相关的转录因子和表面标志基因表达均显著下调，提示Slc31a1在造血干细胞上的缺失导致一系列与血细胞分化相关转录因子的表达异常，进而导致血细胞的发育过程受阻。

进一步的，研究人员对低铜、敲除以及对照小鼠的Lin⁻细胞进行了基于质谱（MASS）的蛋白质组分析。结果表明，在低铜与敲除小鼠中，一系列细胞色素c氧化酶（CCO）相关的亚基蛋白（包括Mtco2、Cox6b1、Cox6a1和Cox7b）表达水平显著下调。

基于CCO在线粒体能量代谢中的关键作用，研究人员对低铜/敲除小鼠造血干/祖细胞的线粒体功能进行了检测，结果表明，低铜/敲除小鼠HSPC中线粒体形态结构异常，线粒体膜电位下降，细胞呼吸能力受损，总ATP水平显著低于对照组。上述结果表明低铜/Slc31a1缺乏导致线粒体代谢异常，并进而对造血干细胞的功能产生影响。

随后研究人员应用了一种高脂溶性的铜离子载体—伊利司莫（Elesclomol，ES），探究其对敲除小鼠造血能力的恢复作用。结果发现，ES处理能够部分恢复敲除小鼠的体重生长，并且持续的ES处理能够显著延长敲除小鼠的生存曲线。此外，ES处理也能部分缓解敲除小鼠严重的贫血症状。

对骨髓分析结果表明，ES处理部分恢复敲除小鼠中骨髓总细胞数以及Lin-细胞的比例和计数。同时，ES处理也能够部分恢复敲除小鼠中造血前体细胞和多能祖细胞的计数。这些结果表明ES能够有效改善敲除小鼠中造血干细胞分化阻滞的现象，并进而减轻KO小鼠的贫血表型。

进一步的，研究人员发现ES处理能够部分恢复KO小鼠造血干祖细胞中CCO复合体亚基Mtco2的蛋白水平，且敲除小鼠HSPC中异常的线粒体量和膜电位水平均得以改善。此外，ES处理显著提高了KO小鼠HSPCs的耗氧率及ATP水平。上述结果表明，通过ES补充能够有效恢复敲除小鼠HSPCs中线粒体功能和代谢能力，并改善敲除小数的造血障碍。

研究人员将Elesclomol命名为Cupriactivitor1(CuA1，铜激活剂)，揭示了该药物通过激活铜代谢相关通路以维持造血干细胞稳态乃至正常生命活动的重要功能，并为在临床上应用CuA1治疗造血相关疾病提供崭新的思路和方向。

综上所述，该研究首次揭示了铜和铜转运蛋白在造血干细胞稳态维持中的关键作用及调控机制。这一重大发现有助于拓展对于微量元素调控造血干细胞发育的认知，并为造血干细胞命运决定的分子机制提供全新的视角。同时，该研究成果也将为铜代谢紊乱相关血液性疾病的发病机制探索和靶向治疗开辟潜在的新途径。

王福俤教授认为，通过铜科学Cuprology的建立与发展，能够帮助研究者们全方位理解铜元素的生物学功能，探究并阐明铜稳态的“分子-细胞-器官-个体”的时空调控机制，丰富和拓展以铜为核心的科学理论体系; 并且，铜科学的深入研究将为精准预防和治疗铜代谢异常相关的多种疾病提供新思路和策略，并进而为人类的健康事业贡献力量。

专家介绍

王福俤教授

浙江大学医学院求是特聘教授，国家万人计划学者、国家杰出青年科学基金获得者、国家重点研发计划重点专项首席科学家、国家自然科学基金重点项目负责人、国务院政府特殊津贴专家、国家百千万人才工程“有突出贡献中青年专家”、中国工程院院士有效候选人、中国科学院百人计划学者、爱思唯尔中国高被引学者、全球前2%顶尖科学家，享受国务院政府特殊津贴，新乡医学院校长

团队运用生命科学及医学前沿技术开展细胞铁死亡机制、微量元素稳态代谢防治重大疾病基础及转化医学研究；近年在在靶向铁死亡防治心脏和肝脏疾病领域取得系列原创重大突破；全球首次提出“铁科学Ferrology”新兴学科并界定其研究范畴及理论体系，是铁科学的开拓者。在Nature、Nature Genetics、Nature Medicine、Nature Reviews Cardiology、Cell Research、Blood、Hepatology 、Cell Metabolism及 PNAS 等优秀期刊发表论文 230 余篇，包括 30 篇封面论文、40篇高被引论文、10篇 1%热点论文。

论文总影响因子超过 2800，论文他引近21600余 次，H指数 74。学术期刊特邀主编5部杂志专栏。先后承担国家自然科学基金杰出青年项目、重点项目（5项）、面上项目（10项）及科技部国家重点研发计划重点专项（首席）。原创成果被 Nature、Science、Cell、Nature Reviews、《新英格兰医学杂志》等顶刊正面引用和评论;Circulation、Blood和Cell Research等专业顶刊专文评述或新闻报道多次;多项科研成果被纳入国际临床指南和权威工具教科书。

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