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锌与微量元素是生物必要的微金属元素,对于维持身体的生理功能和正常代谢非常重要至少种酶zn300以锌为辅助因子参与糖类、脂质、蛋白质和核酸代谢因此,锌是动植物生长发育必不可少的金属元素细胞内锌与大分子物质结合参与众多生理过程然而,锌在细胞内的过量累积会产生毒性作用许多研究发现,细胞内过量的锌会影响铁硫蛋白中铁硫簇的组iron-sulfur cluster装,破坏活性中心从而导致酶的活性丧失例如,含有铁硫簇的顺乌头酸酶是aconitase三竣酸循环中重要的酶,在高锌浓度下其活性显著下降1锌指蛋白与基因相互作用锌指结构是一种普遍存在的核酸结合模体其特点是结合一个或zinc finger,ZNF motif,多个锌原子并以此来稳定折叠后的蛋白质构象锌指结构由一个螺旋和两个反向平行的B-折叠组成,形成样的“锌指”结构在锌指结构上,端有一对半胱氨酸残基,端B BN-C-有一对组氨酸残基,在空间上形成“口袋”与锌离子配位对于富含半胱氨酸残基的锌C6指结构锌原子仅与半胱氨酸残基配位结合C6zinc finger,锌指蛋白是人类基因组最大的转录因子家族,调控基因表达,在分化发育、代谢、细胞凋亡和自噬等生物过程中发挥重要作用经典的锌指结构能与甚至杂交双链结合,同样具有很高的亲和力锌指蛋白与RNA DNA/RNA异源双链相互作用是否存在生物学意义目前尚未有定论然而,其中一个例子是肿瘤Wilms蛋白这种锌指蛋白能结合和在成熟的过1Wilms tumourprotein1,WT1,DNA RNA,m RNA程中发挥作用锌指蛋白在基因转录水平具有激活和抑制的双重功能例如,参与红细胞和巨核细胞分化的锌指蛋白能与多种生物分子结合,其中,当与GATAT GATAbinding protein-1GATA-1Ets家族成员erythroblast transformationspecific Fli-l Friendleukemia integration-1结合时能够协同激活巨核细胞特异性基因和GPIX forglycoprotein IXGPIbalpha for的表达;然而当与另一个家族成员platelet glycoproteinlb alphachain GATATEts PU.结合时能够阻碍自身与的结合并以此来抑制红系细胞分化1DNA2锌的理化性质及酶活性锌的生物化学研究始于年,当时等1939Keilin各种金属离子和含金属的蛋白质在生物过程中的作用正不断被人们认识锌是除铁之外与蛋白质结合最多的过渡金属,加之锌的氧化还原惰性,使锌对蛋白质结构和功能影响的相关研究得到快速发展就锌在金属酶中的结合位点而言,蛋白质侧链多种zinc-binding sites氨基酸残基的无机原子或基团可与锌配位,包括组氨酸的氮、天冬氨酸或谷氨酸的氧和半胱氨酸的硫,其中,半胱氨酸和组氨酸是最常见的锌结合配体锌结合在蛋白质分子上可直接参与化学催化或者维持蛋白质的结构和稳定因此,含锌金属酶中锌主要表现出三种特性:催化性、辅助催化性和结构性在催化性锌位点锌直接参与化学键的形成和断裂,锌的丢失会直接导致酶的活性catalytic zincsites,丧失在辅助催化性锌位点锌主要是增强酶的功能而对酶的活性cocatalytic zincsites,并不起决定性作用一些金属酶含有多种金属离子,它们的结合位点十分靠近,其中一种金属离子位点具有催化作用,其他的金属离子则可增强该位点的催化活性二聚体的乙醇脱氢酶是迄今为止仅知的既含有催化性锌位点alcohol dehydrogenase,ADH又含有结构性锌位点的酶该酶以为辅酶,催NAD nicotinamideadenine dinucleotide化短链醇和醛之间的可逆反应,大量存在于人和动物肝脏、植物及微生物中乙醇脱氢酶由两个亚基组成,每个亚基有两个锌原子其中,催化性锌的配体是、、Cys-46Cys-174His-67和一个水分子,催化过程中底物与锌和乙醇脱氢酶结合;结构性锌对蛋白质的稳定起着关键作用,与定位于锌离子周围近似对称的四面体上四个关系紧密的半胱氨酸、、Cys-97Cys-100和共同组成结构性锌位点CysT03CysTll在生物体中含锌金属酶是普遍存在的研究金属酶中锌的结合活性、结合配体、几何结构以及锌离子的反应活性对提高认识酶的功能和催化过程十分重要3金属离子检测的调节从核酸合成与分解代谢到基因表达与调控,从细胞内稳态调节到生物分子的新陈代谢以及从细胞的增殖到凋亡,锌几乎伴随着整个生命过程因此,锌的重要性不言而喻人体内的锌主要来源于食物,吸收进入血液的锌离子主要与血清白蛋白结合并通过血液循环被分配到各组织和器官细胞中锌离子的转运依赖于锌转运蛋白的协助现已确认的体内锌转运蛋白有种,大多数都定位在细胞膜或细胞器膜上,控制着细胞内外锌的转移但是,24并非每个蛋白质的功能都已研究清楚其中,锌转运蛋白家族zinc transporter,Zn TSLC30A包括种蛋白质成员,主要作用是将胞质中的锌排出胞外;另外,属于样蛋白10Zn ZRT/IRT家族的种蛋白成员主要负责将外环境中〜ZRT/IRT-like protein,ZIP SLC39A14ZIP114,的锌转运至细胞内图1细胞内调节锌离子浓度的关键因子一金属调节转录因子1metal regulatorytranscription又称结合因子,是真核细胞内仅知的锌离子传感器细胞内锌的平衡机factorl,MTF1,MRE制十分复杂,其中,锌在各细胞器中的分配是锌稳态调节的重要环节除了锌转运蛋白和外,核内体上的二价金属转运体Zn TsZIPs endosome1divalent也参与锌离子的转运生理条件下,对亚铁离子的亲和力metal transporter1,DMT1DMT1较高,在维持铁稳态中发挥重要作用细胞内锌的正常转运及动态平衡是生长发育必不可少的条件成人血液中正常的锌离子浓度为12^20umol/L4糖尿病diabetes糖尿病是一种病因复杂、并发症多样、累及多种器官且治疗困难的常见疾病,主diabetes要的特征是血糖异常增高目前主要有种类型的糖尿病最常见型糖尿病21type1diabetes,和型糖尿病型糖尿病主要是由于自身免疫导致胰腺细胞T1D2type2diabetes,T2D1损害,常发生在儿童和青少年型糖尿病常与肥胖相关,在早期主要表现出对胰岛素抵抗,2后期细胞逐渐消失殆尽型糖尿病是发病最多的一种糖尿病类型,占而型糖尿B290Q95%,1病占婷或更少510%近十年来,锌在胰岛素分泌和生理活动中发挥作用的研究进展备受人们关注最引人注目的是锌的转运蛋白它是细胞功能中关键的调节因子,主要在细胞中表达,能够有Zn T-8,B B效促进锌在细胞中的累积B锌是维持机体正常血糖浓度的关键因子,甚至被认为可以作为型糖尿病治疗的药物佐剂2低锌血症是糖尿病患者的常见症状,锌的缺乏是造成细胞减少的原因之一糖尿病小鼠模B型试验中,锌的补给不仅能显著抑制型糖尿病的发展,还能改善由药物诱导的高糖血症
15.znf395的基因表达肿瘤是人体正常细胞在各种致癌因子的作用下导致癌基因激活,或与之相对应的抑tumor癌基因发生突变,使细胞在基因水平上的调控发生异常,细胞异常生长形成新生物锌离子的稳态和含锌蛋白质对正常大脑功能十分重要,儿童脑肿瘤的发生与锌之间的关系十分复杂许多锌指蛋白的表达水平的改变与肿瘤的发生密切相关,甚至充当着“双刃剑”的作用例如,在许多肿瘤包括肉瘤、骨肉瘤和肾母细胞瘤中的表达量是增高的,甚至ZNF395Ewing在恶性胶质瘤、成神经细胞瘤和皮肤癌的低氧应激条件下也能被诱导表达表达量增高的能通过激活固有免疫应答和肿瘤相关的基因,从而促进炎症和肿瘤过程ZNF395是一类锌的转运蛋白家族,高表达后能显著增加细胞内锌离子的浓度,引起锌介导的生ZIPs长信号延长的过度表达能促进肿瘤的病理过程,主要作用是参与肿瘤细胞的上皮-基ZIPs质转换、凋亡抑制和侵袭epithelial-mesenchymal transition,EMT抑癌基因的突变易诱发癌变,几乎在一半的肿瘤中发现该基因失活TP53的所有亚型均广泛存在于中枢神经系统中其中,具有特异性并且是含量最多的亚MTs MT-3型,存在于神经元,大脑皮层的星形胶质细胞和海马中是锌依赖的内肽酶家族,以酶原的形式由癌细胞和/或基质细胞分泌MMPs锌的转运调节异常或含锌蛋白功能缺陷与许多肿瘤相关,其结果是锌的稳态失衡许多因素如应激、感染和慢性疾病也伴随着血清或组织中的锌离子浓度的改变锌稳态的改变是促使肿瘤发生的原因还是在肿瘤活动(如应激)中所导致的结果这一问题仍未得到解答,但是与锌转运、调节或直接结合的蛋白质与某些肿瘤的发生也存在必然联系6铁硫簇的功能生物体中含有铁硫簇的蛋白质一般称为铁硫蛋白,而铁硫蛋白的正常功能依赖于铁硫簇在生物体内铁硫蛋白普遍存在,有着十分广泛的功能,包括电子传递、催化反应、修复和DNA基因调节等
6.1铜、锌的毒性长期以来,细胞中过量金属的毒性机制研究一直受到微生物学者的关注很早以前,人们就将金属试剂用于杀菌,例如,银和汞作为抗菌物质应用于人类各种感染疾病的预防和治疗;汞还用于疫苗和植物种子的防腐;银制品的抗生物膜作用也应用在导尿管上此外,物品表面上的镀银或铜被广泛用于院内感染的防护然而这些软金属对细菌毒性的分子机理仍然不够清晰传统的金属毒性理论包括以下三点金属离子竞争理论,二价阳离子竞争蛋白()1质(如锌指蛋白)上的金属结合位点,使功能蛋白失去作用但是这一理论无法解释一价阳离子如Ag近几年通过将铜和锌的细菌毒性机制与铁硫蛋白特性相关联的研究提出了一个新的理论,即不稳定铁硫蛋白铁硫中心受攻击学说铜、锌等直接破坏一类蛋白酶(脱水酶)中[]4Fe-4S不稳定的铁硫中心,导致酶活性丧失而致细胞毒性例如,在体外纯化的延胡索酸酶在高A锌环境中其活性完全丧失;体内高锌状态也能显著影响-磷酸葡萄糖脱氢酶(66-的活性)phosphogluconate dehydrogenase针对过渡金属毒理学领域研究的热点,我们进一步从铁硫蛋白受影响的角度去研究锌的毒性机理与前面的结论一致,体外构建载体表达和纯化的铁硫蛋白[铁氧还蛋白()ferredoxin和二竣酸脱水酶在高浓度锌的影响()]()dihydroxy-acid dehydratase,Ilv D200umol/L下它们的铁硫簇丢失(本实验室数据),并且锌能通过铁硫簇的结合位点与铁硫蛋白稳定结合由此可见,锌能破坏铁硫蛋白的活性中心,从而使一系列铁硫蛋白或酶的功能受损,这也部分解释了锌对细菌的毒性机制
7.2铁硫簇的组装机制锌对铁硫蛋白或酶产生广泛影响,而铁硫簇的组装又是一个复杂的过程ISC ironsulfur和系统是原核细胞铁硫簇cluster assemblymachinery SUFmobilization ofsulfur组装的个主要途径,其组装蛋白分别由基因簇和2isc SUA-hsc BA-fdx-isc Xsuf ABCDSE编码此外,系统主要为固氮菌中固氮酶提供铁硫簇菱形的NIF nitrogenfixation簇和立方体形的簇是最常见的铁硫簇形式铁硫簇的组装机制在模式生[][]2Fe-2S4Fe-4S物酵母菌和大肠杆菌中研究得相对较清楚以大肠杆菌为例,以高度保守的Isc U人类中为为支架蛋白为铁硫簇iron-sulfur clusterassembly scaffoldprotein,ISCU1的组装提供平台和瞬时的结合位点硫的来源主要依赖于半胱氨酸脱硫酶cysteine人类中为复合体对半胱氨酸的脱硫作用铁的来源目前desulfurases,Isc SNFS1TSD11仍有争议,国际主流观点认为,能募集细胞内的游离铁并将其传递至支架蛋白Isc AIsc U上,其他被认为是铁供体的还有和Isc XCya Y铁硫簇组装蛋白如和容易成为过渡金属离子的靶点,进而影响铁硫簇的组装,Isc AIsc U并对铁硫蛋白产生广泛的影响本课题组的观点,暂未发表联合前期铁硫簇组装机制的研究我们提出假设:过量锌通过结合铁硫簇组装蛋白和进而阻碍它们所介导的Isc UIsc A,簇和簇的组装,即从铁硫簇的组装机制的角度去分析锌对细胞的毒性机[][]4Fe-4S2Fe-2S理真核细胞中铁硫簇的组装主要在线粒体中进行,其过程较原核复杂,过量锌是否能进入线粒体并影响铁硫簇的组装目前还没有报道由于过量锌能够影响机体内铜、铁的代谢,这被认为是人体锌中毒反应的原因之一7锌的毒性机制关于锌的生物学功能的研究由来已久,机体内正常浓度的锌是生命发展与延续必不可少的条件不同细胞或组织所含锌的量也不尽相同,在胰腺细胞中需要较多的锌以维持正常的细胞功能胰岛素的合成和分泌锌的稳态异常通常伴随着疾病的发生通过研究锌与铁硫簇组装的关系,发现锌对铁硫蛋白的影响是十分广泛的,对和铁硫蛋白均有[][]2Fe-2S4Fe-4S影响,其结果是一系列以铁硫簇为辅基的蛋白质或酶的功能受到抑制因此,我们可以从铁硫簇的组装和铁硫蛋白的合成角度去分析锌的毒性机制铁硫簇的组装受阻或铁硫蛋白的功能异常均会导致严重的后果,我们将铁硫簇或铁硫蛋白相关的疾病称为铁硫蛋白病例如,系统中iron-sulfur proteindiseases,ISC FXNfrataxin基因第个外显子中重复序列过渡扩增所致的共济失调疾病1GAA Friedreich。