微量元素調(diào)控基因表達(dá)分子機(jī)制

　　鋅是目前發(fā)現(xiàn)的微量元素中生理功能最多的一種元素，它是繼銅、砷之后發(fā)現(xiàn)的又一高效微量元素促生長(zhǎng)添加劑。它對(duì)動(dòng)物機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響。自Todd等(1934)首次證明鋅是高等動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)必需之后。Tuker等人發(fā)現(xiàn)缺鋅會(huì)導(dǎo)致豬皮膚不全角化癥。Dello(1957)又發(fā)現(xiàn)雞的日糧中缺鋅亦能出現(xiàn)與豬相似的癥狀。幾十年來，鋅對(duì)動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)作用受到了的普通重視，世界各國(guó)對(duì)鋅進(jìn)行了廣泛深入的研究，在理論研究和實(shí)踐應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展。本文綜述了近年來國(guó)內(nèi)外在鋅調(diào)控基因表達(dá)方面的研究進(jìn)展，從分子生物學(xué)的角度闡述了鋅調(diào)控基因的途徑、主要方式、功能。

　　近年來的大量試驗(yàn)表明：Zn2+主要是在轉(zhuǎn)錄水平通過基因調(diào)節(jié)蛋白(gene regulatory proteins)對(duì)基因的特異表達(dá)進(jìn)行調(diào)控的。目前，在各類生物體中已發(fā)現(xiàn)有500多種與Zn2+相關(guān)的基因調(diào)節(jié)蛋白，但確認(rèn)結(jié)合有Zn2+的卻不多，其中5種已研究得比較清楚，它們是：轉(zhuǎn)錄因子、糖皮質(zhì)激素受體、雌激素受體、GAU和基因32蛋白。當(dāng)用Zn2+螯合劑除去這些基因調(diào)節(jié)蛋白中的Zn2+后，它們與DNA等的特異性結(jié)合就會(huì)顯著地被抑制，同時(shí)蛋白質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會(huì)被破壞，影響基因表達(dá)。可見鋅在調(diào)控基因的表達(dá)過程中發(fā)揮著重要的作用。

　　1 鋅調(diào)控基因表達(dá)的機(jī)理

　　1.1 鋅調(diào)控基因表達(dá)的途徑

　　途徑一，鋅結(jié)合在位于應(yīng)答性基因起始位置上游的啟動(dòng)子序列中的一個(gè)或幾個(gè)金屬調(diào)節(jié)元件(MetalregMlatory element，MRE)位點(diǎn)上對(duì)基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控。例如金屬硫蛋白(MT)的基因表達(dá)：MT基因調(diào)控模式的闡明是唯一清楚知道鋅直接調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄速度的例子 (Andrews，1990)。[1]

　　鋅的調(diào)控的具體過程是：在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，鋅與MTF(MRE結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子，MRE-binding translation factor)結(jié)合，然后轉(zhuǎn)移進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)，MTF識(shí)別MT基因啟動(dòng)子的特異序列MRE(Mental response elemnt，金屬反應(yīng)元件)，并與DNA結(jié)合，啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。近來有證據(jù)表明，類似MRE的核心序列也存在于其它基因啟動(dòng)子上(如急性階段反應(yīng)物QI—酸糖蛋白、C反應(yīng)蛋白等)，并受飼糧鋅的調(diào)節(jié)。MT啟動(dòng)子MRE的核心序列是CTCTGCRCNCGCCC，R、N分別代表嘌呤或任何堿基。鋅作為MTF的配基，以此參與基因表達(dá)的調(diào)控。由于MTF的豐度相對(duì)于其它轉(zhuǎn)錄因子相當(dāng)?shù)停�分離MTF相當(dāng)困難。用分子克隆技術(shù)，已在人和動(dòng)物細(xì)胞中鑒別了一種MTF(MTF—1)。

　　與鋅結(jié)合的MT是鋅代謝的調(diào)節(jié)因子，能清除經(jīng)自由基，MT合成增多時(shí)，促進(jìn)鋅在細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合，控制游離的Zn2+。補(bǔ)充鋅時(shí)，紅血球、單核細(xì)胞和周邊血液中單核細(xì)胞(PBMC)的MT水平提高(Jiayin，2000)。單核細(xì)胞MT mRNA和紅細(xì)胞MT濃度的變化，可以作為評(píng)定鋅的生物有效性的標(biāo)準(zhǔn)(Sullivan，1998)。

　　途徑二，鋅通過反式作用金屬調(diào)節(jié)蛋白(轉(zhuǎn)錄因子)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄，鋅與蛋白質(zhì)的結(jié)合可以改變調(diào)節(jié)蛋白的構(gòu)型，而這種構(gòu)型的改變是調(diào)節(jié)蛋白與DNA直接結(jié)合或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互作后最終與DNA結(jié)合而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄所必需的。這一類調(diào)節(jié)蛋白與鋅結(jié)合后發(fā)生變構(gòu)，進(jìn)而能與MRE結(jié)合，對(duì)效應(yīng)基因進(jìn)行調(diào)控，故稱為金屬效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(MRE—BP)，也有文獻(xiàn)稱之為金屬調(diào)節(jié)蛋白，反式作用金屬調(diào)節(jié)蛋白，核酸結(jié)合蛋白，DNA結(jié)合蛋白，轉(zhuǎn)錄因子等。一種金屬調(diào)節(jié)蛋白可和不同的元素配位，也可和多種MRE相作用，這取決于微量元素的種類和濃度以及動(dòng)物種屬差異；其分子中與微量元素配位的主要是胱氨酸和組氨酸。

　　蛋白質(zhì)的鋅指基序代表一種非常重要的結(jié)構(gòu)作用，在鋅指結(jié)構(gòu)中，鋅與4個(gè)胱氨酸和(或)組氨酸的不同排列組成4面體結(jié)構(gòu)(4個(gè)胱氨酸；2個(gè)胱氨酸，2個(gè)組氨酸；3個(gè)胱氨酸，1個(gè)組氨酸)，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，鋅可通過鋅指結(jié)構(gòu)，把激活子蛋白結(jié)合到DNA的增強(qiáng)子上調(diào)節(jié)幾種基因的表達(dá)。據(jù)報(bào)道，基因組中約1％為鋅指蛋白編碼。多數(shù)鋅指蛋白是轉(zhuǎn)錄因子，某些鋅指蛋白也參與蛋白質(zhì)間的相互作用，并通過其激酶結(jié)合區(qū)域傳遞信號(hào)。若鋅缺乏或從鋅指結(jié)構(gòu)中除去鋅可能引起功能損失，影響基因表達(dá)，這在轉(zhuǎn)錄因子SP—I在體外的作用中，已得到證實(shí)。

　　1.2 影響基因表達(dá)的主要方式

　　1.2.1 鋅作為金屬酶的輔助因子參與基因表達(dá) 作為金屬酶的輔助因子參與基因表達(dá)的鋅中最典型的例子莫過于鋅離子，真核生物的DNA聚合酶及3種RNA聚合酶皆是含鋅酶，一些復(fù)制蛋白和轉(zhuǎn)錄因子也含有鋅，因此鋅元素既可影響DNA復(fù)制又可影響轉(zhuǎn)錄過程而參與基因表達(dá)，特別是廣泛存在于真核、原核細(xì)胞中的鋅指結(jié)構(gòu)，它是多功能區(qū)域，可通過與DNA、RNA識(shí)別和蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)間相互作用，對(duì)轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控。Michelsen等在加鋅和不加鋅的條件下分別檢測(cè)了DNA聚合酶的活性，發(fā)現(xiàn)不加鋅大鼠細(xì)胞核中DNA聚合酶活性顯著低于正常飼喂水平的大鼠；而向缺鋅大鼠飼料中加入0.01-O.05mol／L Zn離子又可使DNA聚合酶活性部分恢復(fù)。

　　1.2.2 鋅作為維持特殊構(gòu)型的結(jié)構(gòu)物質(zhì)參與基因表達(dá) 鋅可作為結(jié)構(gòu)物質(zhì)，在蛋白(結(jié)合蛋白)與基因發(fā)生互作時(shí)保證維持一定的特殊構(gòu)型。目前認(rèn)為，鋅蛋白與DNA相互作用的模式為：轉(zhuǎn)錄因子以4種基因序列和DNA啟動(dòng)子或增強(qiáng)子結(jié)合，而鋅指結(jié)構(gòu)就是其中一種。鋅指結(jié)構(gòu)是鋅原子作為活性結(jié)構(gòu)的一部分與一小群氨基酸結(jié)合，在蛋白質(zhì)中形成相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)結(jié)構(gòu)域(Bermano等，1995)，這種結(jié)構(gòu)域的共同特點(diǎn)是可通過e—螺旋結(jié)合到DNA大溝中，鋅指環(huán)上突出的Lys、Arg參與同DNA的結(jié)合，由于鋅指結(jié)構(gòu)往往重復(fù)出現(xiàn)，使得蛋白質(zhì)因子在DNA大溝中結(jié)合很牢固且特異性高(Bermano等，1996)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大鼠糖皮質(zhì)激素受體蛋白有795個(gè)氨基酸，DNA結(jié)合域在氨基酸殘基440-525位，此處富含Cys的鋅指，DNA的結(jié)合根據(jù)Zn離子的有無而可逆地變化，如同鋅指結(jié)構(gòu)一樣，鋅可在轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合區(qū)域折疊中起關(guān)鍵作用的還有鋅簇(Zinc cluster)結(jié)構(gòu)和鋅扭(Zinctwist)結(jié)構(gòu)。

　　1.2.3 部分鋅可作為誘導(dǎo)物從而對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控 作為基因表達(dá)過程中的誘導(dǎo)物，鋅能引發(fā)蛋白與核酸結(jié)合，從而對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，這一類鋅多數(shù)為二價(jià)的過渡元素，如：錦、鉛、銅、汞、鎳、鋅等。

　　2 鋅的分子生物學(xué)功能

　　2.1 鋅的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分布

　　機(jī)體對(duì)鋅穩(wěn)衡性控制主要通過調(diào)節(jié)吸收過程來完成。其吸收及控制機(jī)理推論為：胰腺向腸腔分泌一種能結(jié)合鋅的配位體，在腸道中該配位體與鋅結(jié)合，結(jié)合鋅后的配位體復(fù)合物通過腸道絨毛膜轉(zhuǎn)移至上皮細(xì)胞內(nèi)，上皮細(xì)胞內(nèi)的鋅又被轉(zhuǎn)運(yùn)至基底外側(cè)原漿膜上的結(jié)合處，無金屬白蛋白與原漿膜相互作用并將鋅從受體處移去而進(jìn)入血液循環(huán)。被吸收的鋅與血液轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合，進(jìn)入骨髓、肝臟和其他組織，以小分子可溶性物質(zhì)參與代謝。

　　肝臟是動(dòng)物鋅代謝、貯存的主要場(chǎng)所，鋅的周轉(zhuǎn)代謝速度最快。同時(shí)，胰、腎、脾對(duì)體內(nèi)鋅的存留和代謝也具有重要的作用，而骨和神經(jīng)系統(tǒng)中的鋅則不能迅速動(dòng)用為機(jī)體有效利用。毛發(fā)中基本上不存在鋅的分解代謝。代謝后的鋅主要經(jīng)膽汁、胰液及其他消化液從糞中排出。糞中的鋅大部分來自日糧中未被吸收的鋅，小部分為由消化道分泌的內(nèi)源鋅，在動(dòng)物體內(nèi)鋅是需要性調(diào)節(jié)，由吸收和排泄來維持體內(nèi)的平衡。

　　鋅分布于機(jī)體的所有組織器官中，各種動(dòng)物體內(nèi)鋅的含量差異不大。正常動(dòng)物體內(nèi)鋅的總含量為30mg/kg左右，大致的分布為：骨骼28％、肝臟和皮膚8％、血液2％—3％、其它器官1．6％—1．8％。血漿中的鋅30％—40％參與酶活性和功能．60％—70％與白蛋白松散結(jié)合，是體內(nèi)鋅的主要的運(yùn)輸形式。

來源：微量元素分析儀

• 上一篇內(nèi)容: 寶寶成長(zhǎng)需哪些微量元素
• 下一篇內(nèi)容: 微量元素與骨質(zhì)疏松癥緊密關(guān)系