微量元素調控基因表達分子機制

　　鋅是目前發(fā)現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)現的又一高效微量元素促生長(cháng)添加劑。它對動(dòng)物機體的生長(cháng)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)養必需之后。Tuker等人發(fā)現缺鋅會(huì )導致豬皮膚不全角化癥。Dello(1957)又發(fā)現雞的日糧中缺鋅亦能出現與豬相似的癥狀。幾十年來(lái)，鋅對動(dòng)物的營(yíng)養作用受到了的普通重視，世界各國對鋅進(jìn)行了廣泛深入的研究，在理論研究和實(shí)踐應用方面取得了很大進(jìn)展。本文綜述了近年來(lái)國內外在鋅調控基因表達方面的研究進(jìn)展，從分子生物學(xué)的角度闡述了鋅調控基因的途徑、主要方式、功能。

　　近年來(lái)的大量試驗表明：Zn2+主要是在轉錄水平通過(guò)基因調節蛋白(gene regulatory proteins)對基因的特異表達進(jìn)行調控的。目前，在各類(lèi)生物體中已發(fā)現有500多種與Zn2+相關(guān)的基因調節蛋白，但確認結合有Zn2+的卻不多，其中5種已研究得比較清楚，它們是：轉錄因子、糖皮質(zhì)激素受體、雌激素受體、GAU和基因32蛋白。當用Zn2+螯合劑除去這些基因調節蛋白中的Zn2+后，它們與DNA等的特異性結合就會(huì )顯著(zhù)地被抑制，同時(shí)蛋白質(zhì)本身的結構穩定性也會(huì )被破壞，影響基因表達。可見(jiàn)鋅在調控基因的表達過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。

　　1 鋅調控基因表達的機理

　　1.1 鋅調控基因表達的途徑

　　途徑一，鋅結合在位于應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)金屬調節元件(MetalregMlatory element，MRE)位點(diǎn)上對基因轉錄進(jìn)行調控。例如金屬硫蛋白(MT)的基因表達：MT基因調控模式的闡明是唯一清楚知道鋅直接調控基因轉錄速度的例子 (Andrews，1990)。[1]

　　鋅的調控的具體過(guò)程是：在細胞質(zhì)內，鋅與MTF(MRE結合轉錄因子，MRE-binding translation factor)結合，然后轉移進(jìn)入細胞膜內，MTF識別MT基因啟動(dòng)子的特異序列MRE(Mental response elemnt，金屬反應元件)，并與DNA結合，啟動(dòng)基因轉錄。近來(lái)有證據表明，類(lèi)似MRE的核心序列也存在于其它基因啟動(dòng)子上(如急性階段反應物QI—酸糖蛋白、C反應蛋白等)，并受飼糧鋅的調節。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，以此參與基因表達的調控。由于MTF的豐度相對于其它轉錄因子相當低，分離MTF相當困難。用分子克隆技術(shù)，已在人和動(dòng)物細胞中鑒別了一種MTF(MTF—1)。

　　與鋅結合的MT是鋅代謝的調節因子，能清除經(jīng)自由基，MT合成增多時(shí)，促進(jìn)鋅在細胞內的結合，控制游離的Zn2+。補充鋅時(shí)，紅血球、單核細胞和周邊血液中單核細胞(PBMC)的MT水平提高(Jiayin，2000)。單核細胞MT mRNA和紅細胞MT濃度的變化，可以作為評定鋅的生物有效性的標準(Sullivan，1998)。

　　途徑二，鋅通過(guò)反式作用金屬調節蛋白(轉錄因子)調控基因轉錄，鋅與蛋白質(zhì)的結合可以改變調節蛋白的構型，而這種構型的改變是調節蛋白與DNA直接結合或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互作后最終與DNA結合而調控基因轉錄所必需的。這一類(lèi)調節蛋白與鋅結合后發(fā)生變構，進(jìn)而能與MRE結合，對效應基因進(jìn)行調控，故稱(chēng)為金屬效應元件結合蛋白(MRE—BP)，也有文獻稱(chēng)之為金屬調節蛋白，反式作用金屬調節蛋白，核酸結合蛋白，DNA結合蛋白，轉錄因子等。一種金屬調節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(lèi)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構作用，在鋅指結構中，鋅與4個(gè)胱氨酸和(或)組氨酸的不同排列組成4面體結構(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)，其結構非常穩定，鋅可通過(guò)鋅指結構，把激活子蛋白結合到DNA的增強子上調節幾種基因的表達。據報道，基因組中約1％為鋅指蛋白編碼。多數鋅指蛋白是轉錄因子，某些鋅指蛋白也參與蛋白質(zhì)間的相互作用，并通過(guò)其激酶結合區域傳遞信號。若鋅缺乏或從鋅指結構中除去鋅可能引起功能損失，影響基因表達，這在轉錄因子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 作為金屬酶的輔助因子參與基因表達的鋅中最典型的例子莫過(guò)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，一些復制蛋白和轉錄因子也含有鋅，因此鋅元素既可影響DNA復制又可影響轉錄過(guò)程而參與基因表達，特別是廣泛存在于真核、原核細胞中的鋅指結構，它是多功能區域，可通過(guò)與DNA、RNA識別和蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)間相互作用，對轉錄進(jìn)行調控。Michelsen等在加鋅和不加鋅的條件下分別檢測了DNA聚合酶的活性，發(fā)現不加鋅大鼠細胞核中DNA聚合酶活性顯著(zhù)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。

　　1.2.2 鋅作為維持特殊構型的結構物質(zhì)參與基因表達 鋅可作為結構物質(zhì)，在蛋白(結合蛋白)與基因發(fā)生互作時(shí)保證維持一定的特殊構型。目前認為，鋅蛋白與DNA相互作用的模式為：轉錄因子以4種基因序列和DNA啟動(dòng)子或增強子結合，而鋅指結構就是其中一種。鋅指結構是鋅原子作為活性結構的一部分與一小群氨基酸結合，在蛋白質(zhì)中形成相對獨立的一個(gè)結構域(Bermano等，1995)，這種結構域的共同特點(diǎn)是可通過(guò)e—螺旋結合到DNA大溝中，鋅指環(huán)上突出的Lys、Arg參與同DNA的結合，由于鋅指結構往往重復出現，使得蛋白質(zhì)因子在DNA大溝中結合很牢固且特異性高(Bermano等，1996)。研究結果發(fā)現，大鼠糖皮質(zhì)激素受體蛋白有795個(gè)氨基酸，DNA結合域在氨基酸殘基440-525位，此處富含Cys的鋅指，DNA的結合根據Zn離子的有無(wú)而可逆地變化，如同鋅指結構一樣，鋅可在轉錄因子的DNA結合區域折疊中起關(guān)鍵作用的還有鋅簇(Zinc cluster)結構和鋅扭(Zinctwist)結構。

　　1.2.3 部分鋅可作為誘導物從而對基因表達進(jìn)行調控 作為基因表達過(guò)程中的誘導物，鋅能引發(fā)蛋白與核酸結合，從而對基因表達進(jìn)行調控，這一類(lèi)鋅多數為二價(jià)的過(guò)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、轉運和分布

　　機體對鋅穩衡性控制主要通過(guò)調節吸收過(guò)程來(lái)完成。其吸收及控制機理推論為：胰腺向腸腔分泌一種能結合鋅的配位體，在腸道中該配位體與鋅結合，結合鋅后的配位體復合物通過(guò)腸道絨毛膜轉移至上皮細胞內，上皮細胞內的鋅又被轉運至基底外側原漿膜上的結合處，無(wú)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運蛋白結合，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，鋅的周轉代謝速度最快。同時(shí)，胰、腎、脾對體內鋅的存留和代謝也具有重要的作用，而骨和神經(jīng)系統中的鋅則不能迅速動(dòng)用為機體有效利用。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(lái)自日糧中未被吸收的鋅，小部分為由消化道分泌的內源鋅，在動(dòng)物體內鋅是需要性調節，由吸收和排泄來(lái)維持體內的平衡。

　　鋅分布于機體的所有組織器官中，各種動(dòng)物體內鋅的含量差異不大。正常動(dòng)物體內鋅的總含量為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％與白蛋白松散結合，是體內鋅的主要的運輸形式。

來(lái)源：微量元素分析儀

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