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添加劑。它對動物機體的生長發(fā)育有重要影響。自Todd等(1934)首次證明鋅是高等動物營養(yǎng)必需之后。Tuker等人發(fā)現缺鋅會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，鋅對動物的營養(yǎng)作用受到了的普通重視，世界各國對鋅進行了廣泛深入的研究，在理論研究和實踐應用方面取得了很大進展。本文綜述了近年來國內外在鋅調控基因表達方面的研究進展，從分子生物學的角度闡述了鋅調控基因的途徑、主要方式、功能。

　　近年來的大量試驗表明：Zn2+主要是在轉錄水平通過基因調節(jié)蛋白(gene regulatory proteins)對基因的特異表達進行調控的。目前，在各類生物體中已發(fā)現有500多種與Zn2+相關的基因調節(jié)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(jié)蛋白中的Zn2+后，它們與DNA等的特異性結合就會顯著地被抑制，同時蛋白質本身的結構穩(wěn)定性也會被破壞，影響基因表達。可見鋅在調控基因的表達過程中發(fā)揮著重要的作用。

　　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子序列中的一個或幾個金屬調節(jié)元件(MetalregMlatory element，MRE)位點上對基因轉錄進行調控。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]

　　鋅的調控的具體過程是：在細胞質內，鋅與MTF(MRE結合轉錄因子，MRE-binding translation factor)結合，然后轉移進入細胞膜內，MTF識別MT基因啟動子的特異序列MRE(Mental response elemnt，金屬反應元件)，并與DNA結合，啟動基因轉錄。近來有證據表明，類似MRE的核心序列也存在于其它基因啟動子上(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(jié)。MT啟動子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，已在人和動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(jié)因子，能清除經自由基，MT合成增多時，促進鋅在細胞內的結合，控制游離的Zn2+。補充鋅時，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，鋅通過反式作用金屬調節(jié)蛋白(轉錄因子)調控基因轉錄，鋅與蛋白質的結合可以改變調節(jié)蛋白的構型，而這種構型的改變是調節(jié)蛋白與DNA直接結合或蛋白質-蛋白質互作后最終與DNA結合而調控基因轉錄所必需的。這一類調節(jié)蛋白與鋅結合后發(fā)生變構，進而能與MRE結合，對效應基因進行調控，故稱為金屬效應元件結合蛋白(MRE—BP)，也有文獻稱之為金屬調節(jié)蛋白，反式作用金屬調節(jié)蛋白，核酸結合蛋白，DNA結合蛋白，轉錄因子等。一種金屬調節(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個胱氨酸和(或)組氨酸的不同排列組成4面體結構(4個胱氨酸；2個胱氨酸，2個組氨酸；3個胱氨酸，1個組氨酸)，其結構非常穩(wěn)定，鋅可通過鋅指結構，把激活子蛋白結合到DNA的增強子上調節(jié)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間的相互作用，并通過其激酶結合區(qū)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。

　　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(qū)域，可通過與DNA、RNA識別和蛋白質—蛋白質間相互作用，對轉錄進行調控。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參與基因表達 鋅可作為結構物質，在蛋白(結合蛋白)與基因發(fā)生互作時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，在蛋白質中形成相對獨立的一個結構域(Bermano等，1995)，這種結構域的共同特點是可通過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，大鼠糖皮質激素受體蛋白有795個氨基酸，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(qū)域折疊中起關鍵作用的還有鋅簇(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行調控 作為基因表達過程中的誘導物，鋅能引發(fā)蛋白與核酸結合，從而對基因表達進行調控，這一類鋅多數為二價的過渡元素，如：錦、鉛、銅、汞、鎳、鋅等。

　　2 鋅的分子生物學功能

　　2.1 鋅的吸收、轉運和分布

　　機體對鋅穩(wěn)衡性控制主要通過調節(jié)吸收過程來完成。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，無金屬白蛋白與原漿膜相互作用并將鋅從受體處移去而進入血液循環(huán)。被吸收的鋅與血液轉運蛋白結合，進入骨髓、肝臟和其他組織，以小分子可溶性物質參與代謝。

　　肝臟是動物鋅代謝、貯存的主要場所，鋅的周轉代謝速度最快。同時，胰、腎、脾對體內鋅的存留和代謝也具有重要的作用，而骨和神經系統(tǒng)中的鋅則不能迅速動用為機體有效利用。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源鋅，在動物體內鋅是需要性調節(jié)，由吸收和排泄來維持體內的平衡。

　　鋅分布于機體的所有組織器官中，各種動物體內鋅的含量差異不大。正常動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。

來源：微量元素分析儀

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