新研究揭示了鋅在細胞生長中的作用

生物化學(xué)教授Amy Palmer開發(fā)了一種創(chuàng)新技術(shù)，可以測量60小時內(nèi)自然循環(huán)細胞中的鋅含量。

鋅是一種微量營養(yǎng)素，許多人認為它是必需的，但他們可能不完全清楚具體的細節(jié)。大多數(shù)人都知道鈣可以從一杯牛奶中獲得，鉀可以從香蕉中獲得，而鋅的來源有時并不為人所知。關(guān)于鋅的未知進一步延伸到它在體內(nèi)的作用。雖然研究表明鋅對許多重要功能都是必不可少的——從細胞生長和增殖到DNA生成、免疫系統(tǒng)支持、構(gòu)建蛋白質(zhì)等等——但人們對鋅是如何起作用的知之甚少。事實上，科學(xué)家們對鋅在體內(nèi)的功能，尤其是它在生長中的作用的了解，很多都是通過研究鋅缺乏癥中鋅的缺失而獲得的。

由科羅拉多大學(xué)博爾德生物化學(xué)系教授Amy Palmer領(lǐng)導(dǎo)的一項新發(fā)表的研究，揭示了鋅在細胞生長中的作用。研究表明，當鋅含量過低或過高時，所有細胞的增殖都會停止，直到鋅含量回到可接受的范圍內(nèi)。它還揭示了一種被研究人員稱為“鋅脈沖”的現(xiàn)象——細胞分裂后，它的鋅含量會短暫增加，大約一個小時后又會下降。

Palmer和她的研究同事，博士后助理Ananya Rakshit和研究生Samuel Holtzen，通過使用基因編碼的熒光傳感器，當鋅與它們結(jié)合時，它們會改變顏色并發(fā)光，從而對鋅的重要作用有了新的認識。

Palmer解釋說:“對于該領(lǐng)域來說，這些熒光傳感器是一個重大突破，因為它們使我們能夠在許多小時內(nèi)測量和量化單個細胞中的鋅。當細胞準備分裂時，我們可以觀察到鋅，當它分裂時，當兩個子細胞經(jīng)歷同樣的過程時。我們需要在細胞水平上了解為什么需要鋅，在哪里需要鋅，需要多少鋅。當我們想到鋅補充劑時，一個缺失的部分是理解和知道細胞何時需要鋅以及它們實際需要多少。”

使用熒光

Palmer在開發(fā)熒光傳感器方面的工作得到了國際上的認可，這種熒光傳感器可以在不破壞細胞功能的情況下檢測細胞中的金屬，她和她的研究同事使用了一點生物化學(xué)和一點工程技術(shù)來制造一種只能與鋅結(jié)合的傳感器。Palmer說:“這些熒光報告蛋白對細胞的干擾較小，讓它們自然循環(huán)，它們確實是這一研究領(lǐng)域的未來潮流。我的同事Sabrina Spencer開創(chuàng)了研究自然循環(huán)細胞的方法，我們從她和她的實驗室學(xué)到了很多東西。我們的想法是利用這些熒光報告劑，創(chuàng)造一些專門針對鋅的熒光報告劑。”

當Palmer在科羅拉多大學(xué)建立她的實驗室時，她和她的同事們開始開發(fā)這些熒光傳感器，建立在Palmer和她的導(dǎo)師Roger Tsien完成的博士后研究的基礎(chǔ)上。Tsien因發(fā)現(xiàn)和開發(fā)綠色熒光蛋白而獲得諾貝爾化學(xué)獎，他和其他科學(xué)家利用這種熒光蛋白來追蹤細胞中某些基因的表達時間和地點。

Palmer說:“這些熒光傳感器的真正有趣之處在于，它們是由基因編碼的蛋白質(zhì)制成的。它們有一個DNA序列，這一段DNA編碼了一種與鋅結(jié)合的蛋白質(zhì)。當它與鋅結(jié)合時，顏色會發(fā)生變化，這是一個重大突破。很容易得到一個非常小的反應(yīng)，但很難得到一個真正大的，強大的反應(yīng)，可以用來跟蹤細胞超過60小時。我們對工具進行了多次迭代優(yōu)化，以使它們按照我們想要的方式工作。”   

然而，這些努力得到了回報，因為之前的許多研究都是在細胞中添加化學(xué)物質(zhì)來阻止它們分裂或去除它們的生長血清——這一過程也可以去除鋅。然后，除去化學(xué)物質(zhì)或加入生長血清重新啟動細胞分裂，使細胞排列整齊，使它們在同一時間做同樣的事情。然而，這種情況并不能代表人體內(nèi)發(fā)生的情況。

通過將熒光報告器引入細胞，Palmer和她的同事不僅可以測量鋅的含量，還可以在60小時內(nèi)跟蹤每個細胞。與自然循環(huán)的細胞一起工作，使細胞能夠?qū)崟r地進行正常的工作。然后，研究人員計算出每個細胞的狀態(tài)，以及在這段時間內(nèi)每個點的鋅含量。

對營養(yǎng)和疾病的影響

Palmer的研究之所以重要，不僅是因為正在開發(fā)和用于研究細胞周期的創(chuàng)新工具，還因為鋅的重要性尚未廣為人知，鋅缺乏的影響可能是顯著的。世界上約17%的人口缺鋅，缺鋅在世界某些地區(qū)構(gòu)成了公共衛(wèi)生危機。

嚴重缺鋅會導(dǎo)致生長發(fā)育減慢或停止，性成熟延遲，免疫功能受損和傷口愈合，以及許多其他問題。然而，科學(xué)家們現(xiàn)在才剛剛開始了解細胞何時需要鋅以及需要多少鋅。

通過使用熒光傳感器跟蹤單個細胞在60小時內(nèi)對鋅的攝取，Palmer和她的合作研究人員發(fā)現(xiàn)細胞分裂后發(fā)生的鋅脈沖。

Palmer說:“我們還不知道為什么會發(fā)生這種情況，但我們推測，兩個新的子細胞需要引入大量的鋅來促進單個細胞的生長。如果他們沒有那種脈搏，那么他們就無法繼續(xù)前進，他們必須暫停。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，鋅水平需要恰到好處——如果鋅水平過高或過低，細胞功能就會暫停，直到鋅水平恢復(fù)正常。在暫停期間，他們觀察到細胞努力制造DNA。               

在最近發(fā)表的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，Palmer實驗室的本科生研究人員正在研究乳腺癌細胞中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的高鋅含量，以及為什么這些細胞不會像健康細胞那樣對高鋅水平做出反應(yīng)。Palmer說，就好像細胞有一個安全開關(guān)，癌癥可以繞過它。

Palmer說，深入研究細胞何時以及為什么需要鋅，以及鋅的含量，可能“對理解整個生物體水平的人類營養(yǎng)，對理解鋅的失調(diào)或疾病的功能障礙有意義。我們真的在努力理解這個設(shè)定值，以及每個細胞感知鋅狀態(tài)的基本機制，以及在一定范圍內(nèi)，它如何調(diào)節(jié)鋅的含量。