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微量元素调控基因表达分子机制

来自:微量元素分析仪

【标    题】:

微量元素调控基因表达分子机制


【作者单位】:

山东济宁东盛电子仪器有限公司


【内容摘要】:  微量元素是动物细胞内最丰富的微量元素,锌在调控基因的表达,对动物的生长发育都有重要的作用。本文综述了近年来国内外在锌调控基因表达方面的研究进展,从分子生物学的角度阐述了锌调控基因的途径、主要方式及其生物学功能。   锌是目前发现的微量元素中生理功能最多的一种元素,它是继铜、砷之后发现的又一高效微量元素促生长添加剂。它对动物机体的生长发育有重要影响。自Todd等(1934)首次证明锌是高等动物营养必需之后。Tuker等人发现缺锌会导致猪皮肤不全角化症。Dello(1957)又发现鸡的日粮中缺锌亦能出现与猪相似的症状。几十年来,锌对动物的营养作用受到了的普通重视,世界各国对锌进 [更多详细]

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  微量元素是动物细胞内最丰富的微量元素,锌在调控基因的表达,对动物的生长发育都有重要的作用。本文综述了近年来国内外在锌调控基因表达方面的研究进展,从分子生物学的角度阐述了锌调控基因的途径、主要方式及其生物学功能。

  锌是目前发现的微量元素中生理功能最多的一种元素,它是继铜、砷之后发现的又一高效微量元素促生长添加剂。它对动物机体的生长发育有重要影响。自Todd等(1934)首次证明锌是高等动物营养必需之后。Tuker等人发现缺锌会导致猪皮肤不全角化症。Dello(1957)又发现鸡的日粮中缺锌亦能出现与猪相似的症状。几十年来,锌对动物的营养作用受到了的普通重视,世界各国对锌进行了广泛深入的研究,在理论研究和实践应用方面取得了很大进展。本文综述了近年来国内外在锌调控基因表达方面的研究进展,从分子生物学的角度阐述了锌调控基因的途径、主要方式、功能。

  近年来的大量试验表明:Zn2+主要是在转录水平通过基因调节蛋白(gene regulatory proteins)对基因的特异表达进行调控的。目前,在各类生物体中已发现有500多种与Zn2+相关的基因调节蛋白,但确认结合有Zn2+的却不多,其中5种已研究得比较清楚,它们是:转录因子、糖皮质激素受体、雌激素受体、GAU和基因32蛋白。当用Zn2+螯合剂除去这些基因调节蛋白中的Zn2+后,它们与DNA等的特异性结合就会显著地被抑制,同时蛋白质本身的结构稳定性也会被破坏,影响基因表达。可见锌在调控基因的表达过程中发挥着重要的作用。

  1 锌调控基因表达的机理

  1.1 锌调控基因表达的途径

  途径一,锌结合在位于应答性基因起始位置上游的启动子序列中的一个或几个金属调节元件(MetalregMlatory element,MRE)位点上对基因转录进行调控。例如金属硫蛋白(MT)的基因表达:MT基因调控模式的阐明是唯一清楚知道锌直接调控基因转录速度的例子 (Andrews,1990)。[1]

  锌的调控的具体过程是:在细胞质内,锌与MTF(MRE结合转录因子,MRE-binding translation factor)结合,然后转移进入细胞膜内,MTF识别MT基因启动子的特异序列MRE(Mental response elemnt,金属反应元件),并与DNA结合,启动基因转录。近来有证据表明,类似MRE的核心序列也存在于其它基因启动子上(如急性阶段反应物QI—酸糖蛋白、C反应蛋白等),并受饲粮锌的调节。MT启动子MRE的核心序列是CTCTGCRCNCGCCC,R、N分别代表嘌呤或任何碱基。锌作为MTF的配基,以此参与基因表达的调控。由于MTF的丰度相对于其它转录因子相当低,分离MTF相当困难。用分子克隆技术,已在人和动物细胞中鉴别了一种MTF(MTF—1)。

  与锌结合的MT是锌代谢的调节因子,能清除经自由基,MT合成增多时,促进锌在细胞内的结合,控制游离的Zn2+。补充锌时,红血球、单核细胞和周边血液中单核细胞(PBMC)的MT水平提高(Jiayin,2000)。单核细胞MT mRNA和红细胞MT浓度的变化,可以作为评定锌的生物有效性的标准(Sullivan,1998)。

  途径二,锌通过反式作用金属调节蛋白(转录因子)调控基因转录,锌与蛋白质的结合可以改变调节蛋白的构型,而这种构型的改变是调节蛋白与DNA直接结合或蛋白质-蛋白质互作后最终与DNA结合而调控基因转录所必需的。这一类调节蛋白与锌结合后发生变构,进而能与MRE结合,对效应基因进行调控,故称为金属效应元件结合蛋白(MRE—BP),也有文献称之为金属调节蛋白,反式作用金属调节蛋白,核酸结合蛋白,DNA结合蛋白,转录因子等。一种金属调节蛋白可和不同的元素配位,也可和多种MRE相作用,这取决于微量元素的种类和浓度以及动物种属差异;其分子中与微量元素配位的主要是胱氨酸和组氨酸。

  蛋白质的锌指基序代表一种非常重要的结构作用,在锌指结构中,锌与4个胱氨酸和(或)组氨酸的不同排列组成4面体结构(4个胱氨酸;2个胱氨酸,2个组氨酸;3个胱氨酸,1个组氨酸),其结构非常稳定,锌可通过锌指结构,把激活子蛋白结合到DNA的增强子上调节几种基因的表达。据报道,基因组中约1%为锌指蛋白编码。多数锌指蛋白是转录因子,某些锌指蛋白也参与蛋白质间的相互作用,并通过其激酶结合区域传递信号。若锌缺乏或从锌指结构中除去锌可能引起功能损失,影响基因表达,这在转录因子SP—I在体外的作用中,已得到证实。

  1.2 影响基因表达的主要方式

  1.2.1 锌作为金属酶的辅助因子参与基因表达 作为金属酶的辅助因子参与基因表达的锌中最典型的例子莫过于锌离子,真核生物的DNA聚合酶及3种RNA聚合酶皆是含锌酶,一些复制蛋白和转录因子也含有锌,因此锌元素既可影响DNA复制又可影响转录过程而参与基因表达,特别是广泛存在于真核、原核细胞中的锌指结构,它是多功能区域,可通过与DNA、RNA识别和蛋白质—蛋白质间相互作用,对转录进行调控。Michelsen等在加锌和不加锌的条件下分别检测了DNA聚合酶的活性,发现不加锌大鼠细胞核中DNA聚合酶活性显著低于正常饲喂水平的大鼠;而向缺锌大鼠饲料中加入0.01-O.05mol/L Zn离子又可使DNA聚合酶活性部分恢复。

  1.2.2 锌作为维持特殊构型的结构物质参与基因表达 锌可作为结构物质,在蛋白(结合蛋白)与基因发生互作时保证维持一定的特殊构型。目前认为,锌蛋白与DNA相互作用的模式为:转录因子以4种基因序列和DNA启动子或增强子结合,而锌指结构就是其中一种。锌指结构是锌原子作为活性结构的一部分与一小群氨基酸结合,在蛋白质中形成相对独立的一个结构域(Bermano等,1995),这种结构域的共同特点是可通过e—螺旋结合到DNA大沟中,锌指环上突出的Lys、Arg参与同DNA的结合,由于锌指结构往往重复出现,使得蛋白质因子在DNA大沟中结合很牢固且特异性高(Bermano等,1996)。研究结果发现,大鼠糖皮质激素受体蛋白有795个氨基酸,DNA结合域在氨基酸残基440-525位,此处富含Cys的锌指,DNA的结合根据Zn离子的有无而可逆地变化,如同锌指结构一样,锌可在转录因子的DNA结合区域折叠中起关键作用的还有锌簇(Zinc cluster)结构和锌扭(Zinctwist)结构。

  1.2.3 部分锌可作为诱导物从而对基因表达进行调控 作为基因表达过程中的诱导物,锌能引发蛋白与核酸结合,从而对基因表达进行调控,这一类锌多数为二价的过渡元素,如:锦、铅、铜、汞、镍、锌等。

  2 锌的分子生物学功能

  2.1 锌的吸收、转运和分布

  机体对锌稳衡性控制主要通过调节吸收过程来完成。其吸收及控制机理推论为:胰腺向肠腔分泌一种能结合锌的配位体,在肠道中该配位体与锌结合,结合锌后的配位体复合物通过肠道绒毛膜转移至上皮细胞内,上皮细胞内的锌又被转运至基底外侧原浆膜上的结合处,无金属白蛋白与原浆膜相互作用并将锌从受体处移去而进入血液循环。被吸收的锌与血液转运蛋白结合,进入骨髓、肝脏和其他组织,以小分子可溶性物质参与代谢。

  肝脏是动物锌代谢、贮存的主要场所,锌的周转代谢速度最快。同时,胰、肾、脾对体内锌的存留和代谢也具有重要的作用,而骨和神经系统中的锌则不能迅速动用为机体有效利用。毛发中基本上不存在锌的分解代谢。代谢后的锌主要经胆汁、胰液及其他消化液从粪中排出。粪中的锌大部分来自日粮中未被吸收的锌,小部分为由消化道分泌的内源锌,在动物体内锌是需要性调节,由吸收和排泄来维持体内的平衡。

  锌分布于机体的所有组织器官中,各种动物体内锌的含量差异不大。正常动物体内锌的总含量为30mg/kg左右,大致的分布为:骨骼28%、肝脏和皮肤8%、血液2%—3%、其它器官1.6%—1.8%。血浆中的锌30%—40%参与酶活性和功能.60%—70%与白蛋白松散结合,是体内锌的主要的运输形式。

来源:微量元素分析仪

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