新研究揭示了鋅在細胞生長中的作用

生物化學教授Amy Palmer開發了一種創新技術，可以測量60小時內自然循環細胞中的鋅含量。

鋅是一種微量營養素，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。大多數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。關于鋅的未知進一步延伸到它在體內的作用。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、免疫系統支持、構建蛋白質等等——但人們對鋅是如何起作用的知之甚少。事實上，科學家們對鋅在體內的功能，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。

由科羅拉多大學博爾德生物化學系教授Amy Palmer領導的一項新發表的研究，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。它還揭示了一種被研究人員稱為“鋅脈沖”的現象——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，當鋅與它們結合時，它們會改變顏色并發光，從而對鋅的重要作用有了新的認識。

Palmer解釋說:“對于該領域來說，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和一點工程技術來制造一種只能與鋅結合的傳感器。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，它們確實是這一研究領域的未來潮流。我的同事Sabrina Spencer開創了研究自然循環細胞的方法，我們從她和她的實驗室學到了很多東西。我們的想法是利用這些熒光報告劑，創造一些專門針對鋅的熒光報告劑。”

當Palmer在科羅拉多大學建立她的實驗室時，她和她的同事們開始開發這些熒光傳感器，建立在Palmer和她的導師Roger Tsien完成的博士后研究的基礎上。Tsien因發現和開發綠色熒光蛋白而獲得諾貝爾化學獎，他和其他科學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制成的。它們有一個DNA序列，這一段DNA編碼了一種與鋅結合的蛋白質。當它與鋅結合時，顏色會發生變化，這是一個重大突破。很容易得到一個非常小的反應，但很難得到一個真正大的，強大的反應，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物質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，除去化學物質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發生的情況。

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小時內跟蹤每個細胞。與自然循環的細胞一起工作，使細胞能夠實時地進行正常的工作。然后，研究人員計算出每個細胞的狀態，以及在這段時間內每個點的鋅含量。

對營養和疾病的影響

Palmer的研究之所以重要，不僅是因為正在開發和用于研究細胞周期的創新工具，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構成了公共衛生危機。

嚴重缺鋅會導致生長發育減慢或停止，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，科學家們現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小時內對鋅的攝取，Palmer和她的合作研究人員發現細胞分裂后發生的鋅脈沖。

Palmer說:“我們還不知道為什么會發生這種情況，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前進，他們必須暫停。”

研究人員還發現，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，直到鋅水平恢復正常。在暫停期間，他們觀察到細胞努力制造DNA。               

在最近發表的研究結果的基礎上，Palmer實驗室的本科生研究人員正在研究乳腺癌細胞中經常發現的高鋅含量，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。Palmer說，就好像細胞有一個安全開關，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，對理解鋅的失調或疾病的功能障礙有意義。我們真的在努力理解這個設定值，以及每個細胞感知鋅狀態的基本機制，以及在一定范圍內，它如何調節鋅的含量。