新研究揭示了鋅在細(xì)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(shí)內(nèi)自然循環(huán)細(xì)胞中的鋅含量。

鋅是一種微量營養(yǎng)素，許多人認(rèn)為它是必需的，但他們可能不完全清楚具體的細(xì)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(shí)并不為人所知。關(guān)于鋅的未知進(jìn)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(xì)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(shí)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(xiàng)新發(fā)表的研究，揭示了鋅在細(xì)胞生長中的作用。研究表明，當(dāng)鋅含量過低或過高時(shí)，所有細(xì)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(xì)胞分裂后，它的鋅含量會短暫增加，大約一個(gè)小時(shí)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(dāng)鋅與它們結(jié)合時(shí)，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(rèn)識。

Palmer解釋說:“對于該領(lǐng)域來說，這些熒光傳感器是一個(gè)重大突破，因?yàn)樗鼈兪刮覀兡軌蛟谠S多小時(shí)內(nèi)測量和量化單個(gè)細(xì)胞中的鋅。當(dāng)細(xì)胞準(zhǔn)備分裂時(shí)，我們可以觀察到鋅，當(dāng)它分裂時(shí)，當(dāng)兩個(gè)子細(xì)胞經(jīng)歷同樣的過程時(shí)。我們需要在細(xì)胞水平上了解為什么需要鋅，在哪里需要鋅，需要多少鋅。當(dāng)我們想到鋅補(bǔ)充劑時(shí)，一個(gè)缺失的部分是理解和知道細(xì)胞何時(shí)需要鋅以及它們實(shí)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(rèn)可，這種熒光傳感器可以在不破壞細(xì)胞功能的情況下檢測細(xì)胞中的金屬，她和她的研究同事使用了一點(diǎn)生物化學(xué)和一點(diǎn)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(bào)告蛋白對細(xì)胞的干擾較小，讓它們自然循環(huán)，它們確實(shí)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(xì)胞的方法，我們從她和她的實(shí)驗(yàn)室學(xué)到了很多東西。我們的想法是利用這些熒光報(bào)告劑，創(chuàng)造一些專門針對鋅的熒光報(bào)告劑。”

當(dāng)Palmer在科羅拉多大學(xué)建立她的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，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(jiǎng)，他和其他科學(xué)家利用這種熒光蛋白來追蹤細(xì)胞中某些基因的表達(dá)時(shí)間和地點(diǎn)。

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(gè)DNA序列，這一段DNA編碼了一種與鋅結(jié)合的蛋白質(zhì)。當(dāng)它與鋅結(jié)合時(shí)，顏色會發(fā)生變化，這是一個(gè)重大突破。很容易得到一個(gè)非常小的反應(yīng)，但很難得到一個(gè)真正大的，強(qiáng)大的反應(yīng)，可以用來跟蹤細(xì)胞超過60小時(shí)。我們對工具進(jìn)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(bào)，因?yàn)橹暗脑S多研究都是在細(xì)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(xì)胞分裂，使細(xì)胞排列整齊，使它們在同一時(shí)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(bào)告器引入細(xì)胞，Palmer和她的同事不僅可以測量鋅的含量，還可以在60小時(shí)內(nèi)跟蹤每個(gè)細(xì)胞。與自然循環(huán)的細(xì)胞一起工作，使細(xì)胞能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行正常的工作。然后，研究人員計(jì)算出每個(gè)細(xì)胞的狀態(tài)，以及在這段時(shí)間內(nèi)每個(gè)點(diǎn)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?yàn)檎陂_發(fā)和用于研究細(xì)胞周期的創(chuàng)新工具，還因?yàn)殇\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(jī)。

嚴(yán)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(xì)胞何時(shí)需要鋅以及需要多少鋅。

通過使用熒光傳感器跟蹤單個(gè)細(xì)胞在60小時(shí)內(nèi)對鋅的攝取，Palmer和她的合作研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)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(gè)新的子細(xì)胞需要引入大量的鋅來促進(jìn)單個(gè)細(xì)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(jìn)，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(xì)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(xì)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(shí)驗(yàn)室的本科生研究人員正在研究乳腺癌細(xì)胞中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的高鋅含量，以及為什么這些細(xì)胞不會像健康細(xì)胞那樣對高鋅水平做出反應(yīng)。Palmer說，就好像細(xì)胞有一個(gè)安全開關(guān)，癌癥可以繞過它。

Palmer說，深入研究細(xì)胞何時(shí)以及為什么需要鋅，以及鋅的含量，可能“對理解整個(gè)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(gè)設(shè)定值，以及每個(gè)細(xì)胞感知鋅狀態(tài)的基本機(jī)制，以及在一定范圍內(nèi)，它如何調(diào)節(jié)鋅的含量。