鋅離子對細胞信號轉導調控的研究進展

陳　康(綜述),劉海鵬,馬家驤,陳　曉(審校)

(蘭州大學第二臨床醫學院 蘭州大學第二醫院胃腸外科 甘肅省消化系腫瘤重點實驗室,蘭州730030)

?

鋅離子對細胞信號轉導調控的研究進展

陳康△(綜述),劉海鵬,馬家驤,陳曉※(審校)

(蘭州大學第二臨床醫學院 蘭州大學第二醫院胃腸外科 甘肅省消化系腫瘤重點實驗室,蘭州730030)

摘要：鋅元素能夠以自由離子的形式在細胞內作為一種信號分子，通過對多個關鍵環節的影響，從而對細胞信號轉導起到重要的調控作用。這些環節包括細胞外信號識別、第二信使的代謝、蛋白激酶和磷酸酶活性以及轉錄因子活性等，并且能通過此途徑在多種生理和病理事件中扮演著重要的角色，包括細胞免疫、增殖、凋亡、分化及侵襲等。因此，該文就鋅離子作為信號分子對細胞信號轉導調控的研究進展予以綜述，以期促進鋅離子在細胞生理、病理事件中作用機制的研究以及為疾病的防治提供理論依據。

關鍵詞：鋅；信號通路；表皮生長因子受體；胰島素樣生長因子；環腺苷酸

鋅是一種重要的微量元素，參與人體多種蛋白的構成，包括生長因子、細胞因子、受體、酶及轉錄因子等。在這些蛋白中，鋅主要是一種輔助因子，通過與這些蛋白的鋅指結構、環指結構及LIM結構域等鋅結合模體緊密結合，從而維持它們的結構和功能的完整性，對細胞正常的生理功能具有重要意義[1]。此外，許多研究表明，鋅元素能夠以自由離子的形式在細胞內作為一種信號分子，通過對多個關鍵環節的影響，從而對細胞信號轉導具有重要的調控作用，這些環節包括細胞外信號識別、第二信使的代謝、蛋白激酶和磷酸酶活性以及轉錄因子活性等。鋅在多種生理和病理事件中扮演著重要的角色，包括細胞免疫、增殖、凋亡、分化及侵襲等。

1鋅離子與細胞外信號的識別

胞外信號肽與膜外受體的結合為細胞信號轉導事件起點，是整個過程的閥門。鋅離子可通過直接或間接對胞外信號肽和(或)膜受體的分子結構進行特定修飾或調節信號肽的釋放，從而調節信號肽與膜外受體之間的相互作用或受體自身的生物活性，最終實現對胞外信號的識別過程的調控。

1.1鋅對表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)受體(EGF receptor,EGFR)和EGF的調節 鋅離子能夠通過促進EGFR酪氨酸殘基的磷酸化而使之活化，進而激活下游的Ras/絲裂原激活蛋白激酶(Ras/mitoge-activated protein kinase,Ras/MAPK)信號通路。Samet等[2]研究表明，在成纖維細胞和皮膚鱗癌細胞A431中，鋅離子能夠先通過活化非受體酪氨酸蛋白激酶，再激活EGFR和其下游的Ras/MAPK信號通路，但是此過程沒有涉及到EGFR的二聚化變構改變和其本身的酪氨酸激酶的活性作用。Wu等[3]發現，鋅離子能夠促進人氣道上皮細胞分泌肝素結合性EGF的分泌，進而促進EGFR活化。然而，Tal等[4]研究發現，在氣道表皮細胞中，鋅離子雖然也可以活化EGFR，但它并不依賴于酪氨酸蛋白激酶的激活或者肝素結合性EGF的分泌，而是通過抑制蛋白酪氨酸磷酸酶的活性，阻遏EGFR酪氨酸殘基的去磷酸化而致使EGFR長時間處于活化狀態。

1.2鋅對胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor,IGF)和IGF1受體(IGF 1 receptor,IGF-1R)的調節IGF信號通路在細胞的生長分化和胚胎發育等方面具有重要意義。IGF受體，特別是Ⅰ型受體IGF-1R，是IGF信號通路的起始信號識別的重要元件。許多研究表明，在不同情況下，鋅離子既能促進又能抑制細胞IGF信號的轉導。鋅離子能夠通過多種機制促進IGF信號的轉導。Pandey等[5]研究表明，在人類乳腺癌細胞MCF-7中，鋅離子能夠促進細胞外調節蛋白激酶1和2(extracellular regulated protein kinase 1/2,ERK1/2) 和蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/Akt)的磷酸化，然而當敲除MCF-7細胞的IGF-1R基因，鋅離子則失去此效應，說明鋅離子促進ERK1/2 和Akt磷酸化的過程依賴于其對上游IGF信號通路的活化。Haase等[6]研究表明，鋅離子能夠通過抑制神經膠質瘤細胞的蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase,PTP)的活性進而促進IGF-1R的磷酸化而使其活化。值得注意的是，他們發現，單獨用鋅離子或其透膜載體pyrithione處理細胞時并不能明顯發揮此效應，而將鋅離子和其透膜載體pyrithione共同處理細胞時則作用明顯，這說明鋅離子對細胞IGF信號通路的調節作用受到細胞本身對鋅離子吸收的能力的影響。除能促進IGF信號轉導外，鋅離子亦能抑制其轉導。Banudevi等[7]研究表明，鋅離子能夠促進非激素依賴型前列腺癌細胞PC-3的凋亡和抑制其活性，并且發現這與鋅離子抑制了PC-3細胞IGF信號通路活性相關，實驗結果顯示，經鋅離子處理后，細胞表達的IGF-1R、胰島素受體底物[胰島素受體底物1 (Insulin receptor substrate 1,IRS-1)和胰島素受體底物2(Insulin receptor substrate 2,IRS-2)]、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)、Akt、ERK1/2以及周期素D1(cyclin D1)等促進腫瘤生長的蛋白水平顯著降低，而促凋亡蛋白胰島素生長因子受體結合蛋白IGFBP-3表達水平升高。綜上可知，鋅離子既能促進又能抑制細胞IGF信號的轉導，但是具體是促進還是抑制以及通過何種機制，這與細胞種類和細胞對鋅離子吸收的能力有關。

1.3鋅對神經生長因子(nerve growth factor,NGF)和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的調節 NGF對神經細胞具有營養功能，能夠抑制氧化應激誘導神經細胞壞死凋亡的過程。Ross等[8]研究發現，鋅離子能夠與NGF結合改變其受體(trkA和p75)信號識別結構域的構型，致使NGF不能與其受體結合，從而不能通過激活下游信號轉導發揮神經營養功能。進一步研究表明，鋅離子能夠通過NGF抑制氧化應激誘導的嗜鉻細胞瘤細胞PC12凋亡的效應。VEGF是一種血管生成促進因子，在腫瘤的進展中具有重要意義。Golovine等[9]研究發現，鋅離子能夠通過抑制核因子κB(Nuclear factor κB,NF-κB)信號通路活性從而抑制前列腺癌細胞PC-3 和DU-145 VEGF的表達；然而，當用鋅離子螯合劑處理PC-3 和DU-145細胞后，使其處于一種缺鋅的狀態，結果發現細胞的VEGF出現高表達，表明鋅離子能夠抑制前列腺癌細胞VEGF的表達，能夠抑制腫瘤血管的生成。

2鋅對第二信使代謝的調節

細胞內環境的改變，可以使細胞內第二信使的濃度瞬間升高和快速降低，并由此調節細胞內代謝系統的酶活性，控制細胞的增殖、分化和生存，并參與基因轉錄的調節。目前較為明確的第二信使主要包括Ca2+、環腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)、環鳥苷酸(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)、1,2-二酰甘油(diacylglycerol,DAG)、1,4,5-三磷酸肌醇(inositol1,4,5-trisphosphate,IP3)等。鋅離子既能夠調節第二信使的代謝，同時自身又能扮演第二信使的角色，對細胞信號轉導的調控具有重要作用。

2.1鋅對胞內Ca2+濃度的調節 在不同類型的細胞，鋅離子對細胞內鈣離子濃度的調節效應不一樣，可以是提高或降低，并且作用機制也不相同。鋅離子能夠通過促進細胞內鈣庫鈣離子動員和抑制ATP酶鈣離子轉運蛋白表達及活性提高細胞內鈣離子的濃度，從而促進鈣離子信號的轉導。Guo等[10]研究發現，在原始肝細胞和視網膜光感受器細胞661W細胞中，鋅離子能夠通過促進激素敏感性鈣庫鈣離子動員和抑制ATP酶鈣離子轉運蛋白的表達和活性而使細胞內的鈣離子濃度增加。此外，Gore等[11]研究表明，鋅離子能夠與人類唾液腺細胞HSY的鈣池操縱鈣離子通道的胞外鈣離子結合位點結合，從而抑制鈣離子的內流，最終抑制鈣離子信號的轉導。

2.2鋅對cAMP和cGMP濃度的調節cAMP和cGMP是信號轉導過程中兩種重要的第二信使，它們在細胞中的濃度受到腺苷酸環化酶(adenylate cyclase,AC)、鳥苷酸環化酶(guanylyl cyclase，GC)及磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)的共同調節。鋅離子能夠通過影響以上酶的活性來調節細胞內cAMP和cGMP濃度，從而發揮調控細胞信號轉導的功能。AC有兩個催化結構域(CI和CII)，且結構域中存在兩種與酶催化活性相關的金屬離子結合位點，在細胞內鎂離子能夠與之結合并將該酶激活；在細胞外鋅離子和錳離子亦能分別與之結合。Klein等[12]研究發現，在神經母細胞瘤細胞N18TG2中，10~100 μmol/L的鋅離子能夠抑制激素和AC激活劑對AC的活化，從而減少cAMP的合成；值得注意的是，此種情況下，鋅離子對AC抑制作用的機制并非是通過與鎂離子競爭結合AC催化結構域的金屬離子結合位點實現的，因此他們推測，鋅離子應該是通過與AC催化結構域其他部位結合(鋅離子抑制結合位點)發揮抑制AC活性的效應。在此基礎上，他們進一步研究發現，鋅離子對AC的抑制作用與AC分子構型相關：一方面，鋅離子通過與鋅離子抑制結合位點結合，引起AC的構型改變，發揮對AC的變構抑制作用；另一方面，AC的分子構型會影響鋅離子對AC活性的抑制作用；激素和AC激活劑亦能引起AC的構型改變，不同于鋅離子的是，它們是變構激活AC。由激素和AC激活劑誘導的AC的構型改變，能夠抑制鋅離子與鋅離子抑制結合位點結合，最終使鋅離子無法發揮對AC的抑制效應。細胞內PDE對cAMP和cGMP具有水解活性。鋅離子能夠通過調節PDE的表達及其對cAMP和cGMP的水解活性，從而調節細胞內cAMP和cGMP的濃度，最終影響細胞內信號的轉導，引發一系列細胞生物學的改變。Von等[13]研究發現，在單核細胞中，鋅離子(0~125 μmol/L)不僅能抑制PDE的水解活性，還能降低PDE的表達，提高單核細胞內cGMP的濃度，影響cGMP信號通路信號的轉導，最終抑制單核細胞腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)α和 白細胞介素(interleukin，IL)1b的表達。然而，Francis等[14]研究表明，低濃度鋅離子對PDE有活化效應，而高濃度則抑制PDE的活性。

3鋅對蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性的調節

蛋白磷酸化是多種信號轉導途徑的重要環節，細胞內大部分重要的生命過程都涉及到蛋白質的磷酸化。大量研究表明，鋅離子能夠通過調節多種蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性影響信號轉導過程中蛋白磷酸化過程，最終實現對細胞信號轉導的調控,如表1所示。

表1　鋅離子對信號通路相關蛋白激酶和磷酸酶活性的調節

↑或 ↓表示蛋白激酶或磷酸酶活性的升高或降低；PKC：蛋白激酶C；Akt：蛋白激酶B；ERK：細胞外調節蛋白激酶；p38：有絲分裂原激活蛋白激酶；JNK：氨基末端激酶；VE-PTP：血管內皮蛋白酪氨酸磷酸酶；H2O2：過氧化氫；IL-2：白細胞介素2；IFN-γ：干擾素γ

4鋅離子對轉錄因子活性的調節

外界刺激信號經一系列信號轉導過程，最終必須通過改變靶基因的轉錄活性才能誘導特定的生物應答反應。鋅離子能夠通過調節一些轉錄因子的活性誘導細胞相應的生物學改變。Uzzo等[23]研究表明，鋅離子既能夠抑制前列腺癌細胞DU-145和 PC-3的轉錄因子NF-κB活性，又能促進轉錄激活因子AP-1的活性，但是前者的效應要大于后者，于是最終抑制了VEGF、IL-6、IL-8及基質金屬蛋白酶9(matrix metalloprotein,MMP-9)的表達。缺氧誘導因子低氧誘導因子1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)是一種具有轉錄活性的核蛋白，在多種腫瘤中呈高表達水平狀態，與腫瘤的血管生成、代謝適應以及耐藥性等相關。Nardinocchi等[24]研究發現，在體外和體內實驗中，鋅離子均能夠誘導膠質瘤和前列腺癌細胞中HIF-1α經蛋白酶體途徑降解和抑制其活性，最終抑制了HIF-1α靶基因VEGF的表達以及腫瘤細胞的侵襲能力。

5結語

鋅離子能夠對細胞信號通路轉導途徑的多環節進行調控，包括細胞外信號識別、第二信使的代謝、蛋白激酶和磷酸酶活性以及轉錄因子活性等；鋅離子通過對細胞信號通路的調控，在多種生理和病理事件中發揮重要作用，涉及細胞的生長分化、胚胎發育、神經營養、增殖、凋亡及侵襲等。因此，進一步深入研究鋅離子在人體的作用及其機制對維持機體健康和疾病的治療具有重要意義。

參考文獻

[1]Murakami M,Hirano T.Intracellular zinc homeostasis and zinc signaling[J].Cancer Sci,2008,99(8):1515-1522.

[2]Samet JM,Dewar BJ,Wu W,etal.Mechanisms of Zn(2+)-induced signal initiation through the epidermal growth factor receptor[J].Toxicol Appl Pharmacol,2003,191(1):86-93.

[3]Wu W,Samet JM,Silbajoris R,etal.Heparin-binding epidermal growth factor cleavage mediates zinc-induced epidermal growth factor receptor phosphorylation[J].Am J Respir Cell Mol Biol,2004,30(4):540-547.

[4]Tal TL,Graves LM,Silbajoris R,etal.Inhibition of protein tyrosine phosphatase activity mediates epidermal growth factor receptor signaling in human airway epithelial cells exposed to Zn2+[J].Toxicol Appl Pharmacol,2006,214(1):16-23.

[5]Pandey NR,Vardatsikos G,Mehdi MZ,etal.Cell-type-specific roles of IGF-1R and EGFR in mediating Zn2+-induced ERK1/2 and PKB phosphorylation[J].J Biol Inorg Chem,2010,15(3):399-407.

[6]Haase H,Maret W.Intracellular zinc fluctuations modulate protein tyrosine phosphatase activity in insulin/insulin-like growth factor-1 signaling[J].Exp Cell Res,2003,291(2):289-298.

[7]Banudevi S,Senthilkumar K,Sharmila G,etal.Effect of zinc on regulation of insulin-like growth factor signaling in human androgen-independent prostate cancer cells[J].Clin Chim Acta,2010,411(3/4):172-178.

[8]Ross GM,Shamovsky IL,Lawrance G,etal.Zinc alters conformation and inhibits biological activities of nerve growth factor and related neurotrophins[J].Nat Med,1997,3(8):872-878.

[9]Golovine K,Uzzo RG,Makhov P,etal.Depletion of intracellular zinc increases expression of tumorigenic cytokines VEGF,IL-6 and IL-8 in prostate cancer cells via NF-kappaB-dependent pathway[J].Prostate,2008,68(13):1443-1449.

[10]Guo D,Du Y,Wu Q,etal.Disrupted calcium homeostasis is involved in elevated zinc ion-induced photoreceptor cell death[J].Arch Biochem Biophys,2014,560:44-51.

[11]Gore A,Moran A,Hershfinkel M,etal.Inhibitory mechanism of store-operated Ca2+channels by zinc[J].J Biol Chem,2004,279(12):11106-11111.

[12]Klein C,Heyduk T,Sunahara RK.Zinc inhibition of adenylyl cyclase correlates with conformational changes in the enzyme[J].Cell Signal,2004,16(10):1177-1185.

[13]Von Bulow V,Rink L,Haase H.Zinc-mediated inhibition of cyclic nucleotide phosphodiesterase activity and expression suppresses TNF-alpha and IL-1 beta production in monocytes by elevation of guanosine 3′,5′-cyclic monophosphate[J].J Immunol,2005,175(7):4697-4705.

[14]Francis SH,Colbran JL,Mcallister-Lucas LM,etal.Zinc interactions and conserved motifs of the cGMP-binding cGMP-specific phosphodiesterase suggest that it is a zinc hydrolase[J].J Biol Chem,1994,269(36):22477-22480.

[15]Liang D,Yang M,Guo B,etal.Zinc upregulates the expression of osteoprotegerin in mouse osteoblasts MC3T3-E1 through PKC/MAPK pathways[J].Biol Trace Elem Res,2012,146(3):340-348.

[16]Liang D,Yang M,Guo B,etal.Zinc inhibits H(2)O(2)-induced MC3T3-E1 cells apoptosis via MAPK and PI3K/AKT pathways[J].Biol Trace Elem Res,2012,148(3):420-429.

[17]Zhang X,Liang D,Guo B,etal.Zinc inhibits high glucose-induced apoptosis in peritoneal mesothelial cells[J].Biol Trace Elem Res,2012,150(1/3):424-432.

[18]Zhang X,Wang J,Fan Y,etal.Zinc supplementation attenuates high glucose-induced epithelial-to-mesenchymal transition of peritoneal mesothelial cells[J].Biol Trace Elem Res,2012,150(1/3):229-235.

[19]Daaboul D,Rosenkranz E,Uciechowski P,etal.Repletion of zinc in zinc-deficient cells strongly up-regulates IL-1beta-induced IL-2 production in T-cells[J].Metallomics,2012,4(10):1088-1097.

[20]Honscheid A,Dubben S,Rink L,etal.Zinc differentially regulates mitogen-activated protein kinases in human T cells[J].J Nutr Biochem,2012,23(1):18-26.

[21]Alcantara EH,Shin MY,Feldmann J,etal.Long-term zinc deprivation accelerates rat vascular smooth muscle cell proliferation involving the down-regulation of JNK1/2 expression in MAPK signaling[J].Atherosclerosis,2013,228(1):46-52.

[22]Wilson M,Hogstrand C,Maret W.Picomolar concentrations of free zinc(II) ions regulate receptor protein-tyrosine phosphatase beta activity[J].J Biol Chem,2012,287(12):9322-9326.

[23]Uzzo RG,Crispen PL,Golovine K,etal.Diverse effects of zinc on NF-kappaB and AP-1 transcription factors:implications for prostate cancer progression[J].Carcinogenesis,2006,27(10):1980-1990.

[24]Nardinocchi L,Pantisano V,Puca R,etal.Zinc downregulates HIF-1alpha and inhibits its activity in tumor cells in vitro and in vivo[J].PLoS One,2010,5(12):e15048.

The Development of the Research on the Effects of Zinc as a Signal Molecule on the Cellular Signaling TranuctionCHENKang,LIUHai-peng,MAJia-xiang,CHENXiao.(TheSecondClinicalMedicalCollegeofLanzhouUniversity/theKeyLaboratoryofDigestiveSystemTumors,GansuProvince/theGastrointestinalSurgicalDepartmentoftheSecondHospitalofLanzhouUniversity,Lanzhou730030,China)

Abstract:Zinc can act as a kind of signal molecule in the form of active ion to participate in the modulation of cellular signaling tranuction,including the extracellular signal recognition,the metabolism of second messenger,the activity of protein kinase,phosphatase and transcription factors,by which it plays a significant role in many physiological and pathological processes such as cellular immunity,inflammation,proliferation,apoptosis,differentiation and invasion.Here is to make a review of the development of the research on the effects of zinc as a signal molecule on the cellular signaling tranuction in the hope of advancing the related research and providing the possible new theory of treatment for disease linked with zinc.

Key words:Zinc; Signaling pathway; Epidermal growth factor receptor; Insulin-like growth factor; Cyclic adenosine monophosphate

收稿日期：2015-05-18修回日期：2015-07-21編輯：孫洪芳

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.21.018

中圖分類號：Q257

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)21-3893-04