锌离子对细胞信号转导调控的研究进展

陈　康(综述),刘海鹏,马家骧,陈　晓(审校)

(兰州大学第二临床医学院 兰州大学第二医院胃肠外科 甘肃省消化系肿瘤重点实验室,兰州730030)



锌离子对细胞信号转导调控的研究进展

陈康△(综述),刘海鹏,马家骧,陈晓※(审校)

(兰州大学第二临床医学院 兰州大学第二医院胃肠外科 甘肃省消化系肿瘤重点实验室,兰州730030)

摘要：锌元素能够以自由离子的形式在细胞内作为一种信号分子，通过对多个关键环节的影响，从而对细胞信号转导起到重要的调控作用。这些环节包括细胞外信号识别、第二信使的代谢、蛋白激酶和磷酸酶活性以及转录因子活性等，并且能通过此途径在多种生理和病理事件中扮演着重要的角色，包括细胞免疫、增殖、凋亡、分化及侵袭等。因此，该文就锌离子作为信号分子对细胞信号转导调控的研究进展予以综述，以期促进锌离子在细胞生理、病理事件中作用机制的研究以及为疾病的防治提供理论依据。

关键词：锌；信号通路；表皮生长因子受体；胰岛素样生长因子；环腺苷酸

锌是一种重要的微量元素，参与人体多种蛋白的构成，包括生长因子、细胞因子、受体、酶及转录因子等。在这些蛋白中，锌主要是一种辅助因子，通过与这些蛋白的锌指结构、环指结构及LIM结构域等锌结合模体紧密结合，从而维持它们的结构和功能的完整性，对细胞正常的生理功能具有重要意义[1]。此外，许多研究表明，锌元素能够以自由离子的形式在细胞内作为一种信号分子，通过对多个关键环节的影响，从而对细胞信号转导具有重要的调控作用，这些环节包括细胞外信号识别、第二信使的代谢、蛋白激酶和磷酸酶活性以及转录因子活性等。锌在多种生理和病理事件中扮演着重要的角色，包括细胞免疫、增殖、凋亡、分化及侵袭等。

1锌离子与细胞外信号的识别

胞外信号肽与膜外受体的结合为细胞信号转导事件起点，是整个过程的阀门。锌离子可通过直接或间接对胞外信号肽和(或)膜受体的分子结构进行特定修饰或调节信号肽的释放，从而调节信号肽与膜外受体之间的相互作用或受体自身的生物活性，最终实现对胞外信号的识别过程的调控。

1.1锌对表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)受体(EGF receptor,EGFR)和EGF的调节 锌离子能够通过促进EGFR酪氨酸残基的磷酸化而使之活化，进而激活下游的Ras/丝裂原激活蛋白激酶(Ras/mitoge-activated protein kinase,Ras/MAPK)信号通路。Samet等[2]研究表明，在成纤维细胞和皮肤鳞癌细胞A431中，锌离子能够先通过活化非受体酪氨酸蛋白激酶，再激活EGFR和其下游的Ras/MAPK信号通路，但是此过程没有涉及到EGFR的二聚化变构改变和其本身的酪氨酸激酶的活性作用。Wu等[3]发现，锌离子能够促进人气道上皮细胞分泌肝素结合性EGF的分泌，进而促进EGFR活化。然而，Tal等[4]研究发现，在气道表皮细胞中，锌离子虽然也可以活化EGFR，但它并不依赖于酪氨酸蛋白激酶的激活或者肝素结合性EGF的分泌，而是通过抑制蛋白酪氨酸磷酸酶的活性，阻遏EGFR酪氨酸残基的去磷酸化而致使EGFR长时间处于活化状态。

1.2锌对胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor,IGF)和IGF1受体(IGF 1 receptor,IGF-1R)的调节IGF信号通路在细胞的生长分化和胚胎发育等方面具有重要意义。IGF受体，特别是Ⅰ型受体IGF-1R，是IGF信号通路的起始信号识别的重要元件。许多研究表明，在不同情况下，锌离子既能促进又能抑制细胞IGF信号的转导。锌离子能够通过多种机制促进IGF信号的转导。Pandey等[5]研究表明，在人类乳腺癌细胞MCF-7中，锌离子能够促进细胞外调节蛋白激酶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，然而当敲除MCF-7细胞的IGF-1R基因，锌离子则失去此效应，说明锌离子促进ERK1/2 和Akt磷酸化的过程依赖于其对上游IGF信号通路的活化。Haase等[6]研究表明，锌离子能够通过抑制神经胶质瘤细胞的蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase,PTP)的活性进而促进IGF-1R的磷酸化而使其活化。值得注意的是，他们发现，单独用锌离子或其透膜载体pyrithione处理细胞时并不能明显发挥此效应，而将锌离子和其透膜载体pyrithione共同处理细胞时则作用明显，这说明锌离子对细胞IGF信号通路的调节作用受到细胞本身对锌离子吸收的能力的影响。除能促进IGF信号转导外，锌离子亦能抑制其转导。Banudevi等[7]研究表明，锌离子能够促进非激素依赖型前列腺癌细胞PC-3的凋亡和抑制其活性，并且发现这与锌离子抑制了PC-3细胞IGF信号通路活性相关，实验结果显示，经锌离子处理后，细胞表达的IGF-1R、胰岛素受体底物[胰岛素受体底物1 (Insulin receptor substrate 1,IRS-1)和胰岛素受体底物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)等促进肿瘤生长的蛋白水平显著降低，而促凋亡蛋白胰岛素生长因子受体结合蛋白IGFBP-3表达水平升高。综上可知，锌离子既能促进又能抑制细胞IGF信号的转导，但是具体是促进还是抑制以及通过何种机制，这与细胞种类和细胞对锌离子吸收的能力有关。

1.3锌对神经生长因子(nerve growth factor,NGF)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的调节 NGF对神经细胞具有营养功能，能够抑制氧化应激诱导神经细胞坏死凋亡的过程。Ross等[8]研究发现，锌离子能够与NGF结合改变其受体(trkA和p75)信号识别结构域的构型，致使NGF不能与其受体结合，从而不能通过激活下游信号转导发挥神经营养功能。进一步研究表明，锌离子能够通过NGF抑制氧化应激诱导的嗜铬细胞瘤细胞PC12凋亡的效应。VEGF是一种血管生成促进因子，在肿瘤的进展中具有重要意义。Golovine等[9]研究发现，锌离子能够通过抑制核因子κB(Nuclear factor κB,NF-κB)信号通路活性从而抑制前列腺癌细胞PC-3 和DU-145 VEGF的表达；然而，当用锌离子螯合剂处理PC-3 和DU-145细胞后，使其处于一种缺锌的状态，结果发现细胞的VEGF出现高表达，表明锌离子能够抑制前列腺癌细胞VEGF的表达，能够抑制肿瘤血管的生成。

2锌对第二信使代谢的调节

细胞内环境的改变，可以使细胞内第二信使的浓度瞬间升高和快速降低，并由此调节细胞内代谢系统的酶活性，控制细胞的增殖、分化和生存，并参与基因转录的调节。目前较为明确的第二信使主要包括Ca2+、环腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)、环鸟苷酸(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。锌离子既能够调节第二信使的代谢，同时自身又能扮演第二信使的角色，对细胞信号转导的调控具有重要作用。

2.1锌对胞内Ca2+浓度的调节 在不同类型的细胞，锌离子对细胞内钙离子浓度的调节效应不一样，可以是提高或降低，并且作用机制也不相同。锌离子能够通过促进细胞内钙库钙离子动员和抑制ATP酶钙离子转运蛋白表达及活性提高细胞内钙离子的浓度，从而促进钙离子信号的转导。Guo等[10]研究发现，在原始肝细胞和视网膜光感受器细胞661W细胞中，锌离子能够通过促进激素敏感性钙库钙离子动员和抑制ATP酶钙离子转运蛋白的表达和活性而使细胞内的钙离子浓度增加。此外，Gore等[11]研究表明，锌离子能够与人类唾液腺细胞HSY的钙池操纵钙离子通道的胞外钙离子结合位点结合，从而抑制钙离子的内流，最终抑制钙离子信号的转导。

2.2锌对cAMP和cGMP浓度的调节cAMP和cGMP是信号转导过程中两种重要的第二信使，它们在细胞中的浓度受到腺苷酸环化酶(adenylate cyclase,AC)、鸟苷酸环化酶(guanylyl cyclase，GC)及磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDE)的共同调节。锌离子能够通过影响以上酶的活性来调节细胞内cAMP和cGMP浓度，从而发挥调控细胞信号转导的功能。AC有两个催化结构域(CI和CII)，且结构域中存在两种与酶催化活性相关的金属离子结合位点，在细胞内镁离子能够与之结合并将该酶激活；在细胞外锌离子和锰离子亦能分别与之结合。Klein等[12]研究发现，在神经母细胞瘤细胞N18TG2中，10~100 μmol/L的锌离子能够抑制激素和AC激活剂对AC的活化，从而减少cAMP的合成；值得注意的是，此种情况下，锌离子对AC抑制作用的机制并非是通过与镁离子竞争结合AC催化结构域的金属离子结合位点实现的，因此他们推测，锌离子应该是通过与AC催化结构域其他部位结合(锌离子抑制结合位点)发挥抑制AC活性的效应。在此基础上，他们进一步研究发现，锌离子对AC的抑制作用与AC分子构型相关：一方面，锌离子通过与锌离子抑制结合位点结合，引起AC的构型改变，发挥对AC的变构抑制作用；另一方面，AC的分子构型会影响锌离子对AC活性的抑制作用；激素和AC激活剂亦能引起AC的构型改变，不同于锌离子的是，它们是变构激活AC。由激素和AC激活剂诱导的AC的构型改变，能够抑制锌离子与锌离子抑制结合位点结合，最终使锌离子无法发挥对AC的抑制效应。细胞内PDE对cAMP和cGMP具有水解活性。锌离子能够通过调节PDE的表达及其对cAMP和cGMP的水解活性，从而调节细胞内cAMP和cGMP的浓度，最终影响细胞内信号的转导，引发一系列细胞生物学的改变。Von等[13]研究发现，在单核细胞中，锌离子(0~125 μmol/L)不仅能抑制PDE的水解活性，还能降低PDE的表达，提高单核细胞内cGMP的浓度，影响cGMP信号通路信号的转导，最终抑制单核细胞肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)α和 白细胞介素(interleukin，IL)1b的表达。然而，Francis等[14]研究表明，低浓度锌离子对PDE有活化效应，而高浓度则抑制PDE的活性。

3锌对蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性的调节

蛋白磷酸化是多种信号转导途径的重要环节，细胞内大部分重要的生命过程都涉及到蛋白质的磷酸化。大量研究表明，锌离子能够通过调节多种蛋白激酶和蛋白磷酸酶的活性影响信号转导过程中蛋白磷酸化过程，最终实现对细胞信号转导的调控,如表1所示。

表1　锌离子对信号通路相关蛋白激酶和磷酸酶活性的调节

↑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：细胞外调节蛋白激酶；p38：有丝分裂原激活蛋白激酶；JNK：氨基末端激酶；VE-PTP：血管内皮蛋白酪氨酸磷酸酶；H2O2：过氧化氢；IL-2：白细胞介素2；IFN-γ：干扰素γ

4锌离子对转录因子活性的调节

外界刺激信号经一系列信号转导过程，最终必须通过改变靶基因的转录活性才能诱导特定的生物应答反应。锌离子能够通过调节一些转录因子的活性诱导细胞相应的生物学改变。Uzzo等[23]研究表明，锌离子既能够抑制前列腺癌细胞DU-145和 PC-3的转录因子NF-κB活性，又能促进转录激活因子AP-1的活性，但是前者的效应要大于后者，于是最终抑制了VEGF、IL-6、IL-8及基质金属蛋白酶9(matrix metalloprotein,MMP-9)的表达。缺氧诱导因子低氧诱导因子1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)是一种具有转录活性的核蛋白，在多种肿瘤中呈高表达水平状态，与肿瘤的血管生成、代谢适应以及耐药性等相关。Nardinocchi等[24]研究发现，在体外和体内实验中，锌离子均能够诱导胶质瘤和前列腺癌细胞中HIF-1α经蛋白酶体途径降解和抑制其活性，最终抑制了HIF-1α靶基因VEGF的表达以及肿瘤细胞的侵袭能力。

5结语

锌离子能够对细胞信号通路转导途径的多环节进行调控，包括细胞外信号识别、第二信使的代谢、蛋白激酶和磷酸酶活性以及转录因子活性等；锌离子通过对细胞信号通路的调控，在多种生理和病理事件中发挥重要作用，涉及细胞的生长分化、胚胎发育、神经营养、增殖、凋亡及侵袭等。因此，进一步深入研究锌离子在人体的作用及其机制对维持机体健康和疾病的治疗具有重要意义。

参考文献

[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编辑：孙洪芳

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.21.018

中图分类号：Q257

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)21-3893-04