锌离子作为信号分子对心功能的影响

徐娟 王冬梅(综述) 曾力群△(审校)

(1.遵义医学院第三附属医院心内科，贵州 遵义 563000；2.遵义医学院附属医院心内科，贵州 遵义 563003)

·综 述·

锌离子作为信号分子对心功能的影响

徐娟1王冬梅2(综述) 曾力群1△(审校)

(1.遵义医学院第三附属医院心内科，贵州 遵义 563000；2.遵义医学院附属医院心内科，贵州 遵义 563003)

锌； 信号传导； 线粒体； 离子通道； 心力衰竭

锌是人体内的一种微量元素，是多种蛋白质的关键组成部分，参与调节蛋白质及酶的合成和代谢。同时作为信号分子，锌也参与了细胞的信号传递，在细胞信号传导过程中发挥了重要作用[1]。锌缺乏可影响生长发育、免疫炎症反应，与糖尿病、心力衰竭有关；当人体内锌含量过高或达到毒性水平，也会对人体健康产生重要影响[2]。人体内缺乏特定的锌储备部位，每天需从饮食中摄入才能维持其平衡并发挥正常的生理功能。血浆中锌含量约13.8～22.9 μmol/L，在细胞内，细胞质中锌含量最丰富(约50%)，其次为细胞核(30%～40%)，细胞膜中最少(约10%)[3]。研究发现，原核生物中，83%的含锌蛋白参与酶的催化反应，而真核生物的锌相关蛋白47%参与了催化反应，44%参与DNA转录，其余的还参与信号传导[4]。根据哺乳动物内锌参与的生物行为不同，可分为三种形式：(1)非交换锌/非反应活性锌，与蛋白质紧密结合，组成锌库；(2)转移活性锌，与配基疏松地结合，可与反应池中锌进行转换；(3)游离锌或锌的反应池[5]，Zn2+就是一种游离锌，通过与蛋白质结合或解离，影响蛋白质功能。作为一种路易斯酸，Zn2+常常与蛋白质的天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸和组氨酸侧链结合，其中，与半胱氨酸的结合作用最突出。Zn2+对蛋白质构象灵活的协调作用可保证生物反应的准确进行[6]，甚至有人认为Zn2+在细胞生命活动中的重要性和复杂性可以与Ca2+媲美。本文从锌稳态的调节、Zn2+与细胞功能的关系及Zn2+对心脏的影响作简要综述。

1 锌稳态的调节

饮食中锌经小肠吸收后进入血液循环，主要与白蛋白或球蛋白结合[7]。由于Zn2+不能自由通过生物膜，需要在两大锌转运蛋白家族的帮助下方能进入细胞内，而且细胞内Zn2+必须受到严格的调控，才能避免锌缺乏或锌中毒带来的不利影响。锌稳态的维持主要由Zn2+转运蛋白(Zn2+transporters，ZnTs) 、 Zn2+转入体(Zn2+importers，ZIPs)、金属硫蛋白(metallothioneins，MTs)调节。ZIP家族由14个亚型(ZIP1～ZIP14)组成，在蛋白结构上有8个跨膜结构域，可促进Zn2+由细胞外向细胞内转移或细胞器中Zn2+释放入细胞质[8]。Zn2+的转出主要由ZnT蛋白调控，ZnT家族由10个亚型组成(ZnT1～ZnT10)，含有6个跨膜结构域，其金属结构域含有共同的富组氨酸环[9]。当细胞内Zn2+明显增加时，ZnT可将Zn2+转运到细胞外，或使Zn2+转移到细胞内其它部位，以维持细胞质中Zn2+平衡；此外，当饮食中锌缺乏或过量，或遇到其它生理刺激时，这些转运蛋白家族的表达还具有组织特异性和异质敏感性[10]。金属硫蛋白是一种富含半胱氨酸的小分子蛋白(～14 kDa)，人体内肝、肾、肠、胰腺均可大量合成MTs，主要分布于细胞内高尔基体膜上，其半胱氨酸残基(巯基)可结合生理及外源性的重金属，从而调节Zn2+的动态平衡。研究表明，特异性敲除MT基因的小鼠不会出现明显的发育缺陷，但在感染或炎症的情况下，MTs为生存提供了有利条件[11]。各种刺激都使MT基因表达，该启动子区域有特定的金属应答元件(MRE)，高浓度的Zn2+可激活MRE结合转录因子(MRE-binding transcription factor 1，MFT1)，调控启动子区域的MRE序列复制[12]。

2 锌与细胞功能的关系

研究发现，Zn2+对多种信号通路都有重要的影响，近年来Zn2+在信号传导通路的作用引起了研究者们的广泛关注，Zn2+与蛋白质结合引起的蛋白结构重排，最终影响细胞功能。

2.1 锌在信号传导通路中的作用 心肌细胞内，Zn2+浓度远远低于Ca2+，但可作为细胞内的信号分子，参与细胞间的信号传导，将细胞外的刺激转化为细胞内信号，调控细胞内生化反应。研究发现，Zn2+可抑制腺苷酸环化酶(adenylatecyclase，AC)，尤其是AC5及AC6亚型活性，或影响刺激型G蛋白ɑ亚基功能，抑制cAMP信号传导。此外，Zn2+可诱导单个微管蛋白聚集形成二聚体，促进G蛋白激活[13]。因此，在各种化学和激素的刺激下，Zn2+将对cAMP和蛋白激酶A的信号传导产生复杂的影响。蛋白酪氨酸磷酸酶1B(protein tyrosine phosphatase 1B，PTPlB)可抑制磷脂酰肌醇3激酶，负性调节胰岛素和瘦素信号传导。nmol水平的Zn2+可与蛋白质的催化活性中心结合形成PTPlB，从而抑制蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatases PTPs)活性[14]。内质网与PIPlB的结合可抑制ZIP-7介导的内质网中Zn2+释放。Zn2+对PTPs的抑制作用还可诱导胰岛素受体酪氨酸磷酸化、胰岛素样生长因子1受体、表皮生长因子酪氨酸激酶表达增加[15]。此外， Zn2+可与胰岛素和脂联素直接作用，影响其聚集，从而影响其活性[7]。因此，代谢性疾病如肥胖和糖尿病患者细胞内Zn2+浓度的改变，可能与PTPlB信号传导有关。

2.2 锌在氧化还原中的作用 细胞对外界环境变化的反应有赖于蛋白质活性的调节。蛋白质中，作为分子开关的二硫键，与半胱氨酸或半胱氨酸调节的锌结构域，可进行硫醇-二硫化物转换，在蛋白质翻译后调节中也发挥了广泛的作用，而细胞内Zn2+能增加硫醇氧化活性[16]。心肌细胞内，活性氧可促进细胞内锌动员，导致锌的快速增加。此外，氧化应激过程可使MTs亚硝基化或硫醇基氧化，释放Zn2+。Zn2+与蛋白的结合或解离，导致蛋白质结构或功能的改变，从而影响氧化诱导的兴奋收缩耦联、信号转导、线粒体功能[17]。这些发现可解释为什么应用抗氧化剂可预防Zn2+和Ca2+流失，有助于糖尿病、心脏病的治疗。电压门控钾通(Kv4 channel)，是调节神经和心脏组织膜兴奋性的关键因子，在活性硝化或氧化因子刺激下，Kv4.1通道的活性受巯基二硫化物调节，细胞内一氧化氮与二硫键的结合，能迅速抑制Kv4.1通道中的Zn2+依赖性相关反应，这可能就是硝化/氧化反应可快速改变心脏和血管平滑肌钾电流的原因[18]。

2.3 锌在线粒体代谢方面的作用 Zn2+及氧化应激相关的Zn2+释放也能影响线粒体酶活性，影响线粒体代谢功能，然而，目前有关Zn2+导致的线粒体功能障碍的机制研究还非常有限。研究发现，Zn2+与线粒体蛋白的结合或释放，可导致氧化应激或氧化还原酶活性的改变，导致线粒体代谢改变。在线粒体基质中，谷胱甘肽与Zn2+的螯合作用较细胞质中更明显。应用巯基反应剂N-乙基马来酰亚胺，可导致细胞内Zn2+大量释放，表明Zn2+储存于Zn2+半胱氨酸复合物中[19]。当GTP与MT结合时，ATP可与MT-2结合，ATPZn2+复合物的形成，可作为吡哆醛激酶和核黄素激酶辅助因子，影响能量代谢[20]。Zn2+也可以抑制线粒体电子转运，刺激线粒体活性氧的产生。目前，已知的果糖1，6-二磷酸酯酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶、硫辛酰胺脱氢酶都能被nmol浓度的Zn2+抑制[21]。线粒体基质内，Zn2+浓度升高还能抑制还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)生成，从而影响三羧酸循环和线粒体能量代谢[22]。在线粒体介导的细胞凋亡过程中，Zn2+可促进Bax相关线粒体通透性转换孔形成，促进细胞色素C释放，激活Caspase级联反应，导致细胞凋亡。同时Zn2+也可增加细胞内Bax表达和Bax/Bcl-2比值，增强Bax相关凋亡效应。神经元缺血时，应用Zn2+螯合剂能减少线粒体细胞色素C释放和下游Caspase-3的激活[6]。此外，Zn2+与蛋白质的直接结合，也能影响离子通道的功能，例如Zn2+与钾通道的结合，可显著抑制钾通道的激活[23]。在背根神经节神经元，细胞内Zn2+增加，可激活瞬间受体电位离子通道1(transient receptor potential ankyrinl，TRPAl)，细胞内半胱氨酸与TRPAl组氨酸残基的相互作用，能使人产生不适的感觉，因此，Zn2+在突触传递中也具有重要作用[24]。

3 锌与心血管疾病

心肌细胞内Zn2+大部分储存在特定结构中，如肌浆网(sarcoplasmic reticulum，SR)内或靠近SR末端。肌钙集蛋白为肌浆网中锌结合蛋白，l mol肌钙集蛋白可以结合200 mol的Zn2+[25]。Zn2+对心脏的保护作用表现在四个方面：(1)对心肌细胞急性氧化应激的保护作用；(2)心肌损伤时的炎症预防作用；(3)促进伤口愈合；(4)维持心脏干细胞对心脏愈合功能的必需物质[9]。研究发现，细胞内外Zn2+动态平衡的调节可能是影响心血管疾病的相关因素，锌缺乏导致的相关疾病对心衰的发展起到了一定的促进作用。此外，Zn2+还参与了胰岛素信号的传导，对糖尿病心肌病发生发展也有潜在作用。

Zn2+缺乏(低于l nmol)可以抑制AC，显著降低β-肾上腺素激活性[13]。Zn2+还可抑制L-型钙离子通道(L-type calcium channel，LTCC)，阻碍Ca2+渗入细胞内，从而抑制SR中Ca2+诱导的Ca2+释放。心房或平滑肌细胞Ca2+电刺激失调，还可抑制心肌收缩速度[26]。在糖尿病小鼠模型中发现，Zn2+可减少LTCC内向电流，促进兰尼碱受体和受磷蛋白磷酸化，从而减少细胞内Ca2+超载，改善心肌舒张功能[27]。在动物研究中，低浓度的Zn2+可引起窦性心动过缓，而高浓度的Zn2+则可导致各种类型的心律失常，甚至心脏停搏[28]。研究中还发现，Zn2+可增加心脏射血分数，补锌治疗可使减低的心肌收缩功能改善[29]。

临床研究也有发现，缺血性心肌病患者血浆Zn2+水平降低，糖尿病合并充血性心力衰竭患者尿锌排泄增加[30]。血浆中Zn2+主要与血清白蛋白结合，但这种结合作用可被异位的游离脂肪酸破坏，最终导致低锌血症，细胞内Zn2+减少[7]。理论上讲，所有的外界条件都有可能导致心脏能量消耗改变，导致至少暂时性的游离脂肪酸升高，且在急性心肌梗死和慢性心衰患者中发现，血浆中Zn2+水平减低和游离脂肪酸增高相当明显，因此，这两者之间的关联是不容忽略的[31]。心衰患者肠道再吸收Zn2+减少，利尿剂引起Zn2+丢失增加，或氧化应激使脂质过氧化物增加，均可导致锌缺乏，都有可能对心功能产生有害的影响。而且，在心衰的药物治疗中，噻嗪类利尿药、呋塞米、血管紧张素转换酶抑制剂，血管紧张素受体阻滞剂都会干扰Zn2+代谢，并导致锌缺乏[32]。PKC是许多信号通路的核心分子，Zn2+的转移能直接调控PKC活性，产生多种血管活性因子，引起动脉粥样硬化的发生。慢性锌缺乏则可促进血管平滑肌细胞增殖、钙化，促进动脉粥样硬化的进展[33]。然而，Zn2+对心肌细胞的作用机制目前仍然不完全清楚，有待进一步研究。

总而言之，以往的研究主要集中于Zn2+动态平衡方面，最新的研究发现，Zn2+作为信号分子，能影响心脑组织、免疫细胞、胰腺、前列腺和乳腺功能。此外，肿瘤的进展也可能与锌稳态破坏、Zn2+对细胞信号干扰有关。MT、ZnT和ZIP蛋白在组织中的特异性表达，也与疾病的发生进展有一定的关系。Zn2+与蛋白质的结合或解离能导致蛋白结构和功能的改变，影响细胞的氧化还原状态。Zn2+暴露还可抑制PTPlB，影响蛋白磷酸化，也将影响蛋白功能。综上所述，Zn2+及其相关的信号事件机制非常复杂，没有Zn2+的调节，细胞内的生命活动将可能瘫痪。了解锌的相关作用，有利于更深入了解锌在心血管系统和其它组织中的生理和病理作用，为进一步研究锌及其调控机制对维持和改善人类身体健康具有重要意义。

[1] Krezel A,Hao Q,Maret W.The zinc/thiolate redox biochemistry of metallothionein and the control of zinc ion fluctuations in cell signaling[J].Archives of Biochemistry and Biophysics,2007,463(2):188-200.

[3] Vallee BL,Falchuk KH.The biochemical basis of zinc physiology[J].Physiol Rev,1993,73(1):79-118.

[4] Andreini C,Bertini I,Rosato A.Metalloproteomes:a bioinformatic approach[J].Accounts of Chemical Research,2009,42(10):1471-1479.

[5] Costello LC,Fenselau CC,Franklin RB.Evidence for operation of the direct zinc ligand exchange mechanism for trafficking,transport,and reactivity of zinc in mammalian cells[J].Journal of Inorganic Biochemistry,2011,105(5):589-599.

[6] Xu Z,Zhou J.Zinc and myocardial ischemia/reperfusion injury[J].Biometals,2013,26(6):863-878.

[7] Barnett JP,Blindauer CA,Kassaar O,et al.Allosteric modulation of zinc speciation by fatty acids[J].Biochimicaet Biophysica Acta (BBA)-General Subjects,2013,1830(12):5456-5464.

[8] Taylor KM,Hiscox S,Nicholson RI,et al.Protein kinase CK2 triggers cytosolic zinc signaling pathways by phosphorylation of zinc channel ZIP7[J].Science Signaling,2012,5(210):ra11.

[9] Little P J,Bhattacharya R,Moreyra A E,et al.Zinc and cardiovascular disease[J].Nutrition,2010,26(11):1050-1057.

[10] Liuzzi JP,Cousins RJ.Mammalian zinc transporters[J].Annu Rev Nutr,2004,24:151-172.

[11] Coyle P,Philcox JC,Carey LC,et al.Metallothionein:the multipurpose protein[J].Cellular and Molecular Life Sciences,2002,59(4):627-647.

[12] Langmade SJ,Ravindra R,Daniels PJ,et al.The transcription factor MTF-1 mediates metal regulation of the mouse ZnT1 gene[J].Journal of Biological Chemistry,2000,275(44):34803-34809.

[13] Alvarez-Collazo J,Diaz-Garcia C M,Lopez-Medina A I,et al.Zinc modulation of basal and beta-adrenergically stimulated L-type Ca2+ current in rat ventricular cardiomyocytes:consequences in cardiac diseases[J].Pflugers Archiv-European Journal of Physiology,2012,464(5):459-470.

[14] Volpe SL,Lowe NM,Woodhouse LR,et al.Effect of maximal exercise on the short-term kinetics of zinc metabolism in sedentary men[J].British Journal of Sports Medicine,2007,41(3):156-161.

[15] Pandey NR,Vardatsikos G,Mehdi MZ,et al.Cell-type-specific roles of IGF-1R and EGFR in mediating Zn2+-induced ERK1/2 and PKB phosphorylation[J].Journal of Biological Inorganic Chemistry,2010,15(3):399-407.

[16] Åslund F,Beckwith J.Bridge over troubled waters:sensing stress by disulfide bond formation[J].Cell,1999,96(6):751-753.

[17] Tuncay E,Bilginoglu A,Sozmen NN,et al.Intracellular free zinc during cardiac excitation-contraction cycle:calcium and redox dependencies[J].Cardiovascular Research,2010,89(3):642-654.

[18] Wang G,Strang C,Pfaffinger PJ,et al.Zn2+-dependent redox switch in the intracellular T1-T1 interface of a Kv channel[J].Journal of Biological Chemistry,2007,282(18):13637-13647.

[19] Nowakowski A,Petering D.Sensor specific imaging of proteomic Zn2+with zinquin and TSQ after cellular exposure to N-ethylmaleimide[J].Metallomics,2012,4(5):448-456.

[20] Maret W,Heffron G,Hill HAO,et al.The ATP/metallothionein interaction:NMR and STM[J].Biochemistry,2002,41(5):1689-1694.

[21] Gazaryan IG,Krasnikov BF,Ashby GA,et al.Zinc is a potent inhibitor of thiol oxidoreductase activity and stimulates reactive oxygen species production by lipoamide dehydrogenase[J].Journal of Biological Chemistry,2002,277(12):10064-10072.

[22] Feng W,Cai J,Pierce W M,et al.Metallothionein transfers zinc to mitochondrial aconitase through a direct interaction in mouse hearts[J].Biochemical and Biophysical Research Communications,2005,332(3):853-858.

[23] Zhang S,Kehl SJ,Fedida D.Modulation of Kv1.5 potassium channel gating by extracellular zinc[J].Biophysical Journal,2001,81(1):125-136.

[24] Andersson D A,Gentry C,Moss S,et al.Clioquinol and pyrithione activate TRPA1 by increasing intracellular Zn2+[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2009,106(20):8374-8379.

[25] Turan B,Fliss H,Desilets M.Oxidants increase intracellular free Zn2+ concentration in rabbit ventricular myocytes[J].American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology,1997,272(5):2095-2106.

[26] Yi T,Vick JS,Vecchio MJH,et al.Identifying cellular mechanisms of zinc-induced relaxation in isolated cardiomyocytes[J].American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology,2013,305(5):706-715.

[27] Maret W.Zinc and human disease[M]//Interrelations between essential metal ions and human diseases.Springer Netherlands,2013:389-414.

[28] Evangelou A,Kalfakakou V.Electrocardiographic alterations induced by zinc ions on isolated guinea pig heart preparations[J].Biological Trace Element Research,1993,36(2):203-208.

[29] Oster O,Dahm M,Oelert H.Element concentrations (selenium,copper,zinc,iron,magnesium,potassium,phosphorous)in heart tissue of patients with coronary heart disease correlated with physiological parameters of the heart[J].European Heart Journal,1993,14(6):770-774.

[30] Shokrzadeh M,Ghaemian A,Salehifar E,et al.Serum zinc and copper levels in ischemic cardiomyopathy[J].Biological Trace Element Research,2009,127(2):116-123.

[31] Foster M,Samman S.Zinc and redox signaling:perturbations associated with cardiovascular disease and diabetes mellitus[J].Antioxidants & Redox Signaling,2010,13(10):1549-1573.

[32] Cohen N,Golik A.Zinc balance and medications commonly used in the management of heart failure[J].Heart Failure Reviews,2006,11(1):19-24.

[33] Alcantara EH,Shin MY,Feldmann J,et al.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.

R541.6

B

1000-744X(2016)08-0885-04

2015-11-06)

△通信作者