锌在细胞生长中的作用——不为人知的“锌脉冲”

新的研究利用基因编码荧光传感器揭示了锌在细胞生长中的作用。研究表明，当锌含量过低或过高时，细胞增殖会停止，并发现了一种“锌脉冲”现象，即细胞分裂后短暂的锌增加。科罗拉多大学博尔德分校的生物化学研究员Amy Palmer使用先进的荧光传感器和计算模型来跟踪自然循环的细胞，以便更好地了解一种必需的微量营养素。

　　

生物化学教授Amy Palmer开发了一种创新技术，可以测量60小时内自然循环细胞中的锌含量。

锌是一种微量营养素，许多人认为它是必需的，但他们可能不完全清楚具体的细节。大多数人都知道钙可以从一杯牛奶中获得，钾可以从香蕉中获得，而锌的来源有时并不为人所知。关于锌的未知进一步延伸到它在体内的作用。虽然研究表明锌对许多重要功能都是必不可少的——从细胞生长和增殖到DNA生成、免疫系统支持、构建蛋白质等等——但人们对锌是如何起作用的知之甚少。事实上，科学家们对锌在体内的功能，尤其是它在生长中的作用的了解，很多都是通过研究锌缺乏症中锌的缺失而获得的。

由科罗拉多大学博尔德生物化学系教授Amy Palmer领导的一项新发表的研究，揭示了锌在细胞生长中的作用。研究表明，当锌含量过低或过高时，所有细胞的增殖都会停止，直到锌含量回到可接受的范围内。它还揭示了一种被研究人员称为“锌脉冲”的现象——细胞分裂后，它的锌含量会短暂增加，大约一个小时后又会下降。

Palmer和她的研究同事，博士后助理Ananya Rakshit和研究生Samuel Holtzen，通过使用基因编码的荧光传感器，当锌与它们结合时，它们会改变颜色并发光，从而对锌的重要作用有了新的认识。

Palmer解释说:“对于该领域来说，这些荧光传感器是一个重大突破，因为它们使我们能够在许多小时内测量和量化单个细胞中的锌。当细胞准备分裂时，我们可以观察到锌，当它分裂时，当两个子细胞经历同样的过程时。我们需要在细胞水平上了解为什么需要锌，在哪里需要锌，需要多少锌。当我们想到锌补充剂时，一个缺失的部分是理解和知道细胞何时需要锌以及它们实际需要多少。”

使用荧光

Palmer在开发荧光传感器方面的工作得到了国际上的认可，这种荧光传感器可以在不破坏细胞功能的情况下检测细胞中的金属，她和她的研究同事使用了一点生物化学和一点工程技术来制造一种只能与锌结合的传感器。Palmer说:“这些荧光报告蛋白对细胞的干扰较小，让它们自然循环，它们确实是这一研究领域的未来潮流。我的同事Sabrina Spencer开创了研究自然循环细胞的方法，我们从她和她的实验室学到了很多东西。我们的想法是利用这些荧光报告剂，创造一些专门针对锌的荧光报告剂。”

当Palmer在科罗拉多大学建立她的实验室时，她和她的同事们开始开发这些荧光传感器，建立在Palmer和她的导师Roger Tsien完成的博士后研究的基础上。Tsien因发现和开发绿色荧光蛋白而获得诺贝尔化学奖，他和其他科学家利用这种荧光蛋白来追踪细胞中某些基因的表达时间和地点。

Palmer说:“这些荧光传感器的真正有趣之处在于，它们是由基因编码的蛋白质制成的。它们有一个DNA序列，这一段DNA编码了一种与锌结合的蛋白质。当它与锌结合时，颜色会发生变化，这是一个重大突破。很容易得到一个非常小的反应，但很难得到一个真正大的，强大的反应，可以用来跟踪细胞超过60小时。我们对工具进行了多次迭代优化，以使它们按照我们想要的方式工作。”      

然而，这些努力得到了回报，因为之前的许多研究都是在细胞中添加化学物质来阻止它们分裂或去除它们的生长血清——这一过程也可以去除锌。然后，除去化学物质或加入生长血清重新启动细胞分裂，使细胞排列整齐，使它们在同一时间做同样的事情。然而，这种情况并不能代表人体内发生的情况。

通过将荧光报告器引入细胞，Palmer和她的同事不仅可以测量锌的含量，还可以在60小时内跟踪每个细胞。与自然循环的细胞一起工作，使细胞能够实时地进行正常的工作。然后，研究人员计算出每个细胞的状态，以及在这段时间内每个点的锌含量。

对营养和疾病的影响

Palmer的研究之所以重要，不仅是因为正在开发和用于研究细胞周期的创新工具，还因为锌的重要性尚未广为人知，锌缺乏的影响可能是显著的。世界上约17%的人口缺锌，缺锌在世界某些地区构成了公共卫生危机。

严重缺锌会导致生长发育减慢或停止，性成熟延迟，免疫功能受损和伤口愈合，以及许多其他问题。然而，科学家们现在才刚刚开始了解细胞何时需要锌以及需要多少锌。

通过使用荧光传感器跟踪单个细胞在60小时内对锌的摄取，Palmer和她的合作研究人员发现细胞分裂后发生的锌脉冲。

Palmer说:“我们还不知道为什么会发生这种情况，但我们推测，两个新的子细胞需要引入大量的锌来促进单个细胞的生长。如果他们没有那种脉搏，那么他们就无法继续前进，他们必须暂停。”

研究人员还发现，锌水平需要恰到好处——如果锌水平过高或过低，细胞功能就会暂停，直到锌水平恢复正常。在暂停期间，他们观察到细胞努力制造DNA。                

在最近发表的研究结果的基础上，Palmer实验室的本科生研究人员正在研究乳腺癌细胞中经常发现的高锌含量，以及为什么这些细胞不会像健康细胞那样对高锌水平做出反应。Palmer说，就好像细胞有一个安全开关，癌症可以绕过它。

Palmer说，深入研究细胞何时以及为什么需要锌，以及锌的含量，可能“对理解整个生物体水平的人类营养，对理解锌的失调或疾病的功能障碍有意义。我们真的在努力理解这个设定值，以及每个细胞感知锌状态的基本机制，以及在一定范围内，它如何调节锌的含量。

参考文献:Human cells experience a Zn2+ pulse in early G1