锰离子转运蛋白的发现及功能机制研究进展

锰是维持人体健康的必需微量元素。锰缺乏或过量均可促发系列重大疾病发生。机体或细胞锰离子的稳态维持受多个锰离子转运蛋白的调控。近年,三个关键的锰离子转运蛋白SLC39A8、SLC39A14和SLC30A10相继被发现,这些基因突变可直接导致锰代谢异常所致的人类遗传病;同时,相关基因敲除或转基因模式动物模型不仅能够模拟人类锰代谢异常的症状,而且可深入研究这些锰离子转运蛋白在器官和细胞内的功能及其分子调控机制,从而开启了锰稳态调控研究的崭新征程。此外,有研究提示二价金属转运蛋白1(DMT1)、膜铁转运蛋白(FPN)、转铁蛋白/转铁蛋白受体系统(TF/Tf R)、TMEM165、分泌型Ca2+通道1(SPCA1)及ATP13A2等膜蛋白也可能参与细胞锰离子转运,使得锰离子的稳态调控变得更为复杂。现就锰转运蛋白的发现及功能机制研究的国内外进展作系统性综述,为后续研究提供新思路。     

锌转运蛋白家族SLC39A/ZIP和SLC30A/ZnT的研究进展

必需微量元素锌通过催化和结构作用参与机体多种酶和蛋白功能,与机体发育、脑功能、骨骼生长、生殖健康及免疫功能等密切相关。补充锌可以一定程度防治儿童腹泻、慢性丙型肝炎、急性下呼吸道感染以及感冒等疾病,然而过多的锌具有毒性。因此,机体存在复杂的锌离子稳态体系维持锌离子的吸收、储存和丢失的平衡过程。已发现哺乳动物中SLC39A和SLC30A两个转运蛋白家族直接参与细胞内锌离子的稳态代谢。SLC39A家族又称ZIP家族,共有14个成员,该家族多个成员已被证明可促进细胞外或细胞器内的锌离子转运到细胞质;SLC30A家族又称ZnT家族,共有10个成员,与SLC39A家族功能相反,多个家族成员可协助锌离子从细胞质内流出到细胞外或流进到细胞器内。研究提示ZnT1、ZIP4和ZIP5参与小肠锌离子吸收过程,ZIP10和ZnT1参与肾脏锌离子再吸收过程,ZIP5、ZnT2和ZnT1参与胰腺锌离子分泌丢失过程。另有证据证明SLC39A和SLC30A两个家族的蛋白还可能参与许多疾病包括肿瘤及糖尿病的发生和发展。本文将对哺乳动物SLC39A和SLC30A两个锌转运蛋白家族的最新研究进展进行综述。     

植物锌铁转运蛋白ZIP基因家族的研究进展

金属离子对植物的正常发育至关重要,但过量又会中毒.植物体内的自动调节平衡机制会调节金属离子的吸收和运输,从而控制金属离子的含量.锌铁调控蛋白ZIP( ZRT,IRT-like protein)家族是广泛存在于植物中的转运蛋白,具有Ca2+、Fe2+、Mn2+及Zn2+等多种金属元素的转运功能.了解ZIP转运体在植物中如何发挥离子转运功能,从分子水平认识金属离子缺乏或过量积累的机理有重要意义.综述拟南芥、水稻、大麦、苜蓿和玉米ZIP家族成员及其研究进展.     

溶质载体家族4结构、功能及疾病相关性研究进展

溶质载体家族4 (solute carrier family 4, SLC4)包括10个成员(SLC4A1～5, SLC4A7～11),分别表达于人体内多个组织,不同成员在其底物依赖、电荷转运化学计量和组织表达等方面有所不同,其共同功能是参与多种离子的跨膜交换,涉及许多重要的生理过程,如红细胞CO2运输、细胞体积和细胞内pH调节等。近几年,很多研究发现SLC4家族成员与人类疾病发生相关,当SLC4家族成员发生基因突变时,机体会发生一系列功能障碍进而导致一些疾病发生。本综述对SLC4家族各成员的结构和功能以及疾病相关性的研究进展进行了总结和分析,以期为此类疾病的防治提供参考。     

锌稳态代谢调控造血发育的研究进展

锌是机体必需微量元素,对人体多系统发育有重要作用。锌缺乏是全球人群重要营养失衡性问题之一,与多种疾病发生相关。其中,锌稳态对于造血发育有着重大影响。造血发育是机体生成并分化成各系血细胞的过程,对生命的维系至关重要。临床研究数据提示,锌失衡会使髓系或者淋系造血细胞分化异常,尤其是对淋系影响更大,进而损伤机体免疫功能,影响人类健康。鉴于其关键生物功能,哺乳动物体内的锌稳态被严密调控,其中二价金属离子转运体SLC30和SLC39家族扮演着重要角色。近年研究发现,多个SLC30/SLC39蛋白通过调节锌稳态参与造血调控,如SLC39A8调控T细胞的活化、SLC39A10调控B细胞和巨噬细胞的分化、SLC30A1和SLC39A10可能参与红细胞成熟过程等。该综述将对锌稳态及其转运蛋白在造血发育中的研究进展进行回顾,并对该领域的未来发展方向进行探讨。     

溶质转运蛋白超家族的功能及结构研究进展

溶质转运蛋白(solute carriers,SLC)超家族是人类细胞膜(含胞内膜)上最重要的膜转运蛋白家族之一,它参与了细胞间的物质运输、能量传递、营养代谢、信号传导等重要生理活动。SLC转运蛋白超家族包含52个亚家族,共有400多名成员。研究表明,人类基因突变所致SLC蛋白表达异常或功能缺陷与糖尿病、高血压、抑郁症等多种重大疾病密切相关,使得该家族蛋白的功能研究近年来备受关注。SLC转运家族蛋白三维结构的解析有助于阐述其底物选择性结合与转运的精确分子机制,为研究该家族功能相关疾病的分子机理以及针对理性药物研发奠定了精细的三维结构基础。本文对近年来溶质转运蛋白超家族的结构及功能研究进展进行了总结,试图对该家族的共性规律进行阐述。     

单羧酸转运蛋白家族及其生物学功能

单羧酸转运蛋白家族是哺乳动物细胞膜上一类重要的跨膜转运蛋白,负责乳酸,短链脂肪酸等单羧酸类化合物的跨膜转运,涉及多种生物学功能,包括促进营养物质吸收、影响代谢动态平衡、调节胞内pH值以及参与药物输送等.迄今为止,单羧酸转运蛋白家族已发现有1 4个成员,各亚型间具有底物差异性和组织分布特异性.研究单羧酸转运蛋白家族的生化特征、组织分布、生物学功能及基因表达调控,将为人和动物的营养代谢稳衡和疾病治疗提供新的方法.     

小鼠模型在铁代谢研究中的应用

铁代谢在维持生命活动中至关重要,机体铁代谢紊乱会导致贫血和人类遗传性血色病等诸多疾病,对人体健康造成危害。在铁代谢研究领域,小鼠模型具有人群及细胞模型所不具备的优势,可以最准确的表现相应基因及通路在铁代谢调控中的生理作用。利用基因敲除及转基因小鼠模型,许多铁代谢相关的基因及调控通路被发现,有助于深入了解铁稳态调控的分子机制。这些小鼠模型为治疗铁代谢紊乱相关疾病潜在药物的开发和评估提供了理想的平台。     

锰离子转运、代谢与稳态平衡调控

金属离子在生命体细胞内的转运、代谢、稳态平衡调控及其相关疾病的研究是生物无机化学、化学生物学和生物医学等研究领域的一个前沿热点。锰被称作“细胞护卫”或“生命体保镖”,在生物体中发挥重要的作用,体内锰离子的含量必须维持在一个恰当的水平,锰缺少或过量都会导致疾病或生物毒性。因此,生物体内锰离子的稳态平衡调控对维持体内锰离子的正常生理功能至关重要。对细菌、出芽酵母、动物的锰离子运输、代谢及其稳态平衡调控的分子机制研究分别进行综述。     

植物YSL家族基因研究进展

黄色条纹蛋白(Yellow stripe-like protein,YSL)是广泛存在于植物中的重金属吸收、转运蛋白,主要参与植物Fe~(3+)的吸收及对Fe~(2+)、Zn~(2+)、Cu~(2+)、Ni~(2+)和Mn~(2+)等金属离子的转运。目前,对于黄色条纹蛋白在植物体内的表达模式,亚细胞定位以及突变体等方面的研究揭示了其在植物生长发育过程中的作用。综述了近年来关于YSL基因在植物中的研究进展,旨为研究植物吸收铁的作用机理及生物强化谷物籽粒中的铁含量奠定基础。     

小麦MTP基因家族分析及其在胁迫下的作用

金属耐性蛋白(metal tolerance protein,MTP)通过结合流入或流出胞质溶胶中的金属来维持植物体内的金属稳态。该研究通过多种生物信息学方法鉴定并分析小麦基因组TaMTP基因,并用qRT-PCR技术分析TaMTP基因在多种重金属胁迫下的表达情况,为深入研究该家族基因对小麦生长发育的调控机理及其抗逆性提供理论依据。结果表明:(1)TaMTPs均具有阳离子外排家族结构域,大多数成员具有锌转运蛋白二聚结构域;系统发育和聚类分析显示,TaMTP蛋白主要分为G1、G5、G6、G7、G8、G9和G12七组;基因结构和基序分析表明,TaMTP基因多具有相对保守的外显子-内含子排列和保守基序。(2)由RNA-Seq数据的基因表达谱分析发现,不同TaMTP基因都有其独特的表达机制,其中TaMTP1-1Bb和TaMTP1-1D在非生物胁迫下表达水平较高,TaMTP1-1A、TaMTP1-1Bb、TaMTP1-1D、TaMTP11-3Ab、TaMTP11-3B和TaMTP11-3D在生物胁迫下有较高的表达量。(3)qRT-PCR分析表明,当小麦遭受锌(Zn)、铜(Cu)、钴(Co)、镉(Cd)、锰(Mn)和铁(Fe)重金属胁迫时,TaMTP1-1A、TaMTP8-4A、TaMTP8-4D、TaMTP11-3Aa和TaMTP11-3B共5个TaMTP基因的表达水平增加,表明每种金属离子均可诱导这些TaMTP基因在根和叶的表达,但TaMTP1-1A和TaMTP8-4A在Fe~(3+)与Cu~(2+)胁迫下的表达情况完全相反,且在Fe~(3+)胁迫下小麦叶和根组织中2个基因的表达量均很低,推测TaMTPs可能参与相应的微量元素的耐受或转运,但不同TaMTP对不同金属的转运功能存在差异。     

鸭疫里默氏杆菌铁离子代谢机制研究进展

铁离子是大多数细菌生存所必需的一种营养物质,但过多的铁离子会通过芬顿反应产生的活性氧对细菌造成损伤。因此,细菌通过摄取、调控、螯合、外排等机制维持体内铁离子的稳态。鸭疫里默氏杆菌(Riemerella anatipestifer)是一种最新被归类于威克斯菌科里氏杆菌属的革兰氏阴性菌。该菌主要感染禽类,参与该菌的铁离子代谢基因具有特别之处。本文对鸭疫里默氏杆菌铁离子代谢机制研究进展进行了系统总结和阐述,包括该菌的TonB系统、TonB依赖性受体、Fur蛋白及Dps蛋白等在铁离子转运、调控、螯合中的功能,以及以上蛋白在鸭疫里默氏杆菌致病中的作用,以期更全面地理解鸭疫里默氏杆菌铁代谢机制,并为进一步深入研究该菌铁离子代谢提供理论依据和参考。     

层出镰刀菌乌头酸酶家族的功能研究

【目的】层出镰刀菌是引起苜蓿根腐病的主要病原菌之一,探究层出镰刀菌中乌头酸酶家族蛋白的功能特性,为深入认识层出镰刀菌基础生理代谢的分子机制提供依据。【方法】利用hmmsearch工具,对真菌中含有乌头酸酶结构域的蛋白进行检索,并进行系统进化分析;通过实时荧光定量PCR及SWISS MODEL建模技术分别分析FpACO基因的表达模式与蛋白结构;利用同源重组双交换方法构建层出镰刀菌乌头酸酶基因敲除突变体;分析ΔFpACO3、ΔFpACO4-1、ΔFpACO4-2敲除突变体的生长、产孢、孢子形态、环境胁迫响应及致病力等表型变化;进一步测定敲除突变体中线粒体代谢相关生理生化指标的变化情况。【结果】FpACO4-1与FpACO4-2在产孢及孢子形态发生中发挥作用;FpACO3、FpACO4-1、FpACO4-2参与调控层出镰刀菌对细胞壁胁迫及金属离子胁迫的敏感性;FpACO3、FpACO4-1、FpACO4-2影响线粒体代谢,包括总乌头酸酶活性、ATP含量、过氧化氢含量及三羧酸循环关键基因表达等。【结论】乌头酸酶家族参与调控层出镰刀菌产孢、孢子形态分化、细胞壁胁迫及金属离子胁迫响应和线粒体代谢等过程。     

葡萄糖转运蛋白1与慢性病关联机制的研究进展

葡萄糖转运蛋白1(glucose tansporter 1,GLUT1)由SLC2A1基因编码,调控不同细胞从多个组织摄取葡萄糖的能力。慢性病是当今人类死亡的第一主因,发病原因与人体内环境紊乱、代谢异常、环境污染相关。GLUT1作为最先被发现的葡萄糖转运蛋白家族成员,对慢性病的调控起到至关重要作用。本文针对GLUT1蛋白的生物学结构和功能及其与慢性病如糖尿病及其并发症、慢性炎症和肿瘤的关联机制进行探讨,试图找到以GLUT1蛋白介导的信号通路治疗慢性病的相关分子机制和有效方案。     

线粒体转运蛋白质家族

线粒体转运蛋白质家族（mitochondrial transporter family）等可溶性物质载体（solute carrier,SLC）,主要包括SLC25,广泛存在于真核生物线粒体中,负责可溶性物质跨线粒体内膜的转运。SLC25家族成员拥有相似的结构特征、种类繁多的转运底物,并与细胞的多种生理功能密切相关。有研究表明,SLC25家族蛋白质的缺失或突变可导致多种代谢性疾病或神经系统疾病的发生。     

单羧酸转运体在肿瘤中的功能

单羧酸转运体 (Monocarboxylte Transporters,MCTs)属于溶质运载蛋白家族（Solute carrier family,SLC）SLC16A亚家族成员.目前已发现该家族有14个成员;研究表明,MCTs具有偶联转运细胞新陈代谢中产生的单羧酸与质子的功能. MCTs在肿瘤组织中表达普遍增高,肿瘤细胞是以糖酵解代谢方式获取能量,该过程中产生的大量乳酸被MCTs运出胞外,以保护细胞免因酸中毒诱发细胞凋亡;细胞外乳酸也能被肿瘤细胞摄取和利用.由于肿瘤组织的血管不发达,使肿瘤细胞内外的乳酸堆积,导致肿瘤细胞存活在缺氧和酸性微环境中,MCTs对此种环境中肿瘤细胞的存活与转移发挥重要作用.因此,研究肿瘤细胞和正常组织中MCTs的差异性表达及其机制,以及MCTs活性的调控机制,对于认识肿瘤细胞在缺氧和酸性微环境中存活与转移规律具有重要意义,并为肿瘤的治疗提供新的分子靶标.本文将对肿瘤中MCTs的功能研究的最新进展进行综述. 同时,结合我们的研究,提出了一些见解.     

黄瓜MTP基因家族分析及重金属胁迫下表达特征

该研究以模式物种(拟南芥、水稻、玉米)的MTP序列作为种子序列,对黄瓜MTP基因家族(CsMTP)成员进行了系统鉴定和分析;并以Zn~(2+)、Cd~(2+)、Mn~(2+)、Cu~(2+)、Fe~(2+)和Mo~(2+)处理后的黄瓜叶片和根系为材料,对CsMTP响应金属离子的表达模式进行了研究,为探究该基因家族对黄瓜重金属胁迫调控机制提供理论依据。结果表明:(1)黄瓜含有10个CsMTP,可进一步分为Fe/Zn-CDF(2个)、Mn-CDF(3个)和Zn-CDF(5个)三个亚家族,Mn-CDF成员含有保守基序DxxxD,Zn-CDF和Fe/Zn-CDFs成员含有保守基序HxxxD,大部分CsMTP成员含有6个跨膜结构域。(2)RNA-seq数据分析表明,CsMTP具备组织特异性表达和响应不同处理的特征,CsMTP11、CsMTP3和CsMTP7在不同组织和处理下普遍高水平表达,且外源化学试剂处理可诱导同一基因的不同表达模式。(3)RT-PCR分析表明,CsMTPs可被不同重金属离子诱导差异表达,包括不是MTP家族潜在底物的重金属。     

细胞质及线粒体ferritin与铁代谢

铁是机体代谢所必需的微量元素之一。近年来,铁在机体内的代谢越来越受到人们的重视。维持体内铁的平衡,对保证机体的正常生理功能显得极为重要。胞质铁蛋白（cytosolic ferrifin,CFt）是细胞内重要的调节铁平衡的因子之一。而近年发现的线粒体铁蛋白（mitochondrial ferritin,MtFt）是一种定位在线粒上、和铁代谢密切相关的蛋白,具有组织受限性表达的特点,它在结构和功能上与胞质铁蛋白相比有一定的相似性,但是由于其mRNA上没有铁调控元件,它的表达不直接受铁调节蛋白调控,所以其确切功能及表达机制还未完全明了,因此,近年来有不少人开展了这方面的研究。对线粒体铁蛋白的深入研究将极大地丰富人们对铁在亚细胞水平上的代谢机制和功能的认识。文章介绍了细胞质铁蛋白的调控机制以及线粒体铁蛋白的结构、功能、表达及与铁代谢的关系。     

norD对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜形成的影响

目的探究norD编码的超家族转运蛋白NorD对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜形成的影响。方法使用耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MW2野生株和norD基因缺失株及norD互补菌株,微孔法培养形成生物膜,同时使用番红染剂对形成的生物膜染色,通过酶标仪检测特定波长下的A值,对细菌生物膜形成定量分析。结果常规培养时,MW2野生株和MW2 norD缺失株生物膜的形成比较差异无统计学意义(P0.05)。低Fe~(2+)离子环境下,MW2 norD基因缺失株培养48h,生物膜形成的量少于MW2(t=3.878,P=0.0082)。结论MW2 norD基因缺失株在低Fe~(2+)离子环境下引发生物膜分解,提示NorD可促进Fe~(2+)离子环境下生物膜的形成。     

锌转运体Zip2对心肌缺血再灌注小鼠心肌线粒体呼吸的调控作用

本研究旨在探讨锌转运体Zip2 (SLC39A2)在心肌缺血再灌注(ischemia/reperfusion, I/R)过程中对线粒体呼吸的调控作用及其机制。通过冠状动脉左前降支结扎建立小鼠在体心肌I/R损伤模型,用电感耦合离子发射光谱仪(inductively coupled plasma-optical emission spectrometer, ICP-OES)测量心肌组织的锌含量,用高分辨呼吸测定系统(Oxygraph-2K)检测小鼠心肌线粒体呼吸功能和氧化磷酸化水平,采用Western blot技术检测小鼠心肌组织STAT3和ERK的磷酸化水平。结果显示:(1)与假手术组相比,野生型小鼠I/R心肌组织的锌含量明显降低,Zip2基因敲除小鼠I/R心肌组织的锌含量进一步降低;(2)与野生对照组相比,Zip2基因敲除组小鼠心肌线粒体呼吸控制率(respiratory control ratio, RCR)和氧化磷酸化水平降低,I/R后上述指标进一步降低;(3)与野生对照组相比,I/R后Zip2基因敲除组小鼠心肌组织STAT3 (Ser~(727))和ERK的蛋白磷酸化水平均明显降低;(4)与空载体感染组相比,I/R后STAT3感染组心肌线粒体呼吸功能明显提高,而STAT3负突变体感染组心肌线粒体呼吸功能则降低。STAT3过表达可逆转Zip2基因敲除对线粒体呼吸的抑制作用。以上结果提示,心肌I/R时Zip2通过STAT3来调控线粒体呼吸,其机制可能与STAT3 (Ser~(727))的磷酸化有关,这可能是Zip2保护心肌的分子机制之一。