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。     

斑马鱼对铜、铅和镍的生物富集动力学研究

以斑马鱼为实验对象,应用双箱动力学模型模拟了其暴露在不同浓度的3种重金属（Cu、Pb、Ni）养殖水中,考察其在富集与排出过程中的生物富集规律,利用电感耦合等离子体质谱法（ICP MS）对斑马鱼体内重金属含量进行动态监测,并对结果进行非线性拟合,得到斑马鱼富集重金属的动力学参数。对模型拟合度检验表明双箱动力学模型拟合程度良好,可用于描述Cu、Pb和Ni在斑马鱼体内的生物富集规律。结果表明：斑马鱼对水中重金属的富集能力与暴露浓度呈正相关,而其对不同重金属的富集具有选择性,对3种重金属生物富集能力由强到弱排序为Cu>Pb>Ni,其中斑马鱼对Cu的富集能力极强。此外,斑马鱼对3种重金属的排出速率系数与生物半衰期均与暴露浓度无明显相关性,不同种类的重金属在斑马鱼体内的生物半衰期按时间长短排序为Ni>Pb>Cu,但排出阶段结束后,斑马鱼体内的重金属浓度依然高于初始浓度数倍甚至数十倍。     

模式生物斑马鱼在微量元素代谢研究中的应用

微量元素如铁、锌、铜等对维持生物体代谢和健康至关重要,其含量失衡会造成代谢异常甚至死亡,因此生物体存在复杂机制维持这些微量元素的稳态代谢平衡（homeostasis）。近年来国际上一些实验室尝试用模式脊椎生物斑马鱼来开展该领域的研究,展示出斑马鱼的特有优势。特别是大规模正向遗传学筛选的成功开展,一系列微量元素代谢异常的突变体（如：weissherbst、chardonnay、chianti、shiraz、gavi、calamity和catastrophe）相继发现,为研究离子代谢调控机制和相关疾病的发病机理,提供了整体动态的活体模型。铁代谢相关基因加,2J和grx5都己在斑马鱼中成功定位克隆,斑马鱼铜载体基因atp7a突变体calamity的深入研究,进一步阐明了Menkes病的发病机理。利用斑马鱼的优势,结合小鼠模型和人群来研究微量元素的体内稳态代谢平衡将是微量元素代谢机制研究的新方向。     

Cu+的转运体系

铜是生物体内必需的营养元素,参与体内许多生化反应。细胞膜上的蛋白质和细胞质内可溶性多肤(即分子伴侣)参与了铜离子的跨越细胞膜的转运和细胞内的定位。铜离子被CTR系统转运进入细胞后,主要有三类分子伴侣——ATxl、Coxl7、LYS7介导铜离子在细胞内的运输与定位。每一种分子伴侣都特异性地识别靶分子。细胞膜上和细胞质内的转运体系发生突变,将会诱发很多疾病。近年来,随着对某些疾病机理的深入揭示,人们越来越重视对铜离子异常代谢所引起的疾病的研究。     

肿瘤多药耐药性中的ABC转运蛋白及其调节

ABC转运蛋白是一类利用ATP水解能量,逆浓度方向将一系列化合物转运通过膜结构的膜蛋白,这一类蛋白能转运离子,糖,氨基酸,维生素,多肽,多糖,激素,脂类及生物异源物质.P-糖蛋白(P-gp)、多药耐药相关蛋白(MRP)和乳腺癌耐药蛋白(BCRP)等ABC转运蛋白还具有转运抗癌药物的能力,因此对化疗的有效性有负面的影响.近年来,许多研究涉及到如何逆转由ABC转 运蛋白引起的肿瘤多药耐药性.本文概述了近年来在蛋白水平,mRNA水平或DNA水平上对ABC转运蛋白调控的研究.     

模式动物斑马鱼在组织屏障发育及功能研究中的进展

斑马鱼作为一种新型的模式动物,以其独特的优势,已经成为现代遗传学、发育生物学等研究的重要模式生物。与人类及其他高等脊椎动物相似,斑马鱼同样具有不同的组织屏障系统。近年来,此领域的研究者利用斑马鱼对血脑屏障等组织屏障的研究取得了重要的进展。这对揭示诸多生理屏障相关的人类疾病的发病机制,以及探讨通过调控组织屏障通透性来达到药物有效投递的可行性等研究具有重要的启示作用。本文将介绍近年来斑马鱼作为模式动物在血脑屏障、血-视网膜屏障、皮肤表皮屏障、肠黏膜上皮屏障等组织屏障发育和功能研究中的最新进展。     

植物铜转运蛋白的结构和功能

铜(Cu)是植物必需的微量营养元素, 参与植物生长发育过程中的许多生理生化反应。Cu缺乏或过量都会影响植物的正常新陈代谢过程。因此, 植物需要一系列Cu转运蛋白协同作用以保持体内Cu离子的稳态平衡。通常, Cu转运蛋白可分为两类, 即吸收型Cu转运蛋白(如COPT、ZIP和YSL蛋白家族)和排出型Cu转运蛋白(如HMA蛋白家族), 主要负责Cu离子的跨膜转运及调节Cu离子的吸收和排出。然而, 最近有研究表明, 有些Cu伴侣蛋白家族可能是从Cu转运蛋白家族进化而来, 且它们在维持植物细胞Cu离子稳态平衡中也具重要功能。该文对Cu转运蛋白和Cu伴侣蛋白的表达、结构、定位及功能等研究进展进行综述。     

细菌金属离子外排系统及金属稳态调控

铁、铜、锌、锰等金属离子是各类生物体生存和增殖所必需的微量元素,可影响生物体内蛋白酶活性、免疫反应、生理过程和抗感染机制。细菌感染过程中,宿主可通过限制或提高体内环境中金属离子的浓度来抑制细菌增殖,与此同时,细菌进化出各种转运系统以适应宿主体内金属离子水平的变化。由于不同细菌的金属离子外排系统在结构和生化特性上存在变异,它们呈现出独特的金属离子外排模式。本文根据现有文献报道及本团队研究结果,对铁、铜、锌和锰离子的细菌外排系统进行讨论和总结,旨在综述目前对细菌金属离子稳态调控机制研究进展的认识,为深入理解细菌金属稳态调控相关机制提供参考。     

碳酸酐酶的生理功能、多样性及其在CO2捕集中的应用

碳酸酐酶（carbonic anhydrase）作为一种活性中心含有锌离子的金属酶,能够可逆催化CO2生成碳酸氢盐的水合反应,该反应在生物体内承担着多样的生理学功能,具有高度的生物学意义。除广泛存在于真核生物以外,该酶在淡水、海水、嗜常温、嗜热、厌氧、好氧、致病、产酸、自养、异养等多种原核微生物中也有广泛的分布,并参与光合作用、呼吸作用和以CO2作为底物的反应,维持生理pH以及离子转运等生理过程。近年来,随着温室效应的日益加剧．生物固定CO2作为该酶的一种全新应用引起了研究者的广泛关注。回顾了碳酸酐酶作为催化剂参与CO2固定过程的历史、现状和最新发现,同时展望了未来应用的趋势。     

植物盐胁迫应答的分子机制

植物对盐胁迫的耐受反应是个复杂的过程,在分子水平上它包括对外界盐信号的感应和传递,特异转基录因子的激活和下游控制生理生化应答的效应基因的表达。在生化应答中,本着重讨论负责维持和重建离子平衡的膜转运蛋白、渗调剂的生物合成和功能及水分控制。这些生理生化应答最终使得液泡中离子浓度升高和渗调剂在胞质中积累,近年来,通过对各种盐生植物或盐敏感突变株的研究,阐明了许多盐应答的离子转运途径、水通道和特种特异的渗调剂代谢途径,克隆了其相关基因并能在转基因淡水植物中产生耐盐表型,另一方面,在拟南芥突变体及利用酵母盐敏感突变株功能互补筛选得到一些编码信号传递蛋白的基因,这些都有助于阐明植物盐胁迫应答的分子机制。     

离子转运相关膜蛋白的几种研究方法

离子转运相关的膜蛋白包括离子通道（Ion channel）和转运蛋白（transporter）等。除了传统的电压钳位法和膜片钳技术外,利用酵母和拟南芥突变体的异源互补技术已成为当今研究离子转运相关膜蛋白及其基因的主要分子生物学手段。     

斑马鱼胸苷酸合成酶与自身mRNA的相互作用

斑马鱼(zebrafish,Danio rerio)是生物学领域中公认的研究脊椎类生物的模式生物.胸苷酸合成酶(thymidylate synthase,TS)是DNA从头合成的限速酶,多年来一直作为肿瘤化疗的重要靶酶.前期的研究表明,人和大肠杆菌中TS能与自身的mRNA结合,在翻译水平上具有反馈抑制自调控现象.斑马鱼作为药物模型的研究已成为热点研究领域,为了探讨斑马鱼的胸苷酸合成酶的调控规律,以及与人TS的相关性,利用原核表达,纯化获得高均一性斑马鱼TS蛋白,采用凝胶迁移研究了TS和其mRNA的体外结合,采用免疫共沉淀:RT-PCR技术研究了它们在体内的相互作用,实验结果表明,斑马鱼的TS在体内外均与自身的mRNA存在特异性的相互作用.研究说明,斑马鱼和人的TS具有高度生物学过程相关性,为构建斑马鱼抗肿瘤药理模型提供了理论基础.     

细胞自噬在斑马鱼中的研究进展

细胞自噬是一种维持细胞内稳态的重要方式,并被发现与许多人类疾病相关。由于其具有重大的理论研究价值和潜在应用前景,是近年来生命科学领域的热点之一。细胞自噬的功能与机制在物种间是高度保守的,对它的研究已在多种模式生物中展开。斑马鱼是一种常用的脊椎模式动物,具有影像学、遗传学和发育生物学等学科研究的优势,也可用于高通量药物筛选,是研究细胞自噬的理想材料。目前在斑马鱼中展开的细胞自噬相关研究取得了很多进展。本研究首先简要地描述了自噬的发生过程,重点综述应用于斑马鱼中的自噬检测方法,以及利用斑马鱼模型进行的与自噬相关人类疾病的研究。     

斑马鱼视觉系统生物钟的研究进展

斑马鱼视觉系统生物钟相关研究在近些年取得了一定的进展。现主要对斑马鱼视觉系统中受生物钟调控的形态学、视觉功能、电生理等特性进行总结,并初步探讨其内源性机制。同时,也概括了近年来在斑马鱼松果体方面的研究进展,尤其是松果体的感光特性和发育过程,及其在斑马鱼生物钟形成中的作用。     

细菌锌离子调控体系与感染北大核心CSCD

锌(Zn)是生命体不可或缺的微量元素,对细菌和宿主同等重要。细菌体内锌离子稳态的维持依赖锌离子转运和调控体系。宿主通过限制锌离子或高锌离子中毒来控制细菌感染。为了在宿主体内生存,细菌必须表达高亲和力的锌离子转运系统,如ZnuABC,以获取足够的锌离子。由于锌与细菌大量的代谢和毒性通路密切相关,在细菌建立感染的过程中尤为重要,因此通过抑制锌离子转运系统来影响锌离子的稳态,将成为一个非常有发展前途的新型抗菌策略。     

植物对重金属耐性的分子生态机理

植物适应重金属元素胁迫的机制包括阻止和控制重金属的吸收、体内螯合解毒、体内区室化分隔以及代谢平衡等。近年来,随着分子生物学技术在生态学研究中的深入应用,控制这些过程的分子生态机理逐渐被揭示出来。菌根、根系分泌物以及细胞膜是控制重金属进入植物根系细胞的主要生理单元。外生菌根能显著提高寄主植物的重金属耐性,根系分泌物通过改变根际pH、改变金属物质的氧化还原状态和形成络合物等机理减少植物对重金属的吸收。目前,控制菌根和根系分泌物重金属抗性的分子生态机理还不清楚。但细胞膜跨膜转运器已得到深入研究,相关金属离子转运器被鉴定和分离,一些控制基因如铁锌控制运转相关蛋白(ZIP)类、自然抵抗相关巨噬细胞蛋白(Nramp)类、P_1B-type ATPase类基因已被发现和克隆。金属硫蛋白(MTs)、植物螯合素(PCs)、有机酸及氨基酸等是植物体内主要的螯合物质,它们通过螯合作用固定金属离子,降低其生物毒性或改变其移动性。与MTs合成相关的MT-like基因已经被克隆,PCs合成必需的植物螯合素合酶(PCS), 即γ-Glu-Cys二肽转肽酶(γ-ECS) 的编码基因已经被克隆,控制麦根酸合成的氨基酸尼克烟酰胺(NA)在重金属耐性中的作用和分子机理也被揭示出来。ATP 结合转运器(ABC)和阳离子扩散促进器(CDF) 是植物体内两种主要膜转运器,通过它们和其它跨膜方式,重金属被分隔贮藏于液泡内。控制这些蛋白转运器合成的基因也已经被克隆,在植物中的表达证实其与重金属的体内运输和平衡有关。热休克蛋白(HSP)等蛋白类物质的产生是一种重要的体内平衡机制,其分子机理有待进一步研究。重金属耐性植物在这些环节产生了相关响应基因或功能蛋白质,分子克隆和转基因技术又使它们在污染治理上得到了初步的应用。     

人体平衡型核苷转运蛋白的结构及应用研究进展

通过参与合成和转运核苷及其类似物,人体中的平衡型核苷转运蛋白在生物体内参与了细胞发育、能量代谢和信号转导等众多生理生化过程,其研究对于癌症、病毒感染等相关疾病的治疗有着极为重要的意义。该文综述了该类蛋白质在人体内的发现历程、分类、结构和作用机制,并对于其在一些疾病治疗和药物开发方面的前景进行了展望。     

γ-氨基丁酸(GABA)转运蛋白的结构、功能和调控

神经信号的有效传递有赖于对神经递质的精确调节,转运蛋白在其中起看决定性的作用。作为哺乳动物中枢神经系统中最主要的抑制性系统,GABA能系统在生物体内参与多种神经生理活动,自90年代初首次克隆了GABA转运蛋白基因以来,对它的研究也越来越深入和越来越多,本对GABA转运蛋白的结构功能和调控仅作了简要综述。     

斑马鱼胚胎彩色图像生理结构分割

斑马鱼是一种当今应用十分广泛的模式生物,研究其实验图像的信息自动提取具有较高的应用价值。药物培养斑马鱼胚胎在发育成长过程中的生理影响的定量分析,很难通过人工肉眼观察的方式得出较为准确的指标值,通常要借助于计算机。斑马鱼图像定量分析的前提基础就是可以对斑马鱼胚胎图像,按照斑马鱼的生理结构即头部、躯干和卵黄三个部分在图像中分割开。但是实际情况是斑马鱼药物实验中特定药物的实验组数量有限,不能通过学习训练等机器学习的方式分割,只能使用图像处理建模分割。本文使用距离变换结合分水岭算法、减法聚类结合K-means聚类算法以及减法聚类结合漫水填充算法分别对图像进行语义分割,发现减法聚类结合漫水填充算法的分割效果达到了满足研究所需的生理结构分割的目的,为后续医学研究中的定量分析奠定了较好的基础。     

锌离子、锌转运蛋白——细胞信号通路的新调控因子

锌(Zn)是人体内含量第二的必需微量金属元素,锌过量或缺失与多种发育缺陷和疾病发生高度相关。细胞内外锌离子转运及稳态维持主要依靠锌转运蛋白来实现。依据锌离子转运方向,锌转运蛋白分为ZIP和ZnT两个家族。锌离子和锌转运蛋白不仅能够作为重要的结构/催化因子调节相关蛋白(特别是酶)的活性,还可以作为信使广泛地参与多种细胞信号转导途径。而与其他功能相比,锌离子和锌转运蛋白作为信号调节因子的研究起步较晚,但近年来进展很快。该文聚焦于ZIP和ZnT家族成员,简要介绍其蛋白结构、分布位置、及转运机制等研究成果,重点总结近年来有关锌转运蛋白直接或间接地(通过调节胞内锌离子)调控细胞信号通路的分子机制的研究进展。