摘要 微量元素在生物體內(nèi)有著重要的營養(yǎng)作用和生理作用。近年來，關(guān)于微量元素對基因表達(dá)的調(diào)控作用的研究也越來越深入，本文重點(diǎn)介紹了銅、硒、鐵、鈷及鋅元素對基因表達(dá)的調(diào)控及調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展。
                      
      關(guān)鍵詞 微量元素 基因表達(dá) 銅 鐵
                      
                      
      生物的生長、繁殖、生產(chǎn)等活動都是基因表達(dá)的結(jié)果，基因的表達(dá)水平首先決定于生物的種類、生長階段和組織部位。此外，外界環(huán)境、營養(yǎng)素的組成及濃度對基因的表達(dá)水平也起著重要的調(diào)控作用。微量元素是指在動物機(jī)體中的含量低于0.01%的元素，它包括Fe、Cu、Zn、Se等20多種，大量的研究表明，這類營養(yǎng)素可以在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后及翻譯等多個(gè)環(huán)節(jié)影響基因的表達(dá)，本文就有關(guān)這方面的研究作一概述。
                      
         1、 銅元素對基因表達(dá)的調(diào)控作用
                      
                      
          銅是生物體內(nèi)許多酶的輔助因子，這些酶包括細(xì)胞色素氧化酶、Cu/Zn超氧化物歧化酶等。大量的研究表明，銅離子參與調(diào)控生物體內(nèi)基因的表達(dá)。釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）通過一套調(diào)控機(jī)制來維持細(xì)胞內(nèi)正常的銅離子水平，Gross（2000）報(bào)道，銅離子可通過兩種轉(zhuǎn)錄激活因子Ａce1和 Mac1來調(diào)控基因的表達(dá)，Mac1是營養(yǎng)劑量銅的效應(yīng)蛋白，它通過結(jié)合在CTR1、 CTR3、 FRE1、 FRE1  、FRE7等高親和銅離子蛋白基因的重疊TTTGCTCA啟動子序列，來激活這些基因的表達(dá)，在高銅誘導(dǎo)下，Mac1與DNA的結(jié)合力和反式激活活性被抑制。在低濃度銅離子時(shí)，Mac1是一種很穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，但在高劑量Cu環(huán)境下，酵母細(xì)胞中的Mac1以銅專一方式快速降解，從而抑制銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)，這種在銅離子激活下的快速降解在防止銅中毒上有重要作用，同時(shí)也是微量元素調(diào)控基因表達(dá)的一種重要機(jī)制；Ace1則是中毒劑量銅離子傳感蛋白，它調(diào)控解毒蛋白基因如CUP1、CRS5（ CUP1、CRS5編碼金屬硫蛋白家族中的富半胱氨酰基多肽）、SOD1等基因的表達(dá)。Beaudoin（2001）發(fā)現(xiàn)在裂殖酵母（fission  yeast）細(xì)胞中，銅離子缺乏可誘導(dǎo)銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)，該基因的啟動子中有一段保守的序列即銅效應(yīng)元件（CuSE），CuSE能被轉(zhuǎn)錄因子Cuf1所識別，在低銅情況下轉(zhuǎn)錄因子Cuf1增加。
                      
                      
        動物實(shí)驗(yàn)表明，日糧銅水平影響動物基因的表達(dá)。Cousins（1992）報(bào)道，銅離子可提高小鼠兩種急性蛋白基因即血清-酸性糖蛋白基因C-反應(yīng)蛋白基因的穩(wěn)定性。Wilson（1997）的研究表明，斷奶公鼠日糧中銅缺乏可誘導(dǎo)肝臟脂肪酸合成酶基因的轉(zhuǎn)錄，在給斷奶公鼠飼喂高蔗糖日糧42天后，低銅組（0.7ugCu/g）脂肪酸合成酶（FAS）mRNA的量比對照組(5.0  ug Cu/g)增加 3倍，F(xiàn)AS基因的轉(zhuǎn)錄水平提高2.5倍。Tang（2000）認(rèn)為，銅缺乏誘導(dǎo)FAS基因轉(zhuǎn)錄是因?yàn)殂~缺乏使核內(nèi)成熟的轉(zhuǎn)錄因子固醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白-1（transcription factor sterol regulatory element binding protein-1 ，SREBP-1）的量增加，SREBP-1是脂肪酸合成酶基因啟動子的一個(gè)強(qiáng)增強(qiáng)子，他報(bào)道，給斷奶公鼠飼喂低銅日糧（0.6ug  Cu/g）28天后,肝臟核內(nèi)的成熟SREBP-1比對照組（6.0ug  Cu/g）提高1.50倍，同時(shí)脂肪酸合成酶基因mRNA增加4倍。研究還表明，一些與銅代謝有關(guān)的基因并不受銅離子調(diào)控，如血漿銅藍(lán)蛋白，它是血漿中主要的銅結(jié)合蛋白，但銅水平?jīng)]有改變大鼠肝臟中血漿銅藍(lán)蛋白基因mRNA的量；一種編碼銅轉(zhuǎn)運(yùn)P-型腺苷三磷酸酶的Menkes病基因的表達(dá)水平也與小鼠組織中的銅濃度無關(guān)。
                      
           2、 鋅元素對基因表達(dá)的調(diào)控作用
                      
                      
        鋅是機(jī)體中重要的微量元素，它幾乎參與生物體新陳代謝的各個(gè)方面，在生物體內(nèi)起著重要的生物學(xué)作用，如促進(jìn)細(xì)胞的增殖分化，增強(qiáng)機(jī)體免疫功能，參與核酸蛋白質(zhì)代謝等。目前的研究表明，鋅以間接或直接的形式參與基因的表達(dá)調(diào)控。
                      
                      
        鋅參與基因表達(dá)的一種重要的方式是它可以與核酸及組蛋白緊密結(jié)合從而穩(wěn)定這些生物大分子的高級結(jié)構(gòu)。組蛋白是染色質(zhì)的組成部分，是DNA轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞有絲分裂過程中所必須的物質(zhì)。Castro(1999)報(bào)道，缺鋅可以改變組蛋白H1的亞結(jié)構(gòu)特性，使組蛋白H1從染色質(zhì)上脫去，而組蛋白H1的磷酸化與基因活化及蛋白質(zhì)的合成密切相關(guān)，體外實(shí)驗(yàn)表明，組蛋白H1的磷酸化必須有鋅的激活才能完成。鋅還可以通過鍵合在DNA骨架上從穩(wěn)定DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，并維持其穩(wěn)定性，研究認(rèn)為缺鋅可以引起DNA的氧化損傷。
                      
                      
        鋅影響基因表達(dá)的另一種方式是其影響DNA的復(fù)制過程。研究表明，核酸合成及降解的關(guān)鍵酶為鋅依賴酶，例如，大腸桿菌的RNA聚合酶、DNA 聚合酶、轉(zhuǎn)錄酶、dNT終端轉(zhuǎn)移酶、tRNA合成酶等均為鋅依賴酶，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鋅缺乏時(shí)，這些酶活性也會降低，Michelsen(1993)等的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，日糧中不加鋅大鼠細(xì)胞核中的DNA聚合酶活性明顯低于對照組，當(dāng)向缺鋅大鼠飼料中添加適量鋅元素可以使部分DNA聚合酶活性得到恢復(fù)。Prasad   (1996)等發(fā)現(xiàn)，人惡性類淋巴母細(xì)胞T輔助細(xì)胞系（HUT-78）在鋅缺乏和鋅充足基質(zhì)中的倍增時(shí)間分別為59 8小時(shí) 和32.6 小時(shí)，而且在鋅缺乏基質(zhì)中的DNA合成酶脫氧腺甘激酶（TK）活性及TK-mRNA豐度均下降。Vallee(1993)等的實(shí)驗(yàn)表明，缺鋅使裸藻江蘺（E.gracilis）缺乏真核細(xì)胞所特有的3種正常依賴DNA的RNA 聚合酶,從而改變了其mRNA和蛋白質(zhì)的種類。
                      
                      
         鋅還以鋅結(jié)合蛋白的形式參與基因的表達(dá)調(diào)控。鋅結(jié)合蛋白是一類轉(zhuǎn)錄因子，能激活因子或增強(qiáng)子。Zn++在鋅結(jié)合蛋白類轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合區(qū)域如鋅指、鋅簇、鋅扭的折疊中起著關(guān)鍵的作用。研究表明，鋅指蛋白在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控基因表達(dá)，缺鋅動物體內(nèi)鋅指蛋白TFⅢA含量下降（Chester）。小鼠實(shí)驗(yàn)表明，日糧中鋅水平影響小鼠血漿和紅細(xì)胞中的金屬硫蛋白的水平，Zn通過轉(zhuǎn)錄因子金屬調(diào)節(jié)蛋白（MRE）來調(diào)節(jié)金屬硫蛋白（MT）基因的轉(zhuǎn)錄水平。
                      
       3、 硒元素對基因表達(dá)的調(diào)控作用
                      
                      
         硒在動物機(jī)體也有著重要的作用，它參與機(jī)體內(nèi)的抗氧化作用，與機(jī)體的免疫功能密切相關(guān)。動物體內(nèi)的谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）可以清除體內(nèi)的過氧化物從而防止機(jī)體受過氧化物的氧化，目前發(fā)現(xiàn)的GPX有4種即細(xì)胞谷胱甘肽過氧化物酶（GPX1）、胃腸道谷胱甘肽過氧化物酶（GPX2）、血漿谷胱甘肽過氧化物酶（GPX3）及磷脂氫化過氧化物酶（GPX4）。業(yè)已證明，谷胱甘肽過氧化物酶基因的表達(dá)與日糧中硒含量密切相關(guān)。Bermano（1995）的研究發(fā)現(xiàn)，在硒嚴(yán)重缺乏的情況下，肝臟和心臟中的細(xì)胞谷胱甘肽過氧化物酶的活力和mRNA的含量幾乎為零；Weiss（1997）報(bào)道，缺硒是中國小倉鼠卵巢中GPX1的mRNA含量急劇下降。Burk（1993）認(rèn)為缺硒對依賴于硒的酶及硒蛋白的轉(zhuǎn)錄均無影響，Bermano（1996）也認(rèn)為硒元素對GPX1基因的調(diào)控并不是在轉(zhuǎn)錄水平，而是對GPX1基因mRNA的穩(wěn)定性和翻譯過程進(jìn)行調(diào)控，如硒缺乏會加速GPX1mRNA的降解，即其調(diào)控為轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控。
                      
          4、 鐵元素對基因表達(dá)調(diào)控作用
                      
                      
      鐵不僅參與動物體內(nèi)的物質(zhì)代謝過程，而且通過參與載體組成轉(zhuǎn)運(yùn)和儲存營養(yǎng)素。研究發(fā)現(xiàn)，鐵元素對動物細(xì)胞內(nèi)的兩種基因即鐵蛋白（Fn）基因和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TfR）基因的表達(dá)具有重要的調(diào)控作用，這種調(diào)節(jié)是通過多種順式作用元件即Fe效應(yīng)元件（IRE）和一種反式作用蛋白即Fe效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（IRP）來進(jìn)行的。IRP具有雙重功能即順烏頭酸酶催化活性和調(diào)控基因表達(dá)的功能，而細(xì)胞中的鐵對IRP的結(jié)構(gòu)和功能起著決定作用，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵含量充足時(shí)，IRP所結(jié)合的[Fe-S]為[4Fe-4S]，這時(shí)IRP具酶活性而無翻譯調(diào)控功能；當(dāng)鐵含量下降時(shí)，IRP結(jié)合的[Fe-S]變?yōu)閇3Fe-4S]，使其分子變構(gòu)為無酶活性而具翻譯調(diào)控功能，這種形式的IRP可以結(jié)合鐵蛋白基因的mRNA5，端非翻譯區(qū)IRE，形成抑制鐵蛋白基因mRNA翻譯起始的穩(wěn)定的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，同時(shí)IRP結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白mRNA3，端IRE，增強(qiáng)轉(zhuǎn)鐵蛋白基因mRNA轉(zhuǎn)錄子的穩(wěn)定性（Basilion,1994）。
                      
                      
        在肉雞上的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，飼糧中缺鐵將導(dǎo)致肝臟轉(zhuǎn)鐵蛋白基因mRNA含量升高到正常水平的2.5倍（Mcknight，1980），當(dāng)飼糧中補(bǔ)鐵后，轉(zhuǎn)鐵蛋白基因的mRNA的含量在3天內(nèi)恢復(fù)正常水平。長期攝入過量鐵使小鼠膠原蛋白基因表達(dá)水平提高并導(dǎo)致肝臟纖維化（Britton，1994）。日糧中鐵水平還影響與鐵吸收有關(guān)蛋白的基因表達(dá)，DMT1是位于腸外膜的一種二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，是腸道吸收非血紅素鐵的主要通道。體外細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，在高鐵環(huán)境中24小時(shí)后，細(xì)胞溶膠和細(xì)胞膜之間的DMT1的量明顯減少，但72小時(shí)以后DMT1 mRNA的量才減少（Sharp，2002），關(guān)于其調(diào)控機(jī)制目前還不清楚。
                      
          5、鈷元素對基因表達(dá)的調(diào)控作用
                      
                      
        一些研究表明添加鈷產(chǎn)生類似缺氧樣的效應(yīng)，在成骨細(xì)胞培養(yǎng)基中添加鈷元素可以提高成骨細(xì)胞內(nèi)血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）基因的表達(dá)，其機(jī)制是因?yàn)殁捦ㄟ^結(jié)合在氧感受分子的血紅素部分而導(dǎo)致缺氧，而低氧可以激活VEFG基因mRNA的表達(dá)。但鈷對基因表達(dá)的調(diào)控還存在其它方式：缺氧可以通過缺氧誘導(dǎo)因子（HIF-1）來激活平滑肌細(xì)胞中的血紅素加氧酶基因1（ho-1）的表達(dá)，突變型的中國倉鼠卵細(xì)胞（Kal3）內(nèi)缺乏HIF-1，但在缺氧和添加氯化鈷環(huán)境下，血紅素加氧酶基因的表達(dá)水平同野生型中國倉鼠卵細(xì)胞相似，研究發(fā)現(xiàn)，在Kal3細(xì)胞內(nèi)，氯化鈷可以激活熒光素酶報(bào)告基因的表達(dá)，而該報(bào)告基因由ho-1基因的啟動子所啟動，這說明，氯化鈷可以激活ho-1基因的啟動子(Gong，2001)。
                      
                      
        關(guān)于其它微量元素對基因表達(dá)的研究也有一些報(bào)道，例如，鎘可提高金屬硫蛋白基因的轉(zhuǎn)錄速率；動物實(shí)驗(yàn)表明，日糧中錳缺乏可降低肝臟MnSODmRNA水平(Cousins,1994)。
                     
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