我国生物微量元素研究进展

我国生物微量元素研究进展

20世纪70年代以来，化学元素，尤其是养分，在生命现象中的作用越来越受科学家们的兴趣。环境中微量元素、生物体中微量元素与生物体生存以及与人类健康的密切关系,给科研人员提出了新的课题,微量元素科学应运而生。作为一门新兴的学科,微量元素科学既古老又新颖。称之古老,是因为微量元素早已渗透到人类生活的方方面面;称之新颖,则因为它是一门由多学科相互渗透的交叉学科,与化学、环境科学、营养学、医药学、生物学等密切相关,由它衍生出了微量元素化学、微量元素营养学、微量元素医学等门类众多的学科分支。随着科学研究的飞速发展,人类对微量元素的认识不断深入,经历了一个由浅入深,由表及里的过程。今天,当人们再次审视微量元素时,它所呈现出的是一个纷繁复杂、极具吸引力的“大世界”,在这个“微而不微”的研究领域里,人们逐渐了解到微量元素是如何走入并深深影响着人类健康以及赖以生存的环境。我国在微量元素与健康方面的研究滞后于其他发达国家,但却先后涌现出一批批令世人关注的优秀科学家,而我国在“硒与克山病”的研究成果更是让世界为之触动。近年来,随着国家对基础研究领域的重视与科研投入的增加,许多有着海外科研经历的优秀中青年科学家陆续回国开展工作,并发表了一批高水平的研究论文,产生了一系列原创性科研成果。有鉴于此,本文将对近年来致力于微量元素研究的华人专家、学者,特别是他们在国内的研究成果进行简要介绍。本文将从铁、锌、硒、碘、铜及微量元素与畜禽营养六个方面进行概述。1铁与人体健康和疾病的关系人类对微量元素的认识经历了一个较长的过程,铁是其中最早被发现的人体必需微量元素,对其生理学作用与健康功能,人类早有认识,长期以来对铁的研究主要集中于铁缺乏及缺铁性贫血的原因与防治。随着对铁代谢认识的不断深入,研究人员同时把目光投向了铁对人体健康和疾病影响的另一方面——铁过载的影响研究。当前营养学研究领域中,一方面是营养不良而造成的生长发育迟缓、智力低下;而另一方面则是营养过剩造成肥胖、心脑血管病、代谢综合征等慢性非传染性疾病的情况。与之类似的,随着对铁代谢认识的不断深入,研究人员在铁代谢研究上,也已从铁缺乏扩展到铁过载和铁代谢紊乱及相关疾病的研究。近年来,铁代谢基础研究的突飞猛进也对该领域的发展起到了重要的推动作用。1.1病机病理及生物效应研究由于铁是典型的无机金属元素,铁在生物界中的功能最先引发了化学家的研究兴趣,与之相关的研究可归属于生物无机化学的研究范畴。北京大学的王夔院士是我国生物无机化学研究的先行者之一,他率先在细胞层次上进行无机物的生物效应研究,通过跟踪细胞应答过程中发生的化学事件,来研究其与病理和毒理过程的关系,以阐明无机物干预生命过程的机制、研究无机药物。这其中涉及到与疾病相关的细胞无机化学的诸多领域,如神经退行性病变中金属离子的作用及细胞中过多铁/铜离子的掩蔽和清除;金属离子—活性氧/信号系统—细胞(增殖、分化和凋亡)生命过程的干预和调节机制;病理性生物脱矿/矿化机制在疾病发展中的作用等等。王夔院士还首次提出了“预防药学”的研究计划,用以研究和开发预防疾病发生发展的药物,通过对疾病过程中的关键环节以及关键环节中的生物分子的研究,筛选和设计干预或调整性药物。1.2铁代谢研究回顾铁稳态平衡是一个精密调控的过程,其机理的复杂程度远远超出人类的想象。随着铁代谢操纵“密码”的逐步破解,人类对铁稳态调控机制的认识不断向纵深发展,华人科学家在这一方面的突出贡献令世人瞩目。中国科学院上海生命科学院营养科学研究所王福俤博士是“百人计划”引进学者,在回国前曾独立或参与发现了3个铁代谢重要基因,分别为Monla、Sec1511HRI,这些基因分别参与了铁的转运与代谢,其中他发现的新基因Mon1a调控巨噬细胞铁再循环机制的研究成果于2007年发表在《自然-遗传学》(NatureGenetics)杂志,引起国际极大关注。回国后,王福俤博士通过多种生物技术平台对铁稳态代谢开展了前沿而系统的研究。Fpn1是目前已知的唯一往细胞外运输铁的跨膜蛋白。有研究提示,它存在于巨噬细胞膜并参与铁再循环,但缺乏直接实验证据。王福俤研究组制备了巨噬细胞特异性敲除Fpn1小鼠模型Fpn1LysM/LysM,小鼠显示贫血和组织铁蓄积表型,并对LPS诱发的内毒素休克以及细菌感染表现抵抗作用,从而阐明Fpn1在巨噬细胞对铁再循环和免疫应激的调控机制。通过制备肝实质细胞Fpn1特异敲除小鼠(Fpn1Alb/Alb)以及肝实质细胞和巨噬细胞Fpn1双敲除小鼠(Fpn1Alb/Alb;LysM/LysM),研究揭示肝细胞中Fpn1参与铁外排以及在维持整体铁稳态中的关键作用和机制,并进一步阐明铁吸收、铁储备及Fpn1介导的铁动员是相互协调而维持机体铁平衡的复杂网络。通过金属还原酶Steap3敲除小鼠模型发现巨噬细胞内铁离子分布异常,其胞内可利用铁明显减少;Steap3敲除可明显抑制TLR4介导的TRAM/TRIF通路下游IFN-beta表达与分泌;LPS刺激可引发Steap3敲除小鼠肝脏和脾脏等组织器官铁离子的过度蓄积。这是首次发现Steap3是介导铁代谢与免疫应激间的重要分子。TRPML1是TRP离子通道蛋白,分布在细胞内质体和溶酶体,在人类黏脂质累积病IV型患者中发现有突变;与美国密斯根大学HaoxingXu实验室合作利用多种生物学技术揭示TRPML1是Fe2+通道,成果发表在2008年《自然》(Nature)杂志。王福俤研究组通过合作还开展人群流行病学的铁代谢研究。以全基因关联研究为基础,他们将可能影响人体铁代谢的多个基因在2139例缺铁性贫血的中国人群中进行了深度分析和验证。结果发现,在众多基因中,只有TMPRSS6基因多态性位点与我国汉族和壮族缺铁性贫血存在显著关联。TMPR-SS6基因编码蛋白Matriptase-2参与调控激素Hepcidin表达和分泌,进而影响小肠上皮细胞的Fpn1介导的铁吸收过程。TMPRSS6基因是第一个被发现的人类缺铁性贫血基因,该成果为揭示缺铁性贫血高发的遗传机制,并为高发人群中缺铁性贫血防治提供重要靶点。国家纳米科学中心“百人计划”学者聂广军博士于2008年回国后发现,铁代谢的表观遗传学机制和去甲基化药物诱导体外红细胞分化的分子机制和关键的作用位点。证明了转录因子c-Myc对于TfR1和血红素生物合成中铁螯合酶(ferrochelatase)的调控作用,并阐述了表观遗传变化,特别是相关基因启动子区域的甲基化位点和水平的特异性改变,对红细胞分化的调控作用和影响;首次研究和报道了系列的遗传性铁代谢紊乱导致的人类疾病,包括在中国人群中发现并报道了两例致病性的突变和首例先天性红细胞生长不良性贫血(gongenitaldyserythropoieticanemiaII,CDAII)病例,并系统研究了CDAII家系的遗传学特性,发现了SEC-23B和HFE2两个基因突变共同导致了临床上铁沉积的病理特征;利用储铁蛋白24聚体的纳米蛋白复合体为生物模板,制备了具有高活性的生物纳米模拟酶和内源性蛋白的荧光标记技术,实现通过对天然蛋白的荧光标记,开展对蛋白体内外的生物分布和功能的研究,是对GFP为代表的生物荧光成像技术的有益补充。河北师范大学常彦忠博士研究组也开展了这方面的研究,发现促红细胞生成素对机体铁吸收和网状内皮系统铁释放调控的分子机制,铁调素在运动性贫血中的重要功能,铜蓝蛋白血症肝脏铁调素表达调控的原因;发明治疗炎症性贫血的特异性制剂-铁脂质体,为预防和治疗顽固性缺铁性贫血提供了新的手段;发现MAPK和TGF-β信号通路参与了石墨烯对巨噬细胞凋亡的影响,系统阐述了铁代谢紊乱-氧化应激-细胞凋(死)亡机制。1.3铁运材料的研究细胞内铁的存在形式一直是人们关注的热点,铁蛋白(ferritin)具有将细胞质中的铁储存起来的重要功能,但是铁被运送到ferritin中并被有效地存储机制一直不甚明了。江苏大学通过“江苏省高层次创新创业人才引进计划”引进的施海峰博士,在美国国立健康研究院(NIH)工作期间,筛选到影响铁代谢的重要功能基因PCBP1,证实其为胞质中将铁运送到储铁蛋白ferritin中的伴侣分子,研究成果发表在2008年《科学》(Science)杂志。由他组建的江苏大学分子营养学实验室目前正致力于微量元素代谢及相关疾病等方面的研究。中国农业大学食品科学与营养工程学院的赵广华博士在植物铁结合蛋白方面有许多重要发现,并形成自己的研究特色。中国科学院生物化学与细胞生物学研究所“百人计划”研究员胡荣贵博士在金属代谢相关蛋白质翻译后修饰及降解机制研究方面开展了系列研究。其中以蛋白质翻译后修饰精氨酰化和泛素化等介导的蛋白质降解途径中关键调控步骤及其生理和病理意义研究最为深入,在国际上首次发现一氧化氮(NO)合成酶催化产生的NO能够直接调节一个蛋白质家族的降解,发现ATE1可与血红素形成复合物,并且ATE的蛋白质水平与胞内的血红素水平呈负相关,ATE1基因的敲除可以抑制胚胎造血细胞生成,该过程在胚胎的心血管系统发育中起关键调节作用,该机制在微中风、伤口愈合等过程中可能发挥重要作用。研究成果发表在2005年《自然》(Nature)杂志,这些成果加深了人们对血红素的调控机制的认识。1.4深刻反馈的土地-铁代谢研究领域中另外一个重要研究方向是线粒体铁代谢研究,其中铁-硫簇(Fe-Scluster)和血红素的生物合成及调控是线粒体铁代谢的核心,也是维持线粒体正常功能的重要基础。在哺乳动物中,两者之间有一定的依存关系。Fe-S簇是普遍存在于生物体中的最古老的生命物质之一,通过解析Fe-S簇的合成途径来加深对人类疾病中因Fe-S簇的合成受损而引发的线粒体铁代谢紊乱相关疾病的发病机理的认识。这一方面,研究的较为深入的有聂广军博士、南京大学医学院李宽钰博士、中科院营养科学研究所石彦波博士。聂广军博士回国前研究了线粒体储铁蛋白调控线粒体铁代谢,特别是在血红素和铁硫蛋白合成等方面的分子机制,并首次证明表达线粒体储铁蛋白能够通过调节肿瘤细胞铁代谢而抑制肿瘤生长;而线粒体铁代谢仍是他的实验室研究的主要方向。李宽钰博士和石彦波博士均来自国际著名铁代谢专家TraceyRouault博士实验室。她们的研究证实Fe-S簇的生物合成场所不仅仅局限于线粒体内,在细胞质中同样存在着一套相对独立的Fe-S簇合成及修复机制。此外,还研究发现Fe-S的生物合成障碍是引发线粒体中铁稳态失衡的重要原因,一些重要基因,如frataxin、ISD11、Fdx、FdxR缺失是导致Fe-S簇合成障碍、电子传递链受阻的同时,伴随着线粒体中铁反馈性过载的重要原因。由此造成的氧化损伤被认为是弗雷德里希共济失调的亚细胞病理基础;而Fdx、FdxR的缺失则与血红素合成障碍密切相关。这些研究为人们认识线粒体铁代谢平衡的重要性提供了实验依据,同时,也为这些疾病的分子水平治疗另辟蹊径。1.5铁调素调控脑铁代谢的临床研究脑铁稳态平衡直接影响到神经细胞的功能,更是铁代谢研究的主要领域之一,我国科学家在这方面开展了大量研究。香港理工大学的钱忠明博士提出了“脑铁代谢紊乱是神经退行性疾病的一个起因”重要假说,如今该假说已得到大量研究证实。该实验室通过对脑铁代谢生理及相关疾病机理与神经药理学、转铁蛋白受体铁转运系统在药物靶向转运中的应用研究,结论性地指出:脑铁代谢紊乱是神经退行性疾病的一个重要起因;脑铁代谢紊乱是由于先天遗传或后天因素造成的脑铁代谢蛋白表达异常所致;铁引起的氧化应激是神经退行性疾病发展的共同机制。这些研究的重大进展使该类疾病的有效防治成为可能,通过“降低脑铁”,或长期保持脑铁处于正常或偏低水平,避免脑铁随年龄增加而增加,应该能达到有效预防老年性神经退行性疾病的目的,这一研究为降低脑铁药物的研发提供了理论基础。中科院生物物理研究所的赵保路博士研究发现铁缺乏可能主要与阿尔茨海默氏病(AD)早期关系密切,而铁离子过载可能主要与AD后期损伤关系密切。天然抗氧化剂可以调节铁等金属离子代谢失衡,可能在预防AD的发生和延缓AD进程中起作用。帕金森病中存在脑铁稳态的破坏,但铁在脑内聚集的分子机制至今未明,青岛大学谢俊霞博士所负责的国家生理学重点(培育)学科推进了人们对这一领域的认识,指出铁的转运蛋白的表达调控异常参与这一机制。目前该实验室对在神经退行性疾病中脑内铁的异常聚集和特异性损伤神经元的机制,以及铁、炎性反应、胶质细胞增生和神经元退变之间的关系正在进行深入的研究。复旦大学附属中山医院神经内科钟春玖博士率领的临床团队对非ATP7B基因突变导致的铜蓝蛋白代谢异常与脑铁代谢紊乱、运动障碍性疾病(特别是帕金森病)发生之间的关系开展了长期临床研究。在国际上首先命名“低铜蓝蛋白血症相关的运动障碍(hypoceruloplasminemia-relatedmovementdisorders,HCMD)”的论文被EuropeanJournalofNeurology发表并同期配发编辑部评论表示赞同;还首次利用高场强颅脑MRI磁敏感成像技术研究发现铜蓝蛋白代谢异常导致帕金森病患者中脑黑质特异性铁沉积,而不伴有铜蓝蛋白代谢异常的帕金森病患者中脑黑质铁含量并不显著升高,从病理生理特征上将帕金森病患者区分为两个不同的亚群,为进一步研究帕金森病区别化病因治疗奠定了基础。河北师范大学常彦忠博士负责的铁代谢分子生物学研究室也开展了系统性研究,阐明铁调素调控脑铁代谢的机理,首次提出在脑缺血再灌注引起的损伤过程中,铁调素对铁代谢的异常调控起着重要作用;阐明了膜铁转运蛋白和铜蓝蛋白在脑铁代谢中的作用;合作发现线粒体铁蛋白在脑内的表达与年龄有关,证实了线粒体铁蛋白在帕金森病和老年痴呆症发病过程中的保护作用及其机理,发现铁代谢失衡与自由基造成的神经细胞损伤的信号转导通路。清华大学“百人百名人才引进计划”周兵博士是微量元素研究领域早期回国的学者之一。回国前参与了一种罕见的铁代谢异常的神经退行性疾病(hallervorden-spatz疾病,现更名为NBIA或PKAN)的基因克隆研究,现发现该病是维生素B6代谢紊乱疾病,研究成果发表在2001年《自然-遗传学》(NatureGenetics)杂志;回国后,以果蝇为实验模型研究了该疾病的发病机制。1.6铁代谢相关基因与心血管疾病的相互作用铁代谢与代谢综合征关系是目前人们关注的热点。蔡露博士在美国路易斯韦尔大学儿科系及放射肿瘤系任副教授,兼温州医学院特聘教授、温州医学院糖尿病并发症研究所所长,并长期致力于微量元素包括铁与代谢综合征的相关研究。蔡露博士研究组发现短暂少量的铁缺乏似乎能预防正常人群中的胰岛素抵抗,并能提高2型糖尿病患者对于胰岛素的敏感。相反,长期慢性的铁缺乏,例如贫血却能进一步加速糖尿病及其并发症的发展。如果铁在体内过量蓄积,能够增加胰岛素抵抗的发生率,甚至诱发2型糖尿病,还能够增加糖尿病患者心血管系统并发症的发生率。例如,通过摄食红肉而造成的铁蓄积可能是诱发糖尿病患者心血管系统并发症的主要原因。王福俤博士研究组通过人群的关联研究发现TMPRSS6基因多态性与中国居民2型糖尿病密切相关。采用ICP-MS技术检测了1059例中年代谢综合征患者血浆中17种元素含量,通过生物信息学mutualinformation方法对数据进行建模分析,发现这些元素以单一离子、互作离子(以铁最为显著)或单一兼互作离子(以铜最为显著)三种模式分别影响肥胖或糖尿病的发生。这是首次发现多元素与代谢性疾病间相互作用的特殊规律,并首次提出了“人类疾病离子组学”概念。第二军医大学军队卫生学教研室李敏博士发现糖尿病、代谢综合征、非酒精性脂肪肝等退行性疾病发病过程中出现铁代谢异常的机制;铁代谢失衡与脂类代谢异常的相关性等课题进行系统的研究。苏州大学附属第二医院徐又佳博士长期从事铁代谢与骨代谢的相关研究。通过对70岁以上女性髋部脆性骨折患者和对照组血清铁蛋白、髋部和腰椎骨密度(DXA)研究分析,证实绝经后骨质疏松性骨折伴有“铁过载”现象;发现雄性小鼠腹腔注射枸橼酸铁铵(FAC)可致使骨吸收增加,同时,伴有血清氧化应激指标增高;发现高铁环境可促进破骨细胞分化、成熟;发现铁调素对人成骨细胞膜上的膜铁转运蛋白Fpn1表达起直接调控作用。此外,还发现铁调素不仅对细胞内的铁离子有影响,而且对人成骨细胞内的钙离子有影响,铁调素可增加人成骨细胞内的钙离子,此作用受到“正常环境和高铁环境”的影响,在高铁环境下该作用更为明显。徐又佳博士在国际骨质疏松协会(IOF)官方期刊OsteoporosInt(2012)发表综述阐述“重视铁稳态在骨质疏松症中的作用及其临床意义”的重要观点。2我国锌的动力学研究锌是比较活泼的金属元素,自然界中以稳定化合物的形式存在。人类对锌在生物体系中的作用研究主要经历了三个阶段,第一阶段是营养学上的研究。1869年,发现锌对黑霉菌的生长必不可少。数年之后发现,植物和动物中含有锌,约过百年之后才证实人体的生长和发育离不开锌。第二阶段是对锌的生物化学研究。碳酸酐酶的发现为该阶段的起点。迄今为止,人类从不同物种中已经发现的200多种含锌蛋白,行使着几十种不同的生物功能,几乎涉及到生物体新陈代谢的各个方面,包括遗传物质的转录复制。这些研究为从分子水平上阐明锌的功能奠定了理论基础。第三阶段是侧重于锌在生物体内的稳态代谢平衡以及稳态失衡所引发的人类疾病的相关研究,包括锌在生物体内的吸收、运输、利用、贮存、排泄、丢失;锌在生物体内的分布与存在状态;锌的生理和营养功能;锌代谢紊乱所引发的疾病的诊治等方面。国内对锌进行的大规模系统性研究始于20世纪80年代,最初集中于锌的营养学研究,包括食品中锌含量的测定,儿童血清锌、发锌与智力发展的关系,缺锌的流行病学研究以及补锌药物的研制等研究。2.1锌与病理研究军事医学科学院的程义勇研究员长期从事营养与脑功能方面的研究。他的研究涉及到不同营养素和食物成分对学习记忆的改善作用;其中心理应激损伤与神经元的钙、锌状态变化作用、心理应激条件下锌对不同脑区金属硫蛋白表达的影响等研究对于预防现代社会日益增加的身心疾病具有重要的指导意义。第二军医大学的赵法伋教授和郭俊生教授的研究团队在“锌与脑”领域也开展了系统研究,发现锌缺乏明显抑制神经干细胞的功能;锌缺乏的小鼠出生后学习记忆明显下降,出生后的锌强化并不能很好地逆转学习记忆的下降。2.2锌离子吸收及调节王福俤博士在锌代谢领域也开展了系列研究。在国外留学期间,他系统地研究了锌离子转运蛋白ZIP家族的调控机理,发现Zip1、Zip2和Zip4蛋白在细胞膜质之间存在Trafficking,其转运与细胞内外锌离子浓度密切相关。该成果已经成为国际上用于鉴定未知蛋白转运功能的标志性指标。发现Zip5蛋白分布在小肠上皮细胞基底膜,与Zip4蛋白形成小肠上皮摄取锌离子通路体系。肠病性肢端皮炎(AE)是以小肠锌摄取障碍为主要病理改变的人类隐性常染色体遗传病,他发现AE患者中存在Zip4基因突变,并阐明了Zip4突变导致锌摄取障碍的分子机制。周兵博士在国外的研究首先发现了AE的致病基因Zip4。周兵和王福俤的工作解开了困扰学术界长达半个世纪的人类遗传病肠病性肢端皮炎的病因之谜。王福俤还通过合作发现Zip1、Zip2、Zip3和Zip4蛋白特异性摄取锌离子、组织分布规律及蛋白表达调控机制;发现Zip4存在泛素依赖型降解机制用于保护细胞免于高锌细胞毒性;发现果蝇中第一个Zip的同源基因FOI参与锌离子吸收转运,在性器官发育中具有重要作用;发现ZnT2分布在胰腺囊泡并参与调控胰腺细胞锌流失过程;发现酵母细胞新基因Msc2在内质网可分泌锌离子,Msc2参与锌与内质网蛋白折叠反应(UPR)。王福俤回国后继续开拓锌代谢研究,近期利用morpholino-oligonucleotides(MO)技术成功构建了zip7knockdown斑马鱼模型,发现zip7通过调控锌在机体不同组织和器官中的分布水平来影响机体发育,尤其在眼、脑和骨骼的发育中起着极其关键的作用;同时,zip7还可以通过改变局部的锌水平,间接调控其他锌转运蛋白zip3、zip6、znt2、znt5及znt6的表达,对整个机体锌稳态的维持起重要作用。这些研究成果对理解机体锌离子吸收、转运和代谢提供了宝贵的理论依据。周兵博士研究组还利用果蝇模型从功能上证明锌转运蛋白ZnT1基因是肠道锌吸收的重要基因,此前因为ZnT1敲除小鼠导致胚胎致死原因不能从功能上确认是肠道锌吸收的必需基因,同时还揭示各种模式生物在微量元素研究中的互补关系,并为果蝇作为微量元素代谢研究的优良模型提供了充分实验证据。2.3神经退行性疾病的临床研究中国医科大学王占友教授多年来一直从事脑内金属代谢与神经退行性疾病领域的研究。他应用APP/PS1转基因鼠模型和RNAi技术等证实,脑内ZnT、DMT1表达及金属离子代谢紊乱与AD等发病相关,提出锌缺乏通过干扰神经干细胞增殖分化从而影响学习记忆等生理功能,为金属螯合剂类脑靶向药物和补锌制剂的研发提供了新思路;针对一系列神经退行性疾病治疗药物的研究发现氯碘羟喹可有效抑制β-分泌酶和γ-分泌酶活性,导致APP的水解产物Aβ明显减少,减缓AD的病理生理进程;同样AD对症治疗的经典药物石杉碱甲凝胶剂型能抑制APP淀粉样代谢途径,促进APP蛋白的非淀粉样蛋白代谢,从而减少Aβ老年斑形成;姜黄素能保护MPP+诱导的多巴胺能神经元凋亡,对MPTP制备的帕金森病小鼠模型黑质多巴胺能神经元也具有明显的保护作用。此外,对锌转运体参与胰岛β细胞内胰淀粉样蛋白沉积的研究也取得很大进展。周兵博士利用果蝇平台研究金属和神经退行性疾病的关系,在锌和AD的关系方面发表重要论文。同时,该实验室也正在研究Tau、帕金森病以及Huntington疾病和金属离子代谢的关系。蔡露博士研究组还论证了锌在胰岛素信号传导及正常功能维持中发挥的重要作用。首次证明了给与实验动物补锌处理能显著抑制糖尿病心肌病,糖尿病肾病等并发症的发展。通过机制研究表明补锌保护糖尿病心,肾并发症作用可能是通过上调了金属硫蛋白(metallothionein,MT)表达实现的。2.4金属离子结构的功能MT可以作为生物体中的“锌池”,用于机体当中锌离子的存储,对锌离子稳态平衡起重要的调控作用。自1857年美国科学家Margoshoes首次从马肾中分离出含镉的MT之后,人们对MT的研究兴趣日益增加。北京大学王文清教授、茹炳根教授、李令媛教授、任宏伟教授等对MT在清除氧化性自由基、不同影响因子对MT的合成影响进行了探讨,并通过化学和物理学方法对多种不同物种的MT进行了谱学表征和动力学研究,为认识理解MT的结构与功能提供了直接的实验依据[84,85,86,87,88,89]。复旦大学黄仲贤教授,在MT的结构功能、锌指蛋白结构功能、血红蛋白的结构等方面的研究工作极富代表性。与黄仲贤教授一同攻关的谭湘石博士则在金属离子在蛋白中的传递机制,锌、铁、铜、锰等元素在细胞中的代谢网络及其调控分子机制研究等开展了系统性研究。谭相石博士对多种生理与病理过程中的关键金属蛋白、金属酶的结构、功能及其作用机理进行了详细而系统的研究,如老年痴呆症中金属稳态平衡调控蛋白(MT3和APP)、介导NO信号转导和人肝中药物代谢的血红素蛋白(sGC和CYP2C8)、锰的稳态平衡调控蛋白(TrOR)和铁的平衡调控蛋白IRP2的E3连接酶(FBXL5)等。最近,该课题组还发现金属硫蛋白-3(MT-3)和淀粉样多肽进行金属交换、消除ROS产生、降低铜-淀粉样多肽神经细胞毒性的分子机制。南京大学配位化学研究所的多位著名学者在微量元素领域展开了大量工作,其中已故的著名生物无机化学家唐雯霞教授曾在金属硫蛋白家族在锌稳态代谢、锌降低过渡金属配合物抗癌药抗肿瘤药物的毒副作用,神经生长抑制因子(metallothionein-III,GIF)在AD等神经退行性疾病中的作用机理进行了深入细致的探讨。南京大学“长江学者”郭子建博士在新型金属基抗肿瘤配合物的设计及作用机理研究、金属药物的包裹与选择性活化、新型金属人工核酸酶的设计及应用、含锌、铜等金属配合物在核酸识别与切割中的应用以及生物锌离子探针的设计与构筑等方面取得了一系列重要研究进展。他目前开展的研究工作走在了当今金属药物化学的最前沿。另外,南京大学孙为银教授设计合成新型有机配体及其金属配合物,研究其结构和催化反应性能。其中具有新颖的贯穿结构的含锌配合物,可以作为天然锌酶的人工模拟物加以应用,多项研究成果在化学领域国际著名杂志发表论文,为阐明生物体内该类锌酶的金属蛋白活性中心中锌离子周围结构与功能之间的关系和反应机理提供了重要的理论依据。3有机硒化合物的发现和合成硒元素的发现到其生物学功能研究与应用已经有近200年的历史,期间经历了曲折的发展过程,一些重大事件,甚至成为硒研究领域的里程碑。自1973年Rottuck发现硒是谷胱甘肽过氧化物酶的活性中心以后,又相继在哺乳动物中发现了20多种硒酶,硒生物化学及硒蛋白组学因此而确立并得到长足发展。硒代半胱氨酸密码子UGA的发现,更为硒的研究开辟了新天地。与此同时,具有类似硒酶生物活性的小分子有机硒化合物Ebselen的出现,开辟出硒药物化学研究新领域。硒的代谢、硒与肿瘤、硒与其他营养素之间的关系等,依然是目前这一研究领域的重点研究方向,不断有新的研究发现问世。3.1硒与营养相关研究中国在硒营养研究方面曾做出了重要的国际贡献。20世纪50-60年代,我国大面积范围内农村地区爆发了克山病。于维汉教授时任哈尔滨医科大学教授,与中国医学科学院营养工作者一起介入克山病病因和防治的研究,提出克山病发病可能与营养有关,并通过补硒得到了预防克山病的肯定效果。1980年第二届国际硒大会,中国预防医学科学院杨光圻教授代表中国报告了硒与克山病关系的研究成果;第三届国际硒大会,中国医学科学院防治克山病工作组和西安医学院克山病研究室荣获了国际生物无机化学家协会1984年度Schwarz奖。此研究成果也确立了硒是人体必需微量元素的地位。1990年FAO/IAEA/WHO联合组织人体营养学专家委员会将硒明确列入“人体必需微量的元素”,并于1996年公布。也就在这年,在硒与大骨节病研究中贡献突出的西安医科大学莫东旭教授和后文介绍的于树玉教授共同荣获Schwarz奖。3.2研究的领域及目中国疾病预防控制中心营养与食品安全所夏弈明研究员通过对多地区克山病的综合考察,研究了低硒和其他致病因素在克山病发生中的作用机制,并对克山病心肌氧化损伤做了深入探讨。在人体硒需要量及安全摄入量范围的研究中,经过多年的研究积累和双盲对照干预试验,提出人体膳食硒摄入量75μg/d时,可满足体内硒蛋白的充分表达。此外,她在低硒及其有关饮食因素、生物地球化学因素在克山病病因中的作用、脑中血浆硒蛋白P及脑中优先出现的未知硒蛋白、硒摄入对人血尿组分的影响、硒碘联合作用与克山病、碘缺乏病发病关系等方面的研究成果,对克山病的诊疗都极具价值。美国康奈尔大学分子营养学教授雷新根博士是活跃于该领域的国际著名学者。他的研究成果不仅来自他在康奈尔大学的实验室,还来自他在中国领导建立的多个研究团队,并在海内外为我国培养了一批优秀青年科研人员。他的主要研究领域包括:(1)含金属抗氧化酶的功能基因组学;(2)硒营养与硒蛋白在慢性病发生及防治中的作用;(3)农作物微量元素生物强化及其健康功效评价;(4)水解酶的蛋白工程。以单基因和双基因缺失小鼠及常规实验鼠为实验材料,他们研究了在抗氧化逆境、糖尿病和骨骼发育中,体内依赖于硒的谷胱甘肽过氧化物酶以及铜锌超氧化物歧化酶的代谢功能和相关信号传导[104,105,106,107,108],及高膳食硒水平引发糖尿病的可能机制。在猪、鸡为动物模型中,他们首次克隆鉴定了10余种新的猪硒蛋白,并分析了它们的组织分布和膳食硒水平对其表达谱的影响及毒性风险,评价了饲料硒的生物利用率及其对猪肉品质的影响,研究了不同膳食硒和维生素E水平对小鸡多组织硒蛋白表达、健康作用和潜在机制。在雷新根博士的倡导和范云六院士的领导下,全国多所高校和研究机构合作开展了生物强化(harvestplusChina)项目,已发现多种微量元素强化农作物的有效途径,这将能通过食物改善人类与动物微量元素营养状况、防治相关疾病。而采用定点突变和进化突变方法,开发的具有高效催化效率和热稳定的植酸酶,可用来提高动物体内的磷、钙、铁、锌等营养元素的利用率,减少动物排泄物对环境的污染。我国众多科学家参与了硒与肿瘤关系研究。20世纪80年代中国医学科学院肿瘤研究所于树玉教授发现血硒水平与我国三大高发肿瘤即肝癌、胃癌、食道癌呈明显的负相关,又以动物实验证明补硒可预防肝癌前病变,并且首次发现硒能调节癌细胞膜的流动性及与膜偶联的信息传递系统向正常转化,阻断癌细胞能量供应,从而抑制其增殖。于树玉教授推动了在肿瘤高发区和高危人群中补硒降低肿瘤发病率的干预研究,其卓有成效的防治效果得到国际同行的公认。暨南大学陈填烽教授与郑文杰教授则揭示了含硒化合物作为凋亡诱导剂及化疗增敏剂的作用机理,阐明了p53信号通路、MAPK激酶及线粒体等在硒诱导肿瘤细胞凋亡过程中的重要性;提出以纳米硒作为载体负载活性分子及抗肿瘤药物用于疾病的协同治疗,为推进硒在疾病防治中的应用提供了重要的科学依据。3.3硒蛋白基因及金属酶基因硒蛋白在防治癌症、心血管病、神经退行性疾病和病毒感染等方面具有潜在的重要作用,因此,对硒蛋白的功能及其与疾病关系的研究是硒研究中的热点领域。20世纪80年代初期,华中科技大学的徐辉碧教授提出了硒的生物功能具有双向性的分子基础,并从化学模型和动物模型进行了证实。华中科技大学的黄开勋教授发现补硒能抑制氧化性胆固醇对血管的损伤,并提出该作用与血液中前列环素和血栓素浓度的失衡,提高抗氧化能力,减少对c-myc、bcl-2等基因表达的抑制有关。鉴于缺硒可导致类似糖尿病的症状,而硒蛋白具有类胰岛素的作用,他们研究了硒蛋白S(SelS)和硒蛋白K(SelK)调节内质网(ER)应激的功能和抑制ER应激所诱导的细胞凋亡作用,发现SelK是一种新的ER应激调节蛋白。为探索硒蛋白预防神经退行性疾病的机理,深圳大学的倪嘉缵院士与刘琼博士成功克隆了17种人硒蛋白基因,并进行了基因突变实验研究。此外,利用酵母双杂交法,并以硒蛋白突变基因筛选人胎脑cDNA文库,获得了一系列人脑硒蛋白-蛋白相互作用的信息:包括硒蛋白K与环腺苷酸应答元件结合蛋白3、脱碘酶3与丝氨酸蛋白酶抑制剂、硒蛋白R与凝集素、硒蛋白M与细胞色素氧化酶VI等。这些与硒蛋白相互作用的蛋白都和老年痴呆症密切相关,提示硒在人脑中可能通过硒蛋白及其相互作用蛋白来调节信号通路,抑制神经退行性疾病的发生与发展。此外,他们建立了SelGenAmic算法,可以用来识别不同真核生物基因组中的硒蛋白基因,现已成功预测了玻璃海鞘、海豚等多种海洋动物基因组中的硒蛋白基因。温州医学院特聘教授祝建洪博士在雷新根实验室就读博士期间,利用基因缺失小鼠系统研究了硒依赖性谷胱甘肽过氧化物酶以及铜锌超氧化物歧化酶在扑热息痛诱发的肝损伤以及蛋白质硝化过程中的作用,该成果对抗氧化物酶在药物毒性以及相关疾病中全面的功能认识具有重要意义[130,131,132,133]。目前实验室正在开展硒及硒蛋白在帕金森病中的生物标志物和功能研究,探索自由基介导的信号通路及其在疾病中的作用。研究硒蛋白质结构与功能的一种重要研究方法是对硒酶结构与功能进行人工模拟。吉林大学刘俊秋教授提出“分子识别与催化协同仿酶”的研究新思路,系统地开展了与治疗重大疾病相关的仿硒酶工程研究,建立起了多种化学与生物学相结合制备高效仿酶体系的新技术和新方法。将多种人工硒酶的催化能力提高到天然酶水平,这是国际上报导的少数几例催化活力达天然酶水平的仿酶体系。3.4其他功能的研究及展望中科院上海生命科学院系统生物学重点实验室的张焱博士,2011年由“百人计划”引进回国。他主要开展“微量元素代谢调控网络及其与疾病关系”的计算生物学研究。回国前,张焱博士通过计算和比较基因组学等方法,成功开发了第一个预测原核生物含硒蛋白基因的算法,在各种生物和环境基因组中陆续发现了50余种新的硒蛋白家族,确认了硒蛋白家族各成员在生物体中的功能分类与进化规律,并发现了硒蛋白合成过程中的若干重要基因以及一条全新的硒代谢途径。这些成果大大增强了人们对于硒作为一种重要的抗氧化剂,在各种生理和病理状态中所参与代谢网络的认识,也对进一步研究如何利用硒的保护机制来对抗疾病(如糖尿病和癌症)和延缓衰老提供了重要启示。另外,他成功构建并分析了硒蛋白质组及其他相关蛋白在超过150个鼠脑区的基因表达谱,这对于深入了解硒与哺乳动物脑的功能之间的关系具有重要意义,并有助于进一步研究硒与脑部疾病(如AD)发生发展之间的关系。在微量元素与遗传密码的扩展研究方面,他首次揭示了含硒的稀有氨基酸的合成途径和相关遗传密码的解码机制,发现了世界上第一种富含使用稀有氨基酸的蛋白质的生物,并确认了相关的蛋白质组及其主要功能。该研究成果大大扩展了人们对于经典遗传密码在生物系统中使用多样性的认知,得到《自然》杂志的高度评价。张焱博士还参与了对海洋褐潮现象的主要“元凶”——褐潮藻开展基因组测序的研究工作中,并首次发现该藻类对硒和若干金属的重要依赖性,对减少乃至消除威胁渔业和沿海海洋生物生存的褐潮形成提供了重要思路。4碘为人体药物的安全检验碘是人类发现的第二个生物必需的微量元素,是合成甲状腺激素的必需原料,对维持机体正常生理功能发挥了重要作用。碘缺乏和碘过量都不利于甲状腺正常发挥其生理功能。由于碘缺乏所引发的碘缺乏病(iodinedeficiencydisorders,IDD)广泛存在于世界各国,其危害已众所周知。因此,世界各国长期以来致力于消除低碘对人群的危害。我国曾是世界上IDD流行最严重的国家之一,为改善国民碘营养状况,控制IDD的危害,天津医科大学朱宪彝教授、马泰教授、河北医科大学的于志恒教授等在我国防治碘缺乏病的过程中做了大量的人群流行病学研究和碘营养干预工作。朱宪彝教授因此被国际誉为中国碘缺乏病再发现时期的开拓者。而马泰教授领导了世界上最大规模的人群和基础研究证实了碘缺乏对人类的主要危害不是甲状腺肿和克汀病,而是造成人类后代不同程度的智力发育障碍,影响人口素质和社会发展,还首次在国际上发现和命名了“亚临床克汀病”。也正是马泰任全国碘缺乏病防治小组组长时,促成了我国政府于1995年底正式实施全民食盐加碘的(universalsaltiodization,USI)政策作为国家消除碘缺乏危害的公共卫生问题的干预措施。近年来随着USI的成功实施,碘缺乏问题得到了很好的预防与控制,但因地理环境的多样性,中国还存在因高水碘而造成的高碘性甲状腺肿的流行,大约有3000万人口生活在高水碘地区。尽管中国的主要问题是碘缺乏,但碘过量的问题也得到了学者和社会越来越多的关注。天津医科大学的陈祖培教授和中国医科大学的滕卫平教授等人开展的人群和动物实验研究结果表明,高碘对人体的危害也是不容忽视的。因此,在纠正碘缺乏的同时如何科学、安全地补碘,探讨人群碘的安全摄入剂量已成为亟需解决的重要的公共卫生问题。天津医科大学张万起教授开展了我国第一个成人碘安全摄入量的研究工作,与国外既往的研究相比,该研究以更多的研究对象、更细化的分组和更长的实验周期。此成果受到国际同行高度关注,并将为该课题组主持修订我国人群微量元素碘DRIs标准提供坚实依据。长期以来,人们虽然注意到了在亚细胞中存在着能与甲状腺激素进行可逆的特异性结合的蛋白,但直到20世纪70年代,Oppenheimer等发现了核受体存在后,才使得甲状腺激素与受体蛋白之间相互作用的研究有了突破性进展。而近些年的研究亦发现,甲状腺激素通过与核受体甲状腺激素受体(thyroidhormonereceptor,TR)结合调控靶基因的表达,可能是其众多作用的基础。因此,碘稳态代谢平衡、甲状腺激素水平、甲状腺激素受体的转录活性是调控碘生物学功能的三个重要因素。得益于TR转基因小鼠的研究,对碘的生物学功能的研究在近10年中被快速地向前推进。中国科学院营养科学研究所“百人计划”应浩博士,在回国前利用多种TR转基因小鼠,发现甲状腺激素β受体基因(TRβ)突变是导致机体组织器官产生甲状腺激素抵抗(resistanttothyroidhormone,RTH)的主要原因,利用RTH的小鼠模型对TR的辅助因子SRC-3进行了效应机制研究,阐明了SRC-3调控RTH的两种可能机制。该研究为RTH的治疗找到了新的潜在靶标,对治疗甲状腺素抵抗综合症具有现实意义。此外,围绕TRβ突变所开展的一系列研究为深入理解TRβ受体突变与一些人类重要疾病如甲状腺癌等的发病机理提供了重要的实验依据,同时也从另一个角度为这些疾病的治疗提供了思路。5铜离子生物学调控和自由基研究铜是人体必需的微量元素,其原因主要是生物体的许多重要生理过程,如细胞呼吸、神经递质传递及抗氧化应激等都依赖于铜离子。而这铜离子的依赖性又主要是由于铜离子是在这些生理过程中起关键作用的酶的辅助因子,这些酶必须结合了铜离子才能发挥其相应的催化功能。铜离子在这些生物酶催化的作用主要是基于它氧化还原的化学性质,也就是Cu2+和Cu+氧化态之间的转换。Wilson病和Menkes综合征就是由人体内细胞的铜离子稳态失衡直接造成的人类遗传病。郑州