鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZnT 家族的生理功能及在雄性生殖系統(tǒng)中的作用

劉文嬌 齊亞楠 馬 婧 韓瑞鈺 王樹松，，

1．河北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院(石家莊，050024);2．河北醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院;3．河北省計(jì)劃生育科學(xué)技術(shù)研究院，國(guó)家衛(wèi)計(jì)委計(jì)劃生育與優(yōu)生重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

鋅是人體必需微量元素之一，在細(xì)胞分裂、生長(zhǎng)和分化等許多生物過程中發(fā)揮獨(dú)特和廣泛的功能。當(dāng)鋅穩(wěn)態(tài)的改變，尤其是鋅缺乏，被認(rèn)為與許多疾病的發(fā)展有關(guān)。鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)鋅穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)具有重要作用，包括轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ZIP)家族和鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ZnTs)家族、金屬硫蛋白(MTs)家族三種鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族主要參與了細(xì)胞內(nèi)外鋅離子的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。其中，ZnT 家族主要功能是促進(jìn)細(xì)胞質(zhì)的鋅離子轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外或細(xì)胞器內(nèi)，進(jìn)而降低細(xì)胞質(zhì)鋅濃度。越來越多的證據(jù)表明，ZnT 家族對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)鋅穩(wěn)態(tài)是不可或缺的。鋅在男性生殖中起著重要的作用，ZnT 與男性生殖關(guān)系密切。本文將ZnT 家族的主要功能及其在男(雄) 性生殖系統(tǒng)中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 鋅與男性生殖

在男性生殖系統(tǒng)中，鋅離子主要分布在睪丸、附睪、前列腺和精液中，尤其以精液中鋅離子含量最高。精液鋅主要來源于前列腺，前列腺組織中含有高濃度的鋅，鋅是前列腺的主要功能標(biāo)志物。人體中缺少鋅離子，可導(dǎo)致性腺成熟期的推遲、性腺萎縮、性腺纖維化、第二性征發(fā)育不全等男性不育癥。鋅還參與乳酸脫氫酶、羧肽酶A 的組成。缺鋅可影響這些酶的活性，從而影響到男性生殖生育。

鋅離子直接參與精子的生成、成熟、激活或獲能過程，對(duì)精子運(yùn)動(dòng)、活力具有重要作用。鋅離子能延緩精子膜的脂質(zhì)氧化，抑制精子的酵解和氧化，維持精子細(xì)胞膜的完整性和穩(wěn)定性。同時(shí)精子在射精過程中吸收精漿中的鋅離子，與胞核染色體的巰基結(jié)合，防止染色體解聚，提高精子活力，有利于受精。曾春花等［1］對(duì)少弱精子癥患者的研究表明，精子過高的鋅含量可能與精子運(yùn)動(dòng)能力下降和精子膜功能障礙相關(guān)。Kothari等［2］研究表明，精液參數(shù)異常組精漿鋅含量較精液參數(shù)正常組低，精漿鋅與血清游離睪酮呈顯著正相關(guān)，與精子濃度、形態(tài)、活力和活率均具有相關(guān)性。Taravati等［3］對(duì)弱精子癥男性精漿鋅含量的薈萃分析表明，精漿鋅濃度與男性不育癥呈負(fù)相關(guān)。劉海儒等［4］對(duì)不育男性精漿鋅含量分析表明，精漿鋅含量與精子總數(shù)、前向運(yùn)動(dòng)精子總數(shù)和體外受精率關(guān)系密切，精漿鋅含量是評(píng)估男性生殖力的重要指標(biāo)之一。

2 ZnT 家族的生理功能

ZnT 家族又稱為陽離子擴(kuò)散輔助蛋白( CDF) 家族，到目前為止家族10 名成員已在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)，即稱為ZnT1-10。大多數(shù)ZnT 家族蛋白由300～550 個(gè)氨基酸組成，其氨基與羧基端位于細(xì)胞膜或細(xì)胞器膜內(nèi)，大多數(shù)ZnT 家族成員含有6 個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)區(qū)域，在第IV 和V 跨膜區(qū)域之間有一個(gè)較長(zhǎng)的富含組氨酸的長(zhǎng)環(huán)，被認(rèn)為是鋅離子的結(jié)合位點(diǎn)，參與細(xì)胞內(nèi)鋅離子動(dòng)態(tài)平衡的調(diào)控。蛋白質(zhì)的C、N 末端均位于細(xì)胞內(nèi)等相同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［5］。

2．1 ZnT 家族成員

ZnT1 是ZnT 家族中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其mRNA 在人體組織內(nèi)廣泛表達(dá)，定位局限于細(xì)胞質(zhì)膜中，在細(xì)胞質(zhì)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞過程中起著非常重要的作用。純合ZnT1 基因敲除的小鼠在胚胎移植不久后死亡，表明ZnT1 是胎兒從母體攝取鋅的一種重要蛋白分子［6］。Shusterman 等［7］研究了ZnT1 抑制L 型鈣通道(LTCC)，結(jié)果顯示ZnT1 是一種雙功能蛋白質(zhì)，其交換Zn2+/H+和抑制LTCC 的能力彼此獨(dú)立并且由蛋白質(zhì)的不同部分介導(dǎo)。

ZnT2 被鑒定為將鋅從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)體和溶酶體的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其mRNA 在乳腺、胰腺、前列腺、睪丸、視網(wǎng)膜、腸、腎等組織表達(dá)。Naoya 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，在母體中人類ZnT2(包括H54R 和G87R) 的雜合突變導(dǎo)致母乳中鋅降低，進(jìn)而引起母乳喂養(yǎng)的嬰兒缺鋅，表明ZnT2 在人體內(nèi)鋅分泌到乳汁中起著關(guān)鍵作用。Podany等［9］觀察ZnT2 基因敲除后小鼠的表征，顯示ZnT2 定位于PC 顆粒膜，ZnT2 基因敲除小鼠中PC 的顆粒分泌減少和對(duì)脂多糖的炎癥反應(yīng)增加，殺菌活性降低，表明ZnT2 在鋅進(jìn)入PC 顆粒，對(duì)PC 顆粒功能發(fā)揮作用至關(guān)重要。

ZnT3 是鋅向突觸小泡運(yùn)輸所必需的，表達(dá)水平?jīng)Q定小泡的鋅濃度［10］。ZnT3mRNA 在海馬和大腦皮層中具有很高的表達(dá)水平，ZnT3 參與三維記憶和行為塑造的發(fā)展。在正常小鼠和阿爾茨海默病患者中，ZnT3 的水平隨年齡顯著降低，這種減少會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知功能的喪失［11］。Perez 等［12］對(duì)大多數(shù)精神病遺傳學(xué)聯(lián)盟群組中僅有的兩種ZnT3 SNP 變體(rs11126936 和rs11126929)進(jìn)行meta 分析，結(jié)果兩種變體均與精神分裂癥有顯著相關(guān)性，并且在女性中發(fā)現(xiàn)等位基因?qū)膊★L(fēng)險(xiǎn)增加和性別特異性效應(yīng)，這兩種SNP 對(duì)男性沒有顯著影響。ZnT3 對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的毒性具有保護(hù)作用，這些毒性被認(rèn)為與神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病或肌萎縮側(cè)索硬化有關(guān)［13］。

ZnT4 存在于溶酶體、細(xì)胞質(zhì)囊泡和高爾基體中，其mRNA 普遍表達(dá)，但在腦和消化道中的表達(dá)相對(duì)較高。ZnT4 的突變導(dǎo)致腸病性肢端皮炎的發(fā)生，并且該蛋白質(zhì)介導(dǎo)鋅在腸上皮細(xì)胞頂膜的吸收［14］。ZnT4 在乳腺鋅代謝中起著關(guān)鍵作用，當(dāng)ZnT4 基因突變，小鼠乳中鋅含量降低，鋅分泌減少［15］。

ZnT5 定位于包括COPⅡ包被的囊泡和高爾基體的早期分泌途徑，ZnT5mRNA 在胰腺中表達(dá)相對(duì)較高，并且ZnT5 蛋白與胰腺β?細(xì)胞中的胰島素顆粒相關(guān)。Zhang 等［16］研究表明，ZnT5 和ZnT7 的過表達(dá)分別導(dǎo)致caspace 3，caspace 8，BAX 和AIF 的表達(dá)下降，這些基因表達(dá)降低伴隨著高葡萄糖條件下細(xì)胞的存活。Inoue 等［17］通過敲除小鼠的Znt5 基因，發(fā)現(xiàn)小鼠生長(zhǎng)遲緩、骨密度降低，同時(shí)會(huì)發(fā)生緩慢性心律失常，引起超過60%的雄性小鼠突然死亡。

ZnT6 參與胞質(zhì)鋅向囊泡和高爾基體的轉(zhuǎn)運(yùn)，ZnT6mRNA 的表達(dá)普遍性低于ZnT5mRNA。然而，由于ZnT6 四螺旋束中膜內(nèi)鋅結(jié)合位點(diǎn)的兩個(gè)組氨酸殘基被亮氨酸和苯丙氨酸取代，本身缺乏鋅轉(zhuǎn)運(yùn)活性。因此，ZnT6 需要與ZnT5 形成異源二聚體來實(shí)現(xiàn)其活性表達(dá)。有研究表明散發(fā)性肌萎縮側(cè)索硬化癥患者中ZnT3 和ZnT6 蛋白水平降低，免疫反應(yīng)性降低，ZnT 家族參與神經(jīng)元中的鋅穩(wěn)態(tài)平衡［18］。

ZnT7 將細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體儲(chǔ)存，對(duì)于鋅與合成酶和蛋白質(zhì)結(jié)合是必需的。研究發(fā)現(xiàn)ZnT7 基因缺乏的小鼠血清、肝臟、骨骼、腎臟和小腸中具有較低的鋅。ZnT7 在胰腺β 細(xì)胞中的過度表達(dá)通過調(diào)節(jié)胰島素基因轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)胰島素的合成和分泌。ZnT7 缺失的小鼠具有低葡萄糖耐量并對(duì)胰島素有抗性［19］。

ZnT8 促進(jìn)鋅從細(xì)胞質(zhì)收集到細(xì)胞內(nèi)囊泡中，并為胰島素成熟和胰腺β 細(xì)胞分泌胰島素提供鋅。胰腺β 細(xì)胞是體內(nèi)鋅含量最高的部位之一，鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZnT8 在這些細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，定位在胰腺β 細(xì)胞的分泌囊泡膜上。研究表明，ZnT8 與糖尿病有著密切聯(lián)系，Syring 等［20］通過腹膜內(nèi)葡萄糖耐量試驗(yàn)顯示，ZnT8-/-小鼠與正常小鼠相比，胰島中葡萄糖刺激的胰島素分泌減少了33%，ZnT8 基因的缺失導(dǎo)致胰島素分泌適度下降而不改變葡萄糖代謝。

ZnT9 存在于許多細(xì)胞和組織中，被稱為人類胚胎肺蛋白( HUEL) 。ZnT9mRNA 在小腦、骨骼肌、胸腺和腎臟中廣泛表達(dá)。在HEK293 細(xì)胞中，過表達(dá)野生型ZnT9 和突變體ZnT9 細(xì)胞內(nèi)鋅濃度明顯低于野生型ZnT9，表明ZnT9 影響細(xì)胞內(nèi)鋅穩(wěn)態(tài)平衡［21］。肥胖婦女鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZnT4，ZnT5，ZnT9、ZIP1、ZIP4 和ZIP6 mRNA 水平明顯降低，表明鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)在肥胖個(gè)體中發(fā)生改變，鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的變化可能與肥胖相關(guān)的炎癥狀態(tài)有關(guān)［22］。

ZnT10 分布于腦、肝和視網(wǎng)膜組織以及細(xì)胞水平的內(nèi)體中，將鋅轉(zhuǎn)運(yùn)到囊泡中。Patrushev 等［23］發(fā)現(xiàn)血管緊張素II( Ang II) 誘導(dǎo)的衰老是一種鋅依賴途徑，其機(jī)制是通過下調(diào)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體ZnT10 的表達(dá)，從而減少細(xì)胞質(zhì)鋅。Da 等［24］研究顯示，維生素D3以維生素D 受體( VDR) 依賴的方式激活ZnT10 基因，導(dǎo)致ZnT10 蛋白表達(dá)增加。由于ZnT10 在小腸中高度表達(dá)，鋅水平受腸道中維生素D3 的調(diào)節(jié)，所以ZnT10 對(duì)鋅具有調(diào)控作用。ZnT10 也可能與帕金森病，紅細(xì)胞增多癥，慢性肝病和高鎂血癥等疾病有關(guān)。

每種鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZnT 成員在細(xì)胞內(nèi)都有著固定的亞細(xì)胞定位和功能。但同一種細(xì)胞器上并非只有一種鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZnT 的表達(dá)。譬如ZnT5/ZnT6/ZnT7 共同定位于細(xì)胞內(nèi)的高爾基體，功能為向高爾基體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)鋅離子并參與含鋅蛋白的合成與修飾。說明當(dāng)某種鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ZnT 功能障礙的時(shí)候可能存在著代償機(jī)制。如腫瘤細(xì)胞鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白存在表達(dá)異常，因此有效阻抑一種或幾種鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能造成腫瘤內(nèi)某細(xì)胞器的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)的失代償，達(dá)到殺傷腫瘤細(xì)胞的目的，而正常細(xì)胞可以通過代償機(jī)制生存。

2．2 鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ZnT)與鋅離子動(dòng)態(tài)平衡

ZnT 家族蛋白在細(xì)胞的鋅離子動(dòng)態(tài)平衡中有著極其重要的作用。有研究通過電鏡顯示鋅以自由離子的形式存在于胞質(zhì)，與滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)緊密相關(guān)。ZnT 家族蛋白最顯著的特點(diǎn)是，能把細(xì)胞質(zhì)中的鋅離子運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜外或是細(xì)胞器膜內(nèi)，以達(dá)到降低細(xì)胞內(nèi)鋅離子含量的目的，從而維持細(xì)胞內(nèi)正常的生理代謝。如ZnT1 可把鋅離子從胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外，使細(xì)胞能夠抵擋外周環(huán)境中高濃度的鋅離子;ZnT7 在維持腦鋅離子動(dòng)態(tài)平衡中起著重要作用，ZnT8 可維持β 細(xì)胞囊泡和細(xì)胞質(zhì)中鋅離子動(dòng)態(tài)平衡的代謝功能。

3 ZnTs 在雄性生殖系統(tǒng)的研究

游離鋅離子在睪丸曲精小管上的分布呈現(xiàn)向小管中心集中的趨勢(shì)，曲精小管基底部和曲精小管之間Leydig 細(xì)胞中分布不明顯，鋅離子顆粒分布在Leydig 細(xì)胞的胞質(zhì)和胞核。鐘曼麗等［25］對(duì)小鼠生殖系統(tǒng)中ZnT8 的研究表明，所有ZnT8 在睪丸間質(zhì)細(xì)胞中的細(xì)胞質(zhì)均有表達(dá)，ZnT7 在曲細(xì)精管中的精母細(xì)胞和精子細(xì)胞中表現(xiàn)為高表達(dá)。ZnT8 參與hCG 誘導(dǎo)的小鼠睪丸間質(zhì)細(xì)胞睪酮生成，ZnT8 通過參與stAR 蛋白合成的方式，參與線粒體內(nèi)睪酮合成的步驟。ZnT8 可能是參與生殖系統(tǒng)內(nèi)分泌細(xì)胞激素合成的重要蛋白。研究發(fā)現(xiàn)在小鼠睪丸中ZnTl～5，ZnT7，ZnT8 和ZnTl0 的免疫產(chǎn)物都存在，并在睪丸間質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中有強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)［26］。Chu等［27］研究發(fā)現(xiàn)揭示了ZnT7 可能通過調(diào)節(jié)類固醇生成酶在調(diào)節(jié)睪酮合成中起重要作用，并且可能成為代表睪酮缺乏的治療靶標(biāo)。目前，前列腺癌已成為嚴(yán)重影響男性生殖健康的惡性腫瘤。ZnT 蛋白家族中的ZnT1、ZnT2、ZnT4、ZnT5、ZnT6、ZnT7 在在雄性前列腺中均具有表達(dá)。大量的研究表明，低血清鋅水平與前列腺癌發(fā)病率增加有關(guān)，鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白下調(diào)使人體吸收鋅的能力較低，細(xì)胞內(nèi)鋅穩(wěn)態(tài)失衡可能是引發(fā)前列腺癌疾病的重要因素。ZnT1 和ZnT3 的高水平表達(dá)以及低水平的金屬硫蛋白已經(jīng)在雄激素非依賴性細(xì)胞中得到證實(shí)，這些細(xì)胞來源于最初的雄激素依賴性LNCaP 細(xì)胞系，新衍生細(xì)胞系并顯示出比母體LNCaP 細(xì)胞系低得多的鋅水平; 此外，前列腺癌的發(fā)生與ZNT7 基因的缺乏表達(dá)具有緊密關(guān)系［28］。Foresta 等［29］通過活檢技術(shù)對(duì)非梗阻性無精子癥患者、睪丸生殖細(xì)胞腫瘤患者、特發(fā)性梗阻性無精子癥患者睪丸和附睪樣本，采用免疫熒光分析了組織中ZnT 家族中ZnT1 和ZnT2，觀察到在生精小管內(nèi)，尤其是基底膜和鄰近的支持細(xì)胞膜上，ZnT1顯示了清楚的信號(hào)，ZnT2 沒有檢測(cè)到特異性信號(hào)。目前，鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體ZnT 在睪丸和前列腺中研究比較多，而在附睪和精囊中研究較少，可能與睪丸是精子生成器官，前列腺是含鋅較高的組織，附睪和精囊屬于生殖系統(tǒng)的附屬性腺有關(guān)。

4 總結(jié)

鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)維持機(jī)體鋅穩(wěn)態(tài)平衡具有至關(guān)重要的作用，當(dāng)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因發(fā)生突變可能會(huì)導(dǎo)致遺傳疾病或增加疾病發(fā)病的風(fēng)險(xiǎn)。人們對(duì)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在許多疾病發(fā)病機(jī)制中的理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，許多問題需要研究闡明。如: 鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如何將鋅識(shí)別為底物金屬并將其運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜上，以及它們的運(yùn)輸活動(dòng)是如何調(diào)節(jié)的。鋅與男性生殖有著密切聯(lián)系，通過對(duì)雄性生殖系統(tǒng)中鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的研究，為揭示鋅代謝與男性生殖疾病的機(jī)制提供參考。