在人體內(nèi)，絕大多數(shù)的鋅離子與蛋白質(zhì)緊密結(jié)合，幫助它們完成生物反應(yīng)。微量的鋅則只是松散結(jié)合或可以“移動(dòng)”，人們認(rèn)為它們對(duì)大腦、胰腺和前列腺癌等器官正常發(fā)揮功能起至關(guān)重要的作用。而對(duì)于這一離子在某些生物系統(tǒng)中的確切作用還不是很清楚。

　　來自麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員構(gòu)建出了一種新的光學(xué)傳感器，其可以追蹤細(xì)胞中的鋅離子，幫助研究人員更多的了解它的功能。這一傳感器是以細(xì)胞中的一種特異細(xì)胞器作為目標(biāo)，當(dāng)它與鋅離子結(jié)合時(shí)，科學(xué)家們可以確定這種金屬集中的位置。

　　設(shè)計(jì)這種傳感器的麻省理工學(xué)院化學(xué)家們，現(xiàn)利用它來闡明了鋅水平在前列腺中通常較高，在前列腺癌細(xì)胞中顯著降低的原因。研究結(jié)果發(fā)表在12月9日的《美國(guó)科學(xué)院院刊》(PNAS)上。

　　論文的作者之一、麻省理工學(xué)院博士后Robert Radford說：“我們可以利用這些工具研究鋅離子在健康和病變前列腺細(xì)胞中的運(yùn)輸。通過這樣做，我們嘗試了解了前列腺癌發(fā)病過程中鋅離子水平的變化。”

　　Radford在論文資深作者、麻省理工學(xué)院化學(xué)教授Stephen Lippard實(shí)驗(yàn)室工作。論文的主要作者是麻省理工學(xué)院2013屆研究生Wen Chyan。

　　Lippard實(shí)驗(yàn)室研究人員現(xiàn)正致力研發(fā)類似的熒光傳感器，為早期檢測(cè)前列腺癌開發(fā)一種診斷測(cè)試。前列腺癌是美國(guó)男性第二大癌癥死亡原因，但若能及早發(fā)現(xiàn)，則極可能得到治愈。

　　通往癌癥之路

　　眾所周知，鋅離子幫助穩(wěn)定了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并催化了某些細(xì)胞反應(yīng)。此外，人們認(rèn)為在前列腺中鋅離子通過幫助**成分檸檬酸鹽累積有助于生殖功能。研究證實(shí)，在前列腺上皮細(xì)胞的線粒體內(nèi)，鋅離子抑制了代謝酶：順烏頭酸酶。通過阻斷順烏頭酸酶的活性，鋅離子截?cái)嗔藱幟仕嵫h(huán)——細(xì)胞通過這一系列的反應(yīng)來生成主要的能量貨幣：ATP。

　　科學(xué)家們推測(cè)，在前列腺細(xì)胞癌變之前，它們將鋅離子從線粒體排除出去。這使得癌細(xì)胞能夠生成它生長(zhǎng)和分裂所需的額外能量。

　　“如果細(xì)胞正在不受控制地進(jìn)行分裂，其需要大量的化學(xué)能，那么它肯定不希望鋅離子來干擾順烏頭酸酶，阻止生成更多的ATP，”Radford說。

　　麻省理工學(xué)院的新研究支持了這一理論，它表明：盡管前列腺癌細(xì)胞能夠吸收鋅離子，但這一金屬不會(huì)像在正常前列腺細(xì)胞中那樣在線粒體中累積。

　　Radford說，這些結(jié)果表明，在正常細(xì)胞中鋅離子有可能是通過一種專門的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸?shù)搅司€粒體中，但這樣的蛋白還沒有得到確定。在癌細(xì)胞中這一蛋白有可能發(fā)生了失活。

　　追蹤鋅離子

　　這一新型的鋅離子傳感器依賴Lippard實(shí)驗(yàn)室于10多年前開發(fā)的一種分子：Zinpyr1 (ZP1)。ZP1基于一種稱作為熒光素的染料，只有當(dāng)它與鋅離子結(jié)合時(shí)才會(huì)發(fā)生改變發(fā)出熒光。

　　只要將ZP1傳感器添加到實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的一盤細(xì)胞中，它就會(huì)散布到細(xì)胞內(nèi)。直到現(xiàn)在，這一傳感器存在的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是，難于靶向細(xì)胞內(nèi)的特異結(jié)構(gòu)。Radford說：“我們?cè)晒Φ乩靡恍┑鞍踪|(zhì)和肽來鎖定小分子新傳感器，但大多數(shù)時(shí)候這些傳感器都被捕獲在細(xì)胞的酸性囊泡中失活。”

　　Lippard研究小組通過兩點(diǎn)改變克服了這一障礙：首先，他們裝上了一個(gè)鋅反應(yīng)性的保護(hù)基團(tuán)，改變了傳感器的物理性質(zhì)使得它更容易被鎖定。第二，他們添加了一種“地址標(biāo)簽”將ZP1引導(dǎo)到線粒體中。這種標(biāo)簽是t**henylphosphonium的衍生物，帶正電荷且具有疏水性，因此能夠進(jìn)入到線粒體中。生成的這種傳感器能夠很容易地進(jìn)入細(xì)胞，使得研究人員能夠顯像線粒體內(nèi)的移動(dòng)鋅離子池。

　　“將基于反應(yīng)的方法和識(shí)別方法相結(jié)合，這提供了一個(gè)令人興奮的傳感新概念，其有潛力應(yīng)用于與鋅錯(cuò)誤調(diào)控相關(guān)的診斷，”加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)、分子和細(xì)胞生物學(xué)教授Christopher Chang(未參與該研究)說。

　　在未來的研究中，研究人員計(jì)劃擴(kuò)展他們的策略構(gòu)建出一個(gè)傳感器控制板，用一些傳感器來靶向細(xì)胞中許多其他的細(xì)胞器。

　　“鑒別出移動(dòng)鋅離子的細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo)是了解它在生物信號(hào)傳導(dǎo)中真實(shí)功能的一個(gè)重要步驟。下一步是發(fā)現(xiàn)鋅離子結(jié)合細(xì)胞器中受體所影響的特異生物化學(xué)信號(hào)通路，闡明這一過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)和伴隨功能改變，”Lippard說。

　　該實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前的興趣是研究大腦中的鋅離子，人們認(rèn)為鋅離子在大腦中發(fā)揮了神經(jīng)遞質(zhì)作用。通過了解聽覺皮層、視神經(jīng)和嗅球中的移動(dòng)鋅離子，研究人員希望能夠闡明它在聽覺、視覺和嗅覺中所起的作用。