SLC30A1

▎药明康德内容团队编辑（来源：北京大学） 天然免疫对人体健康与稳态维持至关重要，炎性小体（inflammasome）是机体响应病原微生物感染及各种危险信号的枢纽，各种各样的炎性小体能够识别不同的病原而启动免疫反应。人体中的微量金属元素与免疫系统息息相关，之前的研究发现，锰离子（Mn2+）可作为免疫激动剂激活NLRP3炎性小体，但是炎性小体的过度激活会引发细胞因子风暴，诱导许多自身免疫病的发生，严重威胁人们的身体健康和生命安全。 锌是人体必需的微量元素，其含量在微量元素中排名第二，仅次于铁。锌离子（Zn2+）在细胞内的含量受到严格调控，SLC30A家族蛋白负责将Zn2+从细胞质运输到细胞器、从细胞内运输到细胞外；而SLC39A家族蛋白则负责将Zn2+从细胞器运输到细胞质、从细胞外运输到细胞内，这种动态平衡形成了机体的锌稳态。在过去的数十年中，已有大量研究表明，锌缺乏会使细胞更容易发生凋亡，但锌在细胞焦亡和炎性小体活化中的作用尚未见报道。 近日，北京大学生命科学学院/北大-清华生命科学联合中心蒋争凡教授实验室在PLoS Pathogens上在线发表了题为“Zinc homeostasis regulates caspase activity and inflammasome activation”的研究论文，报道了机体的锌稳态可以通过调控Caspase-1活性影响炎性小体的活化及多种自身免疫病的发生和发展。 在本研究中，研究者通过全基因组CRISPR-Cas9筛选发现，SLC30A1基因可能对细胞炎性小体的活化有重要作用，该基因敲除细胞中NLRP3和NLRC4等多种炎性小体的激活受到明显抑制，并且可以通过回复该基因得到恢复。 SLC30A1是细胞向胞外运输Zn2+的关键转运蛋白，其缺失会使细胞内Zn2+的含量升高，而Zn2+可通过抑制Caspase-1活性直接影响炎性小体的活化。 ▲锌离子通过抑制Caspase-1活性调节炎性小体活化（图片来源：原始论文[1]） 此外，Zn2+还可以抑制由Caspase-4/5/11介导的非经典炎性小体的活化。在体内实验中，Zn2+展现出良好的抗炎效果，显著抑制腹腔注射LPS诱导的炎症反应，提升小鼠的存活率，并对盲肠结扎穿孔（CLP）诱导的败血症、咪喹莫特（IMQ）诱导的银屑病和阿尔茨海默症等多种自身免疫病有着不同程度的治疗效果。 综上所述，机体的锌稳态在天然免疫中扮演着重要角色，与许多自身免疫病密切相关。针对炎性小体过度活化所引发的疾病，人们通常使用IL-1β等炎症因子的单克隆抗体或相关受体的拮抗剂进行治疗，但炎性小体激活所释放的炎症因子多种多样，这使得单一抗体的治疗效果往往欠佳。 锌离子作为一种广谱的炎性小体抑制剂，靶向炎症因子上游的Caspase-1，能够显著抑制多种炎性小体的过度活化，且在一系列动物疾病模型实验中展现出了良好的疗效，这为临床上许多自身免疫病的治疗提供了新的策略和思路。 北大-清华生命科学联合中心2020级博士生宫啸为本文的第一作者，蒋争凡为本文的通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究项目、北京大学“细胞增殖与分化”教育部重点实验室及北大-清华生命科学联合中心的资助。 原始论文： [1] Zinc homeostasis regulates caspase activity and inflammasome activation. PLoS Pathogens (2024）. DOI：10.1371/journal.ppat.1012805 免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。 更多推荐 点个“在看”再走吧~

引言 人体每天需摄入约15毫克锌来满足正常生理功能需求。作为多种转录因子和催化酶的辅因子，锌离子直接参与合成核酸和蛋白质、细胞的分化与增殖、代谢等过程。全球人口不同程度缺锌的发生率约20%，成为了人们健康生活的一大隐患。缺锌会影响儿童生长和智力发育、成年人生育功能障碍、老年人记忆减退甚至痴呆等。此外，缺锌还会导致慢性肝病、癌症、糖尿病、心血管疾病等，严重者甚至引发致命的肠病性肢端皮炎。长期摄入过量的Zn2+则会导致恶心呕吐、腹痛腹泻、贫血等慢性中毒症状。机体内Zn2+外排与摄入的稳态平衡主要依赖于ZnT/SLC30和ZIP/SLC39两大特异性溶质转运膜蛋白家族。ZnT1/SLC30A1是哺乳动物细胞中第一个被鉴定且定位于细胞质膜表面的Zn2+外排转运膜蛋白。敲除ZnT1基因会导致小鼠胚胎死亡。ZnT1也会过量表达在肝癌、乳腺癌、胰腺癌等以及老年痴呆症患者组织中。ZnT3/SLC30A3则主要分布在大脑海马区，与转运兴奋性神经递质谷氨酸蛋白VGLUT共存于突触囊泡上。ZnT3基因敲除的成年小鼠在某些学习和记忆行为领域表现出认知缺陷。尽管有关ZnT家族蛋白的结构和功能研究陆续获得报道，然而调控锌离子转运的具体机制仍待阐明。 2024年10月10日，复旦大学生物医学研究院屈前辉课题组在EMBO Reports上在线发表题为Structural insights into human zinc transporter ZnT1 mediated Zn2+ efflux的文章，揭示了ZnT1依赖H+浓度梯度转运Zn2+的分子机制。 ZnT转运蛋白家族主要依赖膜内外质子浓度驱动力。研究者解析了不同纯化条件下ZnT1蛋白的多个高分辨率冷冻电镜结构。在pH7.5环境下，不论加或不加1mM Zn2+，ZnT1二聚体都主要处于外向开口状态（outward-facing）。当在pH6.0溶液中添加1mM Zn2+时，ZnT1二聚体则呈现多种构象状态：外向/外向、外向/内向、内向/内向（inward-facing），其中每个亚基跨膜域均结合了Zn2+。采用分子动力学模拟，对跨膜域中识别Zn2+的四个重要氨基酸（H43/D47/H251/D255）进行不同组合方式的质子化，结果显示质子化D47/D255显著影响Zn2+的稳定结合，而H43或H251质子化的影响相对较小。此外，伴随着ZnT1由内向开口（inward-facing）到外向开口（outward-facing）转变，其跨膜螺旋TM2胞外侧a螺旋切换为拉长的310螺旋，促进Zn2+从结合位点释放（图1）。 之前研究显示ZnT1还能借助Ca2+浓度梯度来转运Zn2+。为探讨这一可能机制，研究者也制备了添加1mM Ca2+的ZnT1样品并解析了高分辨率结构。然而在该结构跨膜区中并未发现Ca2+的结合。Ca2+如何协助ZnT1外排Zn2+还有待进一步探究。此外，本工作展示了内向开口的ZnT3结构，发现去垢剂分子LMNG可直接嵌入ZnT3跨膜区并接近Zn2+结合位点；同时还发现在二聚体界面处存在稳定结合的磷脂分子。这些不同于ZnT1或其他同源蛋白的结构特征的生理意义有待进一步研究。值得一提的是，近期王晓东/郑三多团队还揭示了ZnT1介导Cu2+离子进入细胞引发铜死亡的分子机制，丰富了ZnT1功能多样性。未来解析ZnT1转运Ca2+或Cu2+的结构，也将进一步阐明ZnT1选择性识别Zn2+、Ca2+或Cu2+的分子基础。 图1. ZnT1介导H+/Zn2+交换的工作机制（Credit: EMBO Reports） 参考文献 https://www.embopress.org/doi/full/10.1038/s44319-024-00287-3 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

引言 铜是生物体内一种重要的微量元素。铜离子可以作为辅因子参与生物体内多种酶的形成。因其具有氧化还原活性，铜可以参与细胞内的氧化还原反应，细胞呼吸和自由基的清除。在生理条件下，铜在个体中的稳态必须受到严格的调控。由ATP7A基因突变导致的个体铜缺乏会诱发门克斯疾病（Menkes disease），而由ATP7B突变导致的个体铜水平超标会诱发威尔逊氏疾病（Wilson’s disease）。在细胞水平，过量的铜会诱导细胞发生铜死亡。铜死亡是近年发现的一种新型细胞死亡方式。细胞内过量的铜离子会诱导细胞呼吸作用中的蛋白聚沉，抑制细胞呼吸，同时导致铁硫簇蛋白的减少，最终诱发细胞死亡。然而，铜离子通过何种方式进入细胞，导致铜死亡以及铜死亡在生理水平的调节意义尚不清晰。 2024年8月6日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院的王晓东实验室与郑三多实验室合作，在Cell Metabolism上发表题为 Zinc transporter 1 functions in copper uptake and cuproptosis 的研究论文。该项研究首次发现并证明了Zinc transporter (ZnT1) 作为新型的铜离子转运蛋白，介导铜离子进入细胞并诱发铜死亡，并阐述了ZnT1 在肠上皮细胞中通过介导铜离子吸收，维持肠上皮Lgr5阳性干细胞稳态。该研究还为临床上用锌离子治疗铜过量引起的威尔逊氏疾病，提供了理论依据。 在之前铜死亡的研究中，铜离子主要是通过小分子载体携带进入细胞内部。本研究中，研究人员通过使用高浓度CuSO4直接处理HeLa细胞，诱发铜死亡。在此基础上，研究人员通过CRISPR-Cas9全基因组功能缺失筛选，鉴定到锌离子转运蛋白ZnT1是铜死亡发生的必需基因。对ZnT1敲除的HeLa细胞进行CuSO4处理不能引发铜死亡，而回补表达ZnT1则可以重建铜死亡。通过ICP-MS质谱鉴定细胞内元素含量发现，相比于野生型HeLa细胞，ZnT1敲除细胞内Cu元素水平显著降低。进一步在体外脂质体实验中发现，Cu2+可以进入整合有ZnT1蛋白的脂质体内部，淬灭Calcein荧光分子，而不能进入不整合ZnT1蛋白的脂质体。这些实验证明了ZnT1具有直接转运Cu2+的功能。 在后续的研究中，研究人员通过冷冻电镜结构解析与功能实验验证，揭示了Zn²⁺和Cu²⁺在ZnT1中共享主要的结合位点。Zn²⁺会竞争Cu2+与ZnT1的结合，从而有效抑制Cu²⁺转运和铜死亡。这项结果提示，临床上通过补充锌离子治疗威尔逊氏疾病，很可能是由于Zn²⁺抑制了ZnT1转运Cu2+来抑制铜吸收，从而缓解威尔逊氏疾病的症状。 通过结构的比对分析，研究人员还发现，相比于其他锌离子转运蛋白家族（ZnT family）的成员，ZnT1更倾向于形成一种外向型构象（Outward-facing conformation）。这主要是由于在ZnT1二聚体中，一个单体跨膜结构域的螺旋2与另一单体跨膜结构域的螺旋3通过丝氨酸残基与谷氨酸残基形成氢键，进而稳定了外向型构象。此外ZnT1在胞外区以一种特有的亚基间二硫键，加固了这种外向型构象，更有利于铜离子的捕获和吸收。在细胞实验中，向ZnT1敲除细胞系回补上述残基的ZnT1突变体，相比于回补野生型ZnT1，均在一定程度上抑制了铜死亡，证明了ZnT1的外向型构象对于铜离子转运的功能是至关重要的。 动物实验证明，肠上皮细胞中ZnT1蛋白缺失会导致小鼠锌离子吸收缺陷，从而导致小鼠死亡，但这种表型在补充锌离子后则不会发生。同时，ZnT1缺失抑制了肠上皮从血液中吸收铜，最终导致肠上皮铜含量降低，血清中铜含量升高。此外，研究人员还发现， ZnT1转运铜离子的功能对于维持Lgr5阳性肠干细胞是必需的，ZnT1的缺失会导致Lgr5阳性肠干细胞受损，而这一表型不能被外源锌离子的补充所拯救。 综上所述，本研究首次发现了锌离子转运蛋白ZnT1介导铜离子转运并参与铜死亡调节。通过结构解析，提出锌离子竞争性抑制铜离子转运的分子机制，并进一步阐述了ZnT1采取一种外向型构象（Outward-facing conformation）保证了铜离子的捕获与吸收。这为临床上通过锌离子治疗威尔逊氏疾病提供了有力的理论依据。在生物体内，ZnT1转运铜离子的功能，对于肠道干细胞的维持具有重要意义。 模式图（Credit: Cell Metabolism） 参考文献 https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.07.009 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述