结构生物化学/真核生物中的金属水平
锌、铁和铜等过渡金属是多种蛋白质中的常见成分。这些金属对生命至关重要；但是，过量的这些金属对细胞生长和活力有害。幸运的是，存在许多机制来帮助在需要时调节这些过量的金属。为了应对这些金属水平的变化，某些基因编码金属转运蛋白和储存蛋白，这些蛋白有助于维持每种金属的理想水平。细胞内这些金属的缺乏也会导致健康问题。通过多种互补机制，实现了细胞金属稳态。虽然并非所有转录因子都完全了解，但它们为研究人员提供了一种潜在的思路，可以解释金属水平、健康和疾病之间的联系。[1]
金属水平也会因不同类型的癌症甚至阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病而改变。因此，在诊断出这些疾病时，金属水平失衡会进一步导致严重的后果。 [1]
锌
锌是生物体中的一种重要过渡金属，对某些蛋白质结构的准确折叠至关重要。它是数百种酶的辅因子；然而，过量的锌对生长有很大毒性，并且可能错误地结合到蛋白质中不合适的位点并破坏其功能。[1]
铁
铁是另一种对生命至关重要的过渡金属，它在生理反应中充当电子受体或供体。与锌一样，铁也被用作酶中的辅因子，这些酶是氧气运输、DNA 合成、核糖体生物合成、光合作用和许多其他功能所必需的。与其他过渡金属一样，过量的铁对生长和活力非常有害。因此，许多生物体已经进化出专门的机制来调节细胞铁水平。 [1]
铜
铜存在于各种真核生物中，是一种对许多生物体生命至关重要的基本金属。作为一种氧化还原活性金属，铜是许多不同蛋白质的辅因子，包括 Cu/Zn 超氧化物歧化酶 1 和细胞色素 c 氧化酶。与锌和铁一样，当铜过量时，它对细胞和活力有高度毒性。因此，为了维持理想的铜水平，许多真核生物进化出转录因子，这些转录因子通过控制编码铜摄取和消除的基因来调节铜水平。[1]
基因表达的变化不仅发生在锌过量时，也发生在锌缺乏时。在各种真核生物物种中，已经发现不同的序列特异性 DNA 结合因子是基因表达变化所必需的。研究这些锌调节因子可以提供一种方法来获得某些类型的蛋白质和不同的机制，这些机制可用于检测其他未知生物体中的细胞锌限制。[1]
发现于芽殖酵母 Saccharomyces cerevisiae 中，转录因子 Zap1 是一种锌响应蛋白，可以检测锌水平。当锌缺乏发生时，Zap1 可以启动大约 80 个基因的表达，靶向需要锌摄取的基因和在极端锌缺乏期间有助于存活的基因。Zap1 可以通过多种结构域检测细胞锌水平。锌指对是一个调节结构域，与 AD2 或激活结构域 2 重叠。在锌缺乏期间，锌与 AD2 中的锌指结合，这使得 AD2 发生构象变化，导致启动结构域功能的残基暴露。锌可以快速从锌指对中的一个指切换到另一个指，这使得 Zap1 可以检测细胞锌水平成为可能。AD1 是 Zap1 中的另一个激活结构域，它独立受细胞锌水平控制，以响应缺乏激活基因表达。当 AD1 与 AD2 结合时，它允许 Zap1 在特定的压力情况下招募更多共激活因子。 [1]
在另一种生物体中，需要不止一种转录因子来调节锌缺乏期间的基因。在拟南芥中，bZip19 和 bZip23 激活了锌摄取所需基因的表达。[1]
基因表达的变化不仅发生在铁过量时，也发生在响应铁限制时，并且已在许多不同的真核生物中观察到，例如绿藻、真菌和植物。关于受铁限制影响的基因转录的大部分信息都是通过研究酵母获得的。 [1]
发现于 Saccharomyces cerevisiae 中，Aft1 和 Aft2 是响应铁缺乏症的转录因子，它们通过增加大约 40 个基因的表达。这些基因可以编码某些需要铁摄取、铁搜索或细胞内铁转运的蛋白质。Aft1 和 Aft2 还调节 CTH1 和 CTH2 的表达，这两个基因是铁依赖性的，可以帮助细胞保存铁。Aft1 和 Aft2 通过使用线粒体 Fe-S 簇机器产生的信号来感知细胞铁缺乏。然而，该信号目前仍然未知，但研究表明 Aft1 能够感知这些铁信号是由于某些细胞质蛋白。 [1]
Php4 存在于裂殖酵母 (Schizosaccharomyces pombe) 中，是另一个铁响应转录因子，帮助细胞抵抗缺铁。类似于 CTH1 和 CTH2，Php4 在铁存在时控制铁通过铁依赖性途径的流动。这是由于 Php4 调控编码与铁结合蛋白或存在于需要铁的代谢途径中的蛋白质的基因。转录因子 Grx4 对于在高铁浓度下使 Php4 失活是必要的。[1]
在许多不同的真核生物中，例如酵母、植物、绿藻和果蝇，细胞可以激活编码铜吸收的特定基因，以应对铜缺乏。许多在铜限制期间基因激活所需的转录因子已被鉴定出来；然而，它们如何发挥作用来检测缺乏尚不清楚。尽管这里只展示了少数，但通常存在这些转录因子的同源物，它们在多种其他真核生物中提供相同的作用。因此，许多不同的蛋白质已经进化，使用等效的铜响应域来检测维持稳态所需的多种水平的铜。[1]
Mac1 是酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae) 中发现的一种转录因子，在发生铜缺乏时变得活跃，并调节铜吸收所需的基因的表达。为了使 Mac1 激活，它需要 Mac1 DNA 结合域和转录激活域。转录激活域包含富含半胱氨酸的域，能够结合四个铜离子。在铜过量的情况下，铜过度结合到该域会使 Mac1 转录因子失活。在细胞铜缺乏期间，通过添加 Sod1（一种富含铜结合蛋白），可以最大程度地提高 Mac1 DNA 结合活性。因此，Sod1 可能在铜感应中具有某些未知的能力。[1]
在另一个物种衣藻 (Chlamydomonas reinhardtii) 中，绿藻使用一种不同的转录因子来调节铜限制，称为 Crr1。当铜水平较低时，Crr1 可以激活超过 60 个基因的表达，以实现所需的铜水平。与 Mac1 一样，Crr1 也包含铜调控域，一个是富含半胱氨酸的金属响应域，另一个是 SBP DNA 结合域。[1]
在另一个物种拟南芥 (A. thaliana) 中，铜水平由转录因子 SPL7 平衡，SPL7 是 Crr1 的同源物或后代。为了获得铜稳态，SPL7 在铜缺乏期间表达在铜吸收和细胞内铜组织所需的基因。不同的 microRNA 可以被 SPL7 激活，从而允许靶向编码铜结合蛋白的 mRNA。[1]
在许多多细胞生物中，存在着检测锌过量和缺乏的不同系统。MTF1 是一种转录因子，可以提供针对锌过量的保护，锌过量对细胞有剧毒。[1]
MTF1 是一种在哺乳动物和鱼类中发现的转录因子，有助于保护细胞免受锌过量的侵害，在高浓度存在时被激活。它结合金属反应元件，激活靶基因表达。类似于 Zap1，MTF1 通过使用调节性锌指结构域来感知细胞锌过量。相反，锌指控制 MTF1 的结合 - 只有当锌过量时。[1]
在酵母、线虫、果蝇和哺乳动物等一系列真核生物中进行的研究注意到，由于铁过量而导致的基因表达发生了多种变化。然而，只有在真菌中，研究人员才鉴定出能够检测到高铁水平的转录因子。在多细胞生物中，铁稳态通常在转录后水平控制。[1]
转录因子 Yap5 存在于酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 中，通过在铁过量时表达 CCC1 激活来保护细胞免受毒性。一旦 Yap5 结合到 CCC1 启动子，CCC1 通过将铁转运到铁储存液泡中来提供保护。除非铁水平达到很高，否则 CCC1 不会活跃。Yap5 还包含富含半胱氨酸的域，这些域是铁调节所必需的。 [1]
当铁水平过高时，该转录因子就会表达。Fep1 存在于裂殖酵母 (S. pombe) 中，通过在铁浓度高时阻止获取铁的基因表达来保护细胞。Fep1 还调节转录因子 Php4 的表达，控制铁在代谢途径中的流动。转录因子 Grx4 对于在铁水平低时使 Fep1 失活是必需的，这对于在铁水平高时使 Php4 失活也是必需的，这很可能是决定细胞在两种铁水平之间切换的相同信号。 [1]
为了保护真核生物物种（如真菌和果蝇）免受铜毒性的侵害，某些转录因子能够检测到这种高水平的铜，并表达可以帮助保护细胞的调节机制。这些因子可以直接结合铜，基因表达受到调节。[1]
Ace1 是酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae) 中的一种转录因子，当铜过量时，它可以直接与铜离子结合。与铜的结合可以激活帮助细胞抵御铜过量带来的毒性的基因。许多其他真菌也含有 Ace1 的同源物，它们也能通过同样的机制保护细胞免受铜过量的影响。[1]
dMTF-1
[edit | edit source]dMTF-1 是 MTF1 的同源物，它调节铜过量或不足时，恢复铜离子平衡所需的基因表达。dMTF-1 还包含一个富含半胱氨酸的结构域，该结构域可以通过与四个 Cu+ 离子结合来感知铜毒性。[1]