PNAS新技术揭示细胞癌变之路
锌，作为一种必需的营养物质，存在于人体的所有组织中。绝大多数的锌离子与蛋白质紧密结合，帮助它们完成生物反应。微量的锌则只是松散结合或可以“移动”，人们认为它们对大脑、胰腺和前列腺癌等器官正常发挥功能起至关重要的作用。而对于这一离子在某些生物系统中的确切作用还不是很清楚。
来自麻省理工学院(MIT)的研究人员构建出了一种新的光学传感器，其可以追踪细胞中的锌离子，帮助研究人员更多的了解它的功能。这一传感器是以细胞中的一种特异细胞器作为目标，当它与锌离子结合时，科学家们可以确定这种金属集中的位置。
设计这种传感器的麻省理工学院化学家们，现利用它来阐明了锌水平在前列腺中通常较高，在前列腺癌细胞中显著降低的原因。研究结果发表在12月9日的《美国科学院院刊》(PNAS)上。
论文的作者之一、麻省理工学院博士后Robert Radford说：“我们可以利用这些工具研究锌离子在健康和病变前列腺细胞中的运输。通过这样做，我们尝试了解了前列腺癌发病过程中锌离子水平的变化。”
Radford在论文资深作者、麻省理工学院化学教授Stephen Lippard实验室工作。论文的主要作者是麻省理工学院2013届研究生Wen Chyan。
Lippard实验室研究人员现正致力研发类似的荧光传感器，为早期检测前列腺癌开发一种诊断测试。前列腺癌是美国男性第二大癌症死亡原因，但若能及早发现，则极可能得到治愈。
通往癌症之路
众所周知，锌离子帮助稳定了蛋白质结构并催化了某些细胞反应。此外，人们认为在前列腺中锌离子通过帮助精液成分柠檬酸盐累积有助于生殖功能。研究证实，在前列腺上皮细胞的线粒体内，锌离子抑制了代谢酶：顺乌头酸酶。通过阻断顺乌头酸酶的活性，锌离子截断了柠檬酸循环——细胞通过这一系列的反应来生成主要的能量货币：ATP。
科学家们推测，在前列腺细胞癌变之前，它们将锌离子从线粒体排除出去。这使得癌细胞能够生成它生长和分裂所需的额外能量。
“如果细胞正在不受控制地进行分裂，其需要大量的化学能，那么它肯定不希望锌离子来干扰顺乌头酸酶，阻止生成更多的ATP，”Radford说。
麻省理工学院的新研究支持了这一理论，它表明：尽管前列腺癌细胞能够吸收锌离子，但这一金属不会像在正常前列腺细胞中那样在线粒体中累积。
Radford说，这些结果表明，在正常细胞中锌离子有可能是通过一种专门的转运蛋白运输到了线粒体中，但这样的蛋白还没有得到确定。在癌细胞中这一蛋白有可能发生了失活。
追踪锌离子
这一新型的锌离子传感器依赖Lippard实验室于10多年前开发的一种分子：Zinpyr1 (ZP1)。ZP1基于一种称作为荧光素的染料，只有当它与锌离子结合时才会发生改变发出荧光。
只要将ZP1传感器添加到实验室培养的一盘细胞中，它就会散布到细胞内。直到现在，这一传感器存在的一个主要缺点就是，难于靶向细胞内的特异结构。 Radford说：“我们曾成功地利用一些蛋白质和肽来锁定小分子新传感器，但大多数时候这些传感器都被捕获在细胞的酸性囊泡中失活。”
Lippard研究小组通过两点改变克服了这一障碍：首先，他们装上了一个锌反应性的保护基团，改变了传感器的物理性质使得它更容易被锁定。第二，他们添加了一种“地址标签”将ZP1引导到线粒体中。这种标签是triphenylphosphonium的衍生物，带正电荷且具有疏水性，因此能够进入到线粒体中。生成的这种传感器能够很容易地进入细胞，使得研究人员能够显像线粒体内的移动锌离子池。
“将基于反应的方法和识别方法相结合，这提供了一个令人兴奋的传感新概念，其有潜力应用于与锌错误调控相关的诊断，”加州大学伯克利分校化学、分子和细胞生物学教授Christopher Chang(未参与该研究)说。
在未来的研究中，研究人员计划扩展他们的策略构建出一个传感器控制板，用一些传感器来靶向细胞中许多其他的细胞器。
“鉴别出移动锌离子的细胞内靶标是了解它在生物信号传导中真实功能的一个重要步骤。下一步是发现锌离子结合细胞器中受体所影响的特异生物化学信号通路，阐明这一过程中发生的结构和伴随功能改变，”Lippard说。
该实验室当前的兴趣是研究大脑中的锌离子，人们认为锌离子在大脑中发挥了神经递质作用。通过了解听觉皮层、视神经和嗅球中的移动锌离子，研究人员希望能够阐明它在听觉、视觉和嗅觉中所起的作用。
