Уровень цинка – ключ к здоровью человека

Цинк – один из тех микроэлементов, о которых многие люди знают, что они им необходимы, но в остальном детали немного расплывчаты.

В отличие, скажем, от кальция, который, как известно большинству людей, можно получить, выпив стакана молока, или калия, содержащегося в бананах, источники цинка иногда не так хорошо знакомы.

Неизвестные сведения о цинке также относятся к тому, как он действует в организме. Хотя исследования показали, что цинк необходим для множества жизненно важных функций – от роста и пролиферации клеток до создания ДНК, поддержки иммунной системы, построения белков и многого другого, – очень мало известно о том, как цинк выполняет свою работу.

Многое из того, что ученые знают о функционировании цинка в организме, особенно о его роли в росте, было получено путем изучения его отсутствия в случаях дефицита цинка.

Однако недавно опубликованное исследование, проведенное Эми Палмер, профессором кафедры биохимии Университета Колорадо в Боулдере, проливает новый свет – фактически, флуоресцентный – на роль цинка в росте клеток. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Reports.

Исследование показывает, что когда уровень цинка слишком низок или слишком высок, вся клеточная пролиферация, то есть размножение клеток делением, прекращается до тех пор, пока уровень цинка не вернется в приемлемый диапазон. Это также выявило явление, которое исследователи назвали “цинковым импульсом” – сразу после деления клетки в ней наблюдается кратковременное повышение содержания цинка, которое возвращается к прежнему уровню примерно через час.

Палмер и ее коллеги-исследователи аспиранты Ананья Ракшит и Сэмюэл Хольцен смогли прийти к этому новому пониманию жизненно важной роли цинка, используя генетически закодированные флуоресцентные датчики, которые меняют цвет и испускают свет, когда цинк с ними связывается.

“Для полевых исследований эти флуоресцентные датчики стали большим прорывом, поскольку они позволили нам измерять и количественно определять содержание цинка в отдельных клетках в течение многих часов”, – объясняет Палмер.

“Мы можем наблюдать за цинком по мере того, как клетка готовится к делению, как она делится и как две дочерние клетки проходят один и тот же процесс.

“Нам нужно понять на клеточном уровне, зачем нужен цинк, где он требуется, в каком количестве. Одним из недостающих элементов головоломки, особенно когда мы думаем о добавках цинка, является понимание и знание того, когда клетки нуждаются в цинке и в каком его количестве они на самом деле нуждаются”.

Использование флуоресценции

Палмер, получившая международное признание за свою работу по разработке флуоресцентных датчиков, которые обнаруживают металлы в клетках, не нарушая их функции, и ее коллеги-исследователи использовали немного биохимии и немного инженерии, чтобы создать датчик, который будет связываться с цинком и только с цинком.

“Эти флуоресцентные датчики меньше воздействуют на клетки, позволяя им естественным образом циркулировать, и они действительно являются прорывом в этой области исследований”, – говорит Палмер. “Моя коллега Сабрина Спенсер действительно стала пионером подхода к изучению клеток, участвующих в естественном цикле, и мы многому научились у нее и ее лаборатории. Наша идея состояла в том, чтобы взять эти флуоресцентные датчики и создать их специально для цинка “.

Когда Палмер открыла свою лабораторию в Калифорнийском университете, она вместе с коллегами начала разрабатывать эти флуоресцентные датчики, основываясь на научных исследованиях, которые провела вместе со своим консультантом Роджером Цзиеном. Цзянь получил Нобелевскую премию по химии за открытие и разработку зеленого флуоресцентного белка, который он и другие ученые использовали для отслеживания того, когда и где определенные гены экспрессируются в клетках.

“Что действительно интересно в этих флуоресцентных датчиках, так это то, что они сделаны из белков, которые генетически закодированы”, – говорит Палмер.

“У них есть последовательность ДНК, и этот фрагмент ДНК кодирует белок, который будет связываться с цинком.

“Это изменение цвета, когда он специфически связывается с цинком, стало большим прорывом. Легко получить очень маленький отклик, но сложнее получить действительно большой, надежный отклик, который можно использовать для отслеживания клеток в течение 60 часов. Мы множество раз провели итеративную оптимизацию наших инструментов, чтобы заставить их работать так, как мы хотим”.

Однако усилия окупились, потому что во многих предыдущих исследованиях в клетки добавлялись химические вещества, чтобы остановить их деление, или удалялась сыворотка роста – процесс, который также мог удалить цинк. Затем удаление химического вещества или добавление сыворотки роста возобновляло деление клеток, выравнивая их таким образом, чтобы все они делали одно и то же в одно и то же время. Однако этот сценарий не отражает того, что происходит в организме человека.

Внедрив флуоресцентные датчики в клетки, Палмер и ее коллеги смогли не только измерить уровень цинка, но и отслеживать каждую отдельную клетку в течение 60 часов. Работа с клетками, работающими в режиме естественного цикла, позволяла им выполнять свои обычные функции в режиме реального времени. Затем исследователи вычислили, в каком состоянии находилась каждая клетка и сколько цинка в ней содержалось в каждый момент в течение 60 часов.

Последствия для питания и болезней

Исследование Палмер было важным не только из-за инновационных инструментов, разрабатываемых и используемых для изучения клеточного цикла, но и потому, что важность цинка еще не достаточно понятна, а последствия дефицита цинка могут быть значительными.

Около 17% населения земного шара испытывает дефицит цинка, и дефицит цинка представляет собой кризис общественного здравоохранения в некоторых частях мира.

Серьезный дефицит цинка может привести к замедлению или прекращению роста и развития, задержке полового созревания, нарушению иммунной функции и заживлению ран и многим другим последствиям. Однако ученые только сейчас начинают понимать, когда клеткам нужен цинк и в каком количестве.

Используя флуоресцентные датчики для отслеживания поглощения цинка отдельными клетками в течение 60 часов, Палмер и ее коллеги-исследователи смогли обнаружить цинковый импульс, который возникает сразу после деления клетки.

“Мы пока не знаем точно, почему это происходит, но мы предполагаем, что двум новым дочерним клеткам необходимо получить много цинка, чтобы стимулировать рост отдельной клетки”, – говорит Палмер. “Если у них нет такого импульса, то они не могут продолжать движение и им приходится делать паузу”.

Исследователи также увидели, что уровень цинка должен быть оптимальным – если он слишком высок или слишком низок, то функция клеток приостанавливается до тех пор, пока уровень цинка не вернется к норме. Во время этой паузы они заметили, что клетки изо всех сил пытались создать ДНК.

Основываясь на результатах недавно опубликованного исследования, сотрудники лаборатории Палмер изучают очень высокий уровень цинка, часто обнаруживаемый в клетках рака молочной железы, и почему эти клетки не останавливаются, реагируя на высокий уровень цинка, как это сделали бы здоровые клетки.

По словам Палмер, клетки имеют как бы предохранительный выключатель, который рак каким-то образом может обойти.

Более глубокое изучение того, когда и почему клетки нуждаются в цинке и в каком его количестве, может “иметь значение для понимания питания человека на уровне всего организма, а также для понимания нарушения регуляции цинка или его дисфункции при заболеваниях”, – говорит Палмер. “Мы действительно работаем над тем, чтобы понять этот момент и тот фундаментальный механизм, который есть у каждой клетки, когда она определяет свой цинковый статус и как в пределах определенного диапазона она может регулировать количество цинка”.

Поделиться ссылкой