锌转运蛋白ZIP10在分化的C2C12肌母细胞中维持锌的稳态并促进肌红蛋白的生物合成

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Zinc transporter ZIP10 supports zinc homeostasis and myoglobin biosynthesis in differentiating C2C12 myoblasts

锌转运蛋白ZIP10在肌细胞分化中的调控作用及对NO代谢的影响。

　　锌是一种对多种细胞过程至关重要的微量元素，包括骨骼肌的发育和再生。尽管骨骼肌中储存了体内大部分的锌，但在肌肉前体细胞分化过程中，尤其是在锌含量受限的条件下，维持锌稳态的机制仍不明确。这项研究聚焦于ZIP10（SLC39A10）这一锌转运蛋白，探讨其在C2C12肌肉前体细胞分化过程中对细胞内锌供应的调控作用，从而影响肌红蛋白（Mb）的表达。

锌在细胞内的稳态依赖于复杂的转运系统，包括ZIP（SLC39A）家族的锌摄入和ZnT（SLC30A）家族的锌输出。ZIP10在肌肉细胞中表达，并在分化过程中动态调控。其主要功能是响应细胞外锌含量的波动，增加锌的摄入以维持细胞内锌水平。而锌的缺乏可能会影响肌肉发育的关键过程，如肌红蛋白的合成，进而影响肌肉的氧气储存和利用能力。肌红蛋白是一种在氧化型肌肉纤维中丰富的血红素结合蛋白，它不仅有助于氧气的运输和储存，还参与一氧化氮（NO）代谢的调控，保护肌肉组织免受氧化和硝化应激的伤害。

研究团队通过调控细胞内锌含量（使用锌螯合剂DTPA或锌补充剂ZnCl?）和基因沉默技术，观察ZIP10在不同锌条件下对肌红蛋白表达的影响。实验结果表明，在锌缺乏条件下，ZIP10的表达显著上调，而肌红蛋白的表达则受到抑制。然而，在锌充足的情况下，ZIP10的敲低对肌红蛋白的表达影响较小。此外，锌缺乏并未显著改变细胞内的血红素含量，这表明锌对肌红蛋白的调控可能更多地作用于其合成过程，而不是血红素的生成。这些发现揭示了锌对肌红蛋白表达的依赖性，同时表明锌的调控机制可能独立于血红素的可用性。

研究还发现，锌缺乏会改变细胞内的NO代谢。在锌缺乏条件下，细胞培养液中硝酸盐（NO??）与亚硝酸盐（NO??）的比例下降，这可能反映了肌红蛋白对NO的清除能力受损。肌红蛋白在正常条件下可以将NO氧化为硝酸盐，从而维持NO的代谢平衡。然而，在锌缺乏时，这种清除能力被削弱，导致亚硝酸盐的积累。这种变化可能影响肌肉组织的氧化应激状态，进而影响肌肉的功能和健康。

进一步的分析表明，锌的补充可以逆转这些效应，不仅恢复肌红蛋白的表达，还提高细胞的存活率。锌的补充效果在肌肉分化早期和晚期均有所体现，尤其是在肌红蛋白表达和肌管形成的关键阶段。这表明锌在肌肉发育过程中具有重要的调节作用，其作用不仅限于提供基本的营养支持，还可能通过调控特定的基因表达和蛋白质合成来影响肌肉的功能。

ZIP10的表达在锌缺乏时显著增加，而在锌充足时则被抑制。这种动态变化可能与细胞内锌水平的调控机制有关，尤其是在分化过程中，细胞对锌的需求增加。研究团队通过基因敲除实验进一步验证了ZIP10对肌红蛋白表达的重要性。当ZIP10被敲低时，即使在锌充足的情况下，肌红蛋白的表达也会受到抑制，而在锌缺乏时，这种抑制效应更加明显。这表明ZIP10在维持肌红蛋白表达方面起到了关键作用，尤其是在锌供应不足的情况下。

值得注意的是，尽管肌红蛋白的表达受到锌的影响，但细胞的存活率并未显著下降，这说明锌的缺乏虽然影响了肌红蛋白的合成，但并未直接导致细胞死亡。这种现象可能与肌红蛋白在细胞内的功能有关，即其在维持细胞代谢和应激反应中的作用。此外，肌红蛋白的表达在成熟的肌管中不再受到锌的显著影响，这可能意味着在肌肉完全分化后，其表达的调控机制发生了变化。

研究还探讨了锌在肌肉分化过程中的作用机制。锌不仅是血红素合成途径中的关键辅因子，还可能通过影响转录因子的活性和染色质结构来调控基因表达。例如，锌依赖的转录因子如Pw1/Peg3和Zfp422在肌肉发育中发挥重要作用，而锌缺乏可能会影响这些因子的招募或稳定性，从而降低转录效率。此外，锌还可能通过影响RNA调控蛋白（如MBNL1/2和TTP）来调控肌红蛋白mRNA的稳定性，进一步影响其表达水平。

从功能角度来看，锌的缺乏不仅影响肌红蛋白的表达，还可能干扰肌肉细胞的氧气代谢和NO平衡。肌红蛋白在维持细胞内氧气扩散和NO清除方面具有重要作用，其表达的减少可能导致肌肉细胞在应激条件下更易受到氧化损伤。此外，锌还可能通过影响其他与NO代谢相关的酶，如内皮型一氧化氮合酶（eNOS），间接影响NO的生成和清除。这种多方面的调控作用可能解释了锌在肌肉健康中的重要性。

研究的发现还具有重要的应用价值。在细胞农业和替代蛋白质开发领域，如何在体外培养肌肉组织以模拟天然肉类的外观和风味一直是挑战。肌红蛋白的积累不足可能导致培养肉缺乏红肉的色泽和口感。因此，通过调控锌的供应或ZIP10的表达，可能成为提高体外肌肉组织质量的一种新策略。此外，锌的补充在动物饲养中也已被证明可以改善肉类的色泽，这与本研究中锌对肌红蛋白表达的调控作用一致。

综上所述，本研究揭示了锌及其转运蛋白ZIP10在肌肉分化过程中的关键作用，尤其是在锌受限条件下。锌不仅影响肌红蛋白的表达，还通过调控NO代谢和细胞内锌的稳态来影响肌肉的功能和健康。这些发现不仅加深了我们对锌在肌肉生物学中的理解，还为未来的营养干预、基因治疗以及细胞农业技术提供了新的思路和方向。通过调控锌的摄入和转运，我们或许能够更有效地支持肌肉的发育和再生，同时改善体外培养肉的质量和特性。