孙德文  詹  勇  许梓荣   (浙江大学动物科学学院,浙江杭州  310029) 

    微量金属元素不仅对机体具有营养学意义，而且还参与基因表达的调控。这一概念早在30多年前就已提出。但至今才对其重要性予以特别的关注。本文就微量金属元素参与基因表达时的存在方式、影响基因表达的方式以及几种微量金属元素在基因表达中的调控作用做一综述。

1  微量金属元素参与基因表达的存在形式

    根据金属元素参与基因表达的方式不同，一般将其分为三种存在形式：①作为结构物，以保证结合蛋白与基因在发生互作时能保持一定特殊的构型，如锌指蛋白就属于这种类型。这类蛋白可以作为与DNA结合启动子的构件来参与基因表达的调控；②金属酶中金属是影响基因表达的金属元素存在的第二种形式。金属作为酶的活性中心组成部分参与基因表达。RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分是核糖体、信使和转运RNA合成中必需的含锌金属酶；③调节机体营养平衡的金属。这些金属可以为转录激活过程或mRNA的翻译调节提供信号。从而对机体营养状态进行基因水平调节，研究较深入的是铁对铁蛋白mRNA和转铁蛋白受体mRNA的调控（Klausner，1993）。

2  微量金属元素影响基因表达的方式

    金属元素影响基因表达有三种方式：①在应答性基因启动子序列中的起始位点上游存在一个或几个金属反应元件（MRE），他们是金属元素调控基因转录的重要位点；②反式作用金属调节蛋白是金属元素调节转录的第二种方式。金属在蛋白质中存在可以改变调节蛋白的构型，而这种构型的改变对其与DNA直接结合或蛋白质-蛋白质互作最终与DNA结合而调节基因转录是必需的；③诱导物金属调控。细胞内金属离子浓度受到吸收过程和转运系统严格控制，一般情况下处于动态平衡状态，而日粮采食量或生理刺激能明显改变细胞内金属池中金属元素的利用率，从而影响它与转录因子的结合，最终可改变基因的表达。

3    微量金属元素对基因表达的调控作用

3．1   铁对基因表达的调控
    Mcknight等（1980）在肉鸡试验中发现，日粮中缺铁将导致血清中转铁蛋白含量迅速增加，肝脏中转铁蛋白基因的mRNA含量增加到正常水平的2．5倍。因此可以认为缺铁所引起的转铁蛋白基因表达的加强是通过增加转录水平来实现的。当饲粮中补铁以后，转铁蛋白基因的mRNA含量和蛋白质合成量在3天内恢复至正常水平，鸡肝脏中铁的贮存量也同时增加。另外铁可以调控铁蛋白基因表达，铁含量越高铁蛋白基因表达就越强，并且这种调控并非发生在转录水平，因为放线菌D不能抑制高铁的这种诱导作用，因此这种调控应该发生在转录后水平。Zahringer等（1976）研究发现，这是由于铁含量低时铁蛋白的亚基与该基因的mRNA结合，使后者不能与核糖体结合，从而抑制该基因的表达。当铁含量增加时，铁蛋白亚基与铁离子结合，而使该基因的mRNA能游离出来与核糖体结合并开始大量表达铁蛋白。

3．2  硒对基因表达的调控
    硒是动物体必需的一种微量元素，它是许多代谢酶（谷胱苷肽过氧化物酶、碘化甲腺原氨酸一5′脱碘酶等）的组成成分，并以硒半胱氨酸形式存在。研究表明，硒掺入发生在mRNA翻译阶段，在这种情况下UGA密码子不是作为翻译的终止信号，而是作为硒半胱氨酸掺入的编码信号，这一过程需要特定的非翻译序列发生结构变化。Lei(1998）将24只断奶去势的小公猪随机分为4组，分别词喂基础日粮（含硒O．03mg／kg）和添加O．2、0 3、  0.5mg／kg硒日粮，进行了为期 35天的试验。结果表明，细胞谷胱苷肽过氧化物酶（GPX1）和与细胞膜有关的磷脂氢化过氧化物酶（GPX4）在肝脏和心脏的活力、GPX1和GPX4 mRNA在肝脏的水平和血浆谷胱苷肽过氧化物酶（GPX3）的活力，均以添加 0．2mg／kg硒日粮为最高。

    Bermano（1995）研究发现，在严重缺硒条件下，肝脏和心脏的GPX1的活力和mRNA的含量几乎为零，GPX4在肝脏活力下降75％，在心脏下降60％，而mRNA的含量元改变。Bermano（1996）研究认为：缺硒引起肝脏GPX1和GPX4的mRNA活力改变，不是由于基因转录的改变而是由于谷胱苷肽过氧化物酶对mRNA的稳定性和翻译具有调控作用，导致硒缺乏对不同谷胱苷肽过氧化物酶活力有不同影响。Weiss等（1997）报道，缺硒使中国小仓鼠卵巢细胞谷胱苷肽过氧化物酶mRNA的含量急剧下降，加足（100nmol／L）时，谷胱甘肽过氧化物酶活力达到平台。

3.3  锌对基因表达的调控
    锌参与基因表达调控的形式有以下三种：①构成遗传物质。近年来发现，DNA、RNA及组蛋白中含有结合相当紧密的锌，它能够稳定这些生物大分子的四级结构，保护DNA免受氧化损害，并且在遗传物质复制、转录和蛋白质的生物合成中起重要作用。锌具有特殊的化学特性，能键合于DNA的双螺旋结构，并维系其转录活性。同时，锌可以促进B－DNA向Z－DNA的转变，而Z－DNA与基因表达的调控有关。研究表明，用含65Zn的饲料饲喂动物，2h后肝、肾细胞核中6％的锌为65Zn，这表明锌能够很快转移到细胞核并参与遗传物质的构成；②锌依赖核酸酶。核酸合成及降解的关键酶是锌依赖酶，其中包括许多不同的含锌金属酶。锌能够通过锌依赖核酸酶的形式参与调节DNA的复制、转录。缺锌能使孕鼠胚胎DNA聚合酶、TK激酶活性降低，标记的胸腺嘧啶参入DNA的速率下降，补锌后DNA聚合酶活性恢复；③锌结合蛋白。一般认为，锌不能直接作用于靶基因序列，而是通过锌结合蛋白调控基因的转录。锌结合蛋白作为一种转录因素，在识别特定的碱基序列后，激活启动子，启动转录。绝大多数锌结合蛋白是具有重要生理功能的"锌指"蛋白（Zn finger Proteins，ZFPs）。"锌指"不仅能够稳定锌结合蛋白的构象，而且能够识别靶基因上的特定序列并启动RNA的转录，而锌在"锌指"中起着不可替代的作用。

    锌对金属硫蛋白（MT）基因表达有显著调控作用，Cui（1998）在大鼠试验中发现，缺锌可明显降低肝、肾、小肠MT－l  mRNA水平。 McNall（1995）等发现，低锌日粮限制动物生长的直接原因是由于低锌抑制了体内胰岛素样生长因子（IGF－I）、生长激素（GH）受体结合蛋白等基因的表达。

3．4  其他金属元素对基因表达的调控
    缺铜会阻止IL－2基因的转录而减少在T淋巴细胞中IL－2的合成，铜能诱导NPY、促进GnRH释放。铜是诱导酵母MT基因表达的有效金属，促使MT基因中CUP1启动子结合调节蛋白ACE1。铜元素的增加将显著提高MT基因的表达量（Bremner等，1990）。Zhou（1994）等研究发现，高铜的促生长作用可能是由于其具有提高GH表达量的缘故。Wilson（1997）报道，日粮缺铜诱导脂肪酸合成。给断奶大鼠饲喂蔗糖日粮，一组日粮中含Cu  0．7mg／g（缺铜组，CuD），一组日粮含 Cu 5．0mg／g（CuA）， CuD组脂肪酸合成酶酶活性增加 2．0倍（P＜0．05），  FAS mRNA丰度增加 3．0倍，脂肪酸合成酶基因转录速度增加2．5倍（P＜0．05），这表明缺铜可在转录水平上调控脂肪酸合成酶基因的表达。

    动物试验表明，膳食缺猛可降低肝脏MnSOD  mRNA水平。对较低等真核细胞，Mn可使Mn过氧化物酶基因mRNA水平显著提高。镉、汞等元素的增加也可以显著提高MT基因的表达量（Bremner等1990）。另外，铬降低胴体脂肪可能是通过提高生长激素基因的表达来实现的。

    综上所述，日粮中的微量金属元素可通过各种途径调控动物基因的表达，从而影响动物机体的代谢过程，并最终影响动物的生长。因此，日粮配方必须考虑生长、肥育或生产所需要的特定的微量金属元素与基因的互作，充分考虑各种微量金属元素的平衡。