結構生物化學/真核生物中的金屬水平
鋅、鐵和銅等過渡金屬是多種蛋白質中的常見成分。這些金屬對生命至關重要；但是，過量的這些金屬對細胞生長和活力有害。幸運的是，存在許多機制來幫助在需要時調節這些過量的金屬。為了應對這些金屬水平的變化，某些基因編碼金屬轉運蛋白和儲存蛋白，這些蛋白有助於維持每種金屬的理想水平。細胞內這些金屬的缺乏也會導致健康問題。透過多種互補機制，實現了細胞金屬穩態。雖然並非所有轉錄因子都完全瞭解，但它們為研究人員提供了一種潛在的思路，可以解釋金屬水平、健康和疾病之間的聯絡。[1]
金屬水平也會因不同型別的癌症甚至阿爾茨海默病和帕金森病等神經退行性疾病而改變。因此，在診斷出這些疾病時，金屬水平失衡會進一步導致嚴重的後果。 [1]
鋅
鋅是生物體中的一種重要過渡金屬，對某些蛋白質結構的準確摺疊至關重要。它是數百種酶的輔因子；然而，過量的鋅對生長有很大毒性，並且可能錯誤地結合到蛋白質中不合適的位點並破壞其功能。[1]
鐵
鐵是另一種對生命至關重要的過渡金屬，它在生理反應中充當電子受體或供體。與鋅一樣，鐵也被用作酶中的輔因子，這些酶是氧氣運輸、DNA 合成、核糖體生物合成、光合作用和許多其他功能所必需的。與其他過渡金屬一樣，過量的鐵對生長和活力非常有害。因此，許多生物體已經進化出專門的機制來調節細胞鐵水平。 [1]
銅
銅存在於各種真核生物中，是一種對許多生物體生命至關重要的基本金屬。作為一種氧化還原活性金屬，銅是許多不同蛋白質的輔因子，包括 Cu/Zn 超氧化物歧化酶 1 和細胞色素 c 氧化酶。與鋅和鐵一樣，當銅過量時，它對細胞和活力有高度毒性。因此，為了維持理想的銅水平，許多真核生物進化出轉錄因子，這些轉錄因子透過控制編碼銅攝取和消除的基因來調節銅水平。[1]
基因表達的變化不僅發生在鋅過量時，也發生在鋅缺乏時。在各種真核生物物種中，已經發現不同的序列特異性 DNA 結合因子是基因表達變化所必需的。研究這些鋅調節因子可以提供一種方法來獲得某些型別的蛋白質和不同的機制，這些機制可用於檢測其他未知生物體中的細胞鋅限制。[1]
發現於芽殖酵母 Saccharomyces cerevisiae 中，轉錄因子 Zap1 是一種鋅響應蛋白，可以檢測鋅水平。當鋅缺乏發生時，Zap1 可以啟動大約 80 個基因的表達，靶向需要鋅攝取的基因和在極端鋅缺乏期間有助於存活的基因。Zap1 可以透過多種結構域檢測細胞鋅水平。鋅指對是一個調節結構域，與 AD2 或啟用結構域 2 重疊。在鋅缺乏期間，鋅與 AD2 中的鋅指結合，這使得 AD2 發生構象變化，導致啟動結構域功能的殘基暴露。鋅可以快速從鋅指對中的一個指切換到另一個指，這使得 Zap1 可以檢測細胞鋅水平成為可能。AD1 是 Zap1 中的另一個啟用結構域，它獨立受細胞鋅水平控制，以響應缺乏啟用基因表達。當 AD1 與 AD2 結合時，它允許 Zap1 在特定的壓力情況下招募更多共啟用因子。 [1]
在另一種生物體中，需要不止一種轉錄因子來調節鋅缺乏期間的基因。在擬南芥中，bZip19 和 bZip23 激活了鋅攝取所需基因的表達。[1]
基因表達的變化不僅發生在鐵過量時，也發生在響應鐵限制時，並且已在許多不同的真核生物中觀察到，例如綠藻、真菌和植物。關於受鐵限制影響的基因轉錄的大部分資訊都是透過研究酵母獲得的。 [1]
發現於 Saccharomyces cerevisiae 中，Aft1 和 Aft2 是響應鐵缺乏症的轉錄因子，它們透過增加大約 40 個基因的表達。這些基因可以編碼某些需要鐵攝取、鐵搜尋或細胞內鐵轉運的蛋白質。Aft1 和 Aft2 還調節 CTH1 和 CTH2 的表達，這兩個基因是鐵依賴性的，可以幫助細胞儲存鐵。Aft1 和 Aft2 透過使用線粒體 Fe-S 簇機器產生的訊號來感知細胞鐵缺乏。然而，該訊號目前仍然未知，但研究表明 Aft1 能夠感知這些鐵訊號是由於某些細胞質蛋白。 [1]
Php4 存在於裂殖酵母 (Schizosaccharomyces pombe) 中，是另一個鐵響應轉錄因子，幫助細胞抵抗缺鐵。類似於 CTH1 和 CTH2，Php4 在鐵存在時控制鐵透過鐵依賴性途徑的流動。這是由於 Php4 調控編碼與鐵結合蛋白或存在於需要鐵的代謝途徑中的蛋白質的基因。轉錄因子 Grx4 對於在高鐵濃度下使 Php4 失活是必要的。[1]
在許多不同的真核生物中，例如酵母、植物、綠藻和果蠅，細胞可以啟用編碼銅吸收的特定基因，以應對銅缺乏。許多在銅限制期間基因啟用所需的轉錄因子已被鑑定出來；然而，它們如何發揮作用來檢測缺乏尚不清楚。儘管這裡只展示了少數，但通常存在這些轉錄因子的同源物，它們在多種其他真核生物中提供相同的作用。因此，許多不同的蛋白質已經進化，使用等效的銅響應域來檢測維持穩態所需的多種水平的銅。[1]
Mac1 是酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae) 中發現的一種轉錄因子，在發生銅缺乏時變得活躍，並調節銅吸收所需的基因的表達。為了使 Mac1 啟用，它需要 Mac1 DNA 結合域和轉錄啟用域。轉錄啟用域包含富含半胱氨酸的域，能夠結合四個銅離子。在銅過量的情況下，銅過度結合到該域會使 Mac1 轉錄因子失活。在細胞銅缺乏期間，透過新增 Sod1（一種富含銅結合蛋白），可以最大程度地提高 Mac1 DNA 結合活性。因此，Sod1 可能在銅感應中具有某些未知的能力。[1]
在另一個物種衣藻 (Chlamydomonas reinhardtii) 中，綠藻使用一種不同的轉錄因子來調節銅限制，稱為 Crr1。當銅水平較低時，Crr1 可以啟用超過 60 個基因的表達，以實現所需的銅水平。與 Mac1 一樣，Crr1 也包含銅調控域，一個是富含半胱氨酸的金屬響應域，另一個是 SBP DNA 結合域。[1]
在另一個物種擬南芥 (A. thaliana) 中，銅水平由轉錄因子 SPL7 平衡，SPL7 是 Crr1 的同源物或後代。為了獲得銅穩態，SPL7 在銅缺乏期間表達在銅吸收和細胞內銅組織所需的基因。不同的 microRNA 可以被 SPL7 啟用，從而允許靶向編碼銅結合蛋白的 mRNA。[1]
在許多多細胞生物中，存在著檢測鋅過量和缺乏的不同系統。MTF1 是一種轉錄因子，可以提供針對鋅過量的保護，鋅過量對細胞有劇毒。[1]
MTF1 是一種在哺乳動物和魚類中發現的轉錄因子，有助於保護細胞免受鋅過量的侵害，在高濃度存在時被啟用。它結合金屬反應元件，啟用靶基因表達。類似於 Zap1，MTF1 透過使用調節性鋅指結構域來感知細胞鋅過量。相反，鋅指控制 MTF1 的結合 - 只有當鋅過量時。[1]
在酵母、線蟲、果蠅和哺乳動物等一系列真核生物中進行的研究注意到，由於鐵過量而導致的基因表達發生了多種變化。然而，只有在真菌中，研究人員才鑑定出能夠檢測到高鐵水平的轉錄因子。在多細胞生物中，鐵穩態通常在轉錄後水平控制。[1]
轉錄因子 Yap5 存在於釀酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 中，透過在鐵過量時表達 CCC1 啟用來保護細胞免受毒性。一旦 Yap5 結合到 CCC1 啟動子，CCC1 透過將鐵轉運到鐵儲存液泡中來提供保護。除非鐵水平達到很高，否則 CCC1 不會活躍。Yap5 還包含富含半胱氨酸的域，這些域是鐵調節所必需的。 [1]
當鐵水平過高時，該轉錄因子就會表達。Fep1 存在於裂殖酵母 (S. pombe) 中，透過在鐵濃度高時阻止獲取鐵的基因表達來保護細胞。Fep1 還調節轉錄因子 Php4 的表達，控制鐵在代謝途徑中的流動。轉錄因子 Grx4 對於在鐵水平低時使 Fep1 失活是必需的，這對於在鐵水平高時使 Php4 失活也是必需的，這很可能是決定細胞在兩種鐵水平之間切換的相同訊號。 [1]
為了保護真核生物物種（如真菌和果蠅）免受銅毒性的侵害，某些轉錄因子能夠檢測到這種高水平的銅，並表達可以幫助保護細胞的調節機制。這些因子可以直接結合銅，基因表達受到調節。[1]
Ace1 是酵母菌 (Saccharomyces cerevisiae) 中的一種轉錄因子，當銅過量時，它可以直接與銅離子結合。與銅的結合可以啟用幫助細胞抵禦銅過量帶來的毒性的基因。許多其他真菌也含有 Ace1 的同源物，它們也能透過同樣的機制保護細胞免受銅過量的影響。[1]
dMTF-1
[edit | edit source]dMTF-1 是 MTF1 的同源物，它調節銅過量或不足時，恢復銅離子平衡所需的基因表達。dMTF-1 還包含一個富含半胱氨酸的結構域，該結構域可以透過與四個 Cu+ 離子結合來感知銅毒性。[1]