锌缺乏通过抑制大鼠体内的钙调蛋白（calmodulin），改变了体内钙的分布，并降低了骨矿物质密度

《The Journal of Nutrition》：Zinc deficiency altered the distribution of calcium of the body and decreased bone mineral density by inhibiting calmodulin in rats

锌缺乏通过钙调蛋白介导的钙代谢紊乱降低骨密度——基于动物和细胞实验的研究。

　　

华宁|赵家丽|黄晓彩|于青丽|宋欣宇|范琳娜|田珍|王涛涛|王帆|王茂清

中国哈尔滨医科大学公共卫生学院营养与食品卫生系，国家重点学科：营养与食品卫生，哈尔滨，150081

摘要

背景

锌（Zn）是骨骼生长、发育和维持骨密度（BMD）所必需的微量元素。尽管已知锌缺乏会干扰钙（Ca）的代谢，但这种代谢紊乱是否直接导致骨密度降低仍不清楚。

目的

本研究旨在探讨锌缺乏如何通过干扰全身钙代谢来影响骨密度。

方法

本研究包括两个动物实验。在实验1中，35天大的雄性Wistar大鼠分别被喂食正常锌饮食（30 mg/kg，NZG）、低锌饮食（10 mg/kg）或配对喂食正常锌饮食（30 mg/kg），持续4周。在实验2中，28天大的雄性Wistar大鼠接受相同的饮食处理，持续5周。测量了股骨的重量、长度、形态和骨密度，以及钙（Ca）和钙调蛋白（CaM）的水平。通过补充的细胞和分子实验来验证体内发现并探索其潜在机制。使用独立t检验和ANOVA分析组间差异。

结果

在两个动物实验中，低锌饮食组的股骨重量和骨密度均显著低于正常锌饮食组（P<0.05）。在实验2中，低锌饮食组的大鼠还表现出股骨长度较短、骨小梁数量减少以及皮质厚度降低。此外，这些大鼠的尿液、粪便和肝脏中的钙水平较低，而血清和骨骼肌中的钙水平较高（P<0.05），表明锌缺乏会扰乱组织间的钙分布。血清和骨骼肌中的钙调蛋白水平也降低（P<0.05）。C2C12细胞中的低锌培养条件使细胞内钙水平升高，并下调了钙调蛋白的mRNA和蛋白质表达。值得注意的是，钙调蛋白1的过表达逆转了锌缺乏引起的细胞内钙失调。

结论

我们的结果表明，钙调蛋白在锌缺乏引起的钙代谢紊乱和骨密度降低中起着关键作用。

引言

锌（Zn）是骨骼生长、发育和维持骨密度（BMD）所必需的矿物质[1][2][3]。锌缺乏与多种模型中的骨骼生长受损和骨密度降低有关，包括动物[4][5]、婴儿[6]、儿童和青少年[7][8][9]。锌具有双重生理作用：它促进成骨细胞的骨形成，同时抑制破骨细胞的骨吸收[10][11]。因此，锌补充已被证明可以减轻骨丢失并改善多种骨骼疾病的骨密度[1][12][13][14]。 钙（Ca）直接参与骨骼的发育和代谢，充足的钙摄入对于维持最佳的骨骼健康和正常的骨密度至关重要。慢性钙缺乏是导致骨密度降低（如骨质减少和骨质疏松症）的重要因素。值得注意的是，钙和锌在细胞水平上表现出拮抗作用[15][16]；虽然钙是许多细胞激活过程所必需的，但锌通常起到抑制作用[17][18]。钙通道功能受损被认为是锌缺乏相关的关键生化紊乱之一[19][20]。此外，锌缺乏会减少尿钙排泄并增加钙的保留，导致血液细胞、血小板和组织中的钙浓度升高[21][22]。因此，充足的锌对正常的钙代谢至关重要[23]；相反，锌缺乏会扰乱全身钙的稳态。然而，锌缺乏引起的骨密度降低是否与钙代谢的变化有关仍不清楚。 钙调蛋白（CaM）是广泛存在的钙离子（Ca2?）介导的信号通路的调节因子，在钙离子结合时被激活，但在锌缺乏条件下会被抑制[17][18]。这种抑制作用为锌对钙离子活性的拮抗效应提供了合理的分子解释[21]。基于这一机制，我们提出锌缺乏会改变钙调蛋白的表达或功能，从而扰乱钙离子代谢，最终导致骨密度降低——这种关系仍有待进一步阐明。 为了解决这个问题，本研究分两个阶段进行。首先，我们评估了轻度锌缺乏对大鼠模型中钙代谢及相关激素变化的影响，主要结果是骨密度、骨骼形态和钙调蛋白表达的变化。随后，应用细胞和分子生物学技术来验证动物模型的发现并阐明其潜在机制。我们的体内和体外结果共同提供了新的证据，表明锌缺乏通过抑制钙调蛋白来扰乱全身钙代谢——特别是其分泌和重新分布，最终导致骨密度降低。

动物和处理

本研究包括两个动物实验，具体见图S1。在第一个实验中，从北京维塔尔河实验动物技术有限公司获得了45只4周大的雄性Wistar大鼠，并在受控条件下单独饲养（12小时光照/黑暗周期，24 ± 1 °C，50% ± 5%相对湿度）。经过一周的适应期后，大鼠（5周大）被随机分为三组（每组15只）：正常锌饮食组（NZG）、低锌饮食组（LZG）...

体重、食物摄入量和血清锌水平

在两个实验中，低锌饮食组（LZG）的大鼠食物摄入量显著低于正常锌饮食组（NZG）和配对喂食正常锌饮食组（PZG）（图1A）（P<0.05）。如图1B所示，第一个实验第三周和第二个实验第二周的低锌饮食组大鼠的体重低于NZG和PZG大鼠（P<0.05）。在两个实验中，LZG组的钙摄入量也显著低于NZG组（图1B），并且LZG组的血清锌浓度也显著降低（P<0.05）...

讨论

钙与骨骼发育直接相关，锌缺乏会导致骨密度降低[5][12][26]。然而，骨密度降低如何与锌缺乏下的钙吸收、排泄和全身分布的变化相关联，以及哪些分子机制介导这些过程，目前尚未完全了解。为此，我们测量了血清、粪便和尿液中的钙浓度，并确定了多种组织和细胞类型中的钙和钙调蛋白水平...

未引用的参考文献

[29]; [30]

作者贡献

作者的责任如下——HN、FW、MW：构思并设计了整个研究；JZ、QY、XS、LF、ZT：进行了动物实验；HN、XH、LF、ZT：进行了细胞实验；TW、MW：撰写了手稿；所有作者：阅读并批准了最终稿件。

伦理声明

这项动物研究是根据哈尔滨医科大学的机构指南进行的，并获得了该校动物护理和使用委员会的批准。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（编号：82173514、82373566和81973036）的资助。图6和补充图1由Figdraw（网址：www.figdraw.com）绘制。

利益冲突

作者未报告任何潜在的利益冲突。