综述：锌作为细胞内细胞器稳态的主要调节因子

《EXPERIMENTAL AND MOLECULAR MEDICINE》：Zinc as a master regulator of intracellular organelle homeostasis

　　摘要
锌（Zn2?）是一种必需的微量元素，支持着广泛的细胞过程，包括酶催化、基因表达、免疫调节和信号传导。其独特的氧化还原惰性以及与多种蛋白质结合的能力使其对细胞稳态至关重要。锌在细胞内动态分布，通过核、内质网、高尔基体、线粒体、溶酶体、内体及过氧化物酶体等细胞器的分隔，实现了对细胞器完整性和细胞器间通讯至关重要的特殊功能。本综述全面介绍了细胞器特异性的锌稳态机制，强调了锌转运蛋白、金属硫蛋白和金属伴侣蛋白在调节锌流动和缓冲中的作用。本文讨论了锌如何影响每个细胞器内的结构和酶促过程、应激反应、氧化还原平衡以及信号通路，并概述了其失调如何导致多种分子功能障碍和病理现象，如神经退行性疾病、癌症、代谢紊乱和衰老。此外，还探讨了恢复锌稳态的新疗法策略，包括补充锌和基于生物工程的细胞器靶向递送系统，以及用于亚细胞水平观察锌动态的先进工具。这些发现共同表明了锌作为细胞健康调节因子的重要作用及其作为治疗干预靶点的前景。

引言
锌（Zn2?）是一种在细胞功能中起关键作用的微量元素。其对人体健康的重要性最早在20世纪60年代被发现，当时伊朗患者表现出严重贫血、生长迟缓、性腺功能减退、皮肤病变和嗜睡等症状，经检测发现他们缺锌1,2。此后，锌的生物学功能逐渐得到阐明，尤其是在细胞水平上，锌对于维持稳态和正常功能至关重要3,4。作为人体中仅次于铁的第二大过渡元素，锌参与多种生物过程，包括酶催化、蛋白质结构稳定、基因转录、免疫调节和细胞信号传导5,6,7,8,9,10。其氧化还原惰性使其特别适合在氧化环境中发挥作用，这使其与其他金属离子（如铁和铜）区分开来。据估计，大约10%的人类蛋白质组与锌结合，其中锌指转录因子 alone 就调控了数百种调节DNA表达和修复的蛋白质11,12。鉴于锌在细胞内环境中的重要作用，其精确调控具有根本性意义13,14。锌在核、内质网（ER）、线粒体、高尔基体、溶酶体、内体和过氧化物酶体等细胞器间的动态分布对于有效调节锌至关重要。在这些细胞器中，锌通过复杂的锌转运蛋白和缓冲蛋白系统维持其功能，这些蛋白响应生理信号和应激因素以确保局部锌的可用性15,16,17。为了全面理解这些相互作用，我们提出了一个综合的机制框架（图1），总结了细胞器特异性锌处理异常如何影响多个生物层次。锌流入、流出或缓冲的异常会导致细胞内锌失衡，进而破坏核心分子过程，包括酶活性、蛋白质折叠、信号通路和氧化还原稳态。这些分子缺陷会导致特定细胞器的应激反应，影响蛋白质稳态、囊泡运输、代谢功能或降解能力。这种细胞器应激的累积最终会导致多种疾病表型，从神经退行性疾病和代谢紊乱到癌症进展、免疫失调和组织衰老。通过绘制从锌失衡到分子功能障碍、细胞器应激和疾病表现的级联过程，该框架为后续详细讨论提供了基础，并突出了具有潜在治疗干预意义的机制节点18,19,20,21。

图1：将细胞器特异性锌失调与疾病联系起来的概念框架。

细胞内锌处理的异常会导致锌失衡，引发特定细胞器的应激反应。这种持续的细胞器应激会导致多种疾病表型。通过将这些事件组织成一个因果级联，该框架突出了具有潜在治疗干预意义的机制节点。

本综述全面且以细胞器为中心地介绍了锌稳态及其细胞内动态。首先总结了锌在全身和细胞内的分布情况，强调了锌的吸收、缓冲、运输和在特定细胞器中的储存方式。接着探讨了锌如何促进细胞器的特殊功能，以及这些分隔池的紊乱如何引发细胞应激和功能障碍。此外，还综合了关于细胞器特异性锌失调及其相关病理后果的最新发现，并讨论了恢复或调节锌稳态的新策略以及用于观察细胞器水平锌动态的先进工具。这些观点共同表明锌作为细胞健康整合调节因子的重要性，并指出了治疗干预的关键机会。

锌稳态与细胞内动态
锌在人体内的分布
锌是一种重要的微量元素，在全身广泛分布，总量约为1-3克。大部分储存在骨骼肌（约60%）和骨骼（约30%）中，此外还存在于肝脏（约5%）、皮肤（约5%）、胰腺、肾脏和大脑中22。值得注意的是，眼睛的视网膜和脉络膜中也含有高浓度的锌23,24。与铁或钙等元素不同，锌不储存在专门的结构中，而是依赖于吸收、运输和排泄的动态调节。饮食中的锌主要在小肠（尤其是空肠）被吸收，专门的膜蛋白介导其进入肠细胞25。一旦进入细胞，锌可以与细胞内蛋白质结合，暂时储存或释放到循环系统中。锌的运输主要由两个主要的蛋白质家族介导：ZIPs（SLC39A）和ZnTs（SLC30A），详见图2。在血液中，锌主要以与蛋白质结合的形式存在，白蛋白和α2-巨球蛋白是其主要载体26,27。在细胞内，锌在细胞器、细胞质和囊泡之间进行严格调控的分布。细胞内锌的总浓度约为数百微摩尔，但只有少量是可交换的，而易变的锌池则维持在更低的皮摩尔水平28。大部分细胞内锌与金属蛋白和金属酶紧密结合，发挥结构和催化作用。相比之下，易变的锌池与低分子量配体及金属硫蛋白（MTs）相关，支持信号传导和转移反应29。

图2：真核细胞中锌转运蛋白的细胞内分布。

锌转运蛋白的亚细胞定位示意图，展示了ZnT（SLC30）和ZIP（SLC39）家族在主要细胞器中的分布。ZnT转运蛋白（红色）负责将锌从细胞质转运到细胞器或从细胞中排出，而ZIP转运蛋白（绿色）则促进锌进入细胞质或从细胞器中排出。

细胞内锌的运输
锌在细胞内并非均匀分布，而是通过不同的细胞器进行分隔，从而在酶活性、蛋白质折叠、氧化应激调节和基因表达中发挥特殊作用。这种空间分布由细胞器特异性的ZIP（SLC39）和ZnT（SLC30）转运蛋白系统调控17。ZIP家族促进锌从细胞外空间或细胞内细胞器进入细胞质，而ZnT家族则将锌从细胞质转运到细胞器或从细胞中排出15,30。这些系统共同确保了锌浓度的精确时空控制，防止锌缺乏或细胞毒性过载。锌进入细胞主要通过位于质膜上的ZIP家族成员实现，它们将锌从细胞外空间或囊泡转运到细胞质。为了防止锌过载，细胞质中的锌水平由ZnT1严格调控，ZnT1是主要的锌排出泵，将多余的锌排出细胞外31。尽管ZnT10传统上被认为位于高尔基体和内体中，但在特定条件下（如细胞外锌浓度高或锰水平改变时）也可移动到质膜，参与金属解毒32。此外，ZnT5和ZnT6形成异二聚体，位于高尔基体和内体中，为碱性磷酸酶等酶的金属化提供锌33。ZnT9位于线粒体中，作为锌的出口蛋白，防止线粒体锌过载并维持代谢完整性。最后，一部分ZIP蛋白（如ER中的ZIP7、高尔基体中的ZIP9、ZIP11和ZIP13）支持细胞器特异性的锌信号传导，尽管它们的具体亚细胞定位仍在研究中。虽然一些锌转运蛋白的定位已经明确，但仍有待进一步验证。例如，ZIP7在高尔基体中的定位仍有争议。我们的先前研究表明ZIP7主要位于内体，而ZIP13主要位于高尔基体34。此外，ZIP13的缺失并未引起内体应激，表明其功能与ZIP7不同。这些发现表明ZIP7和ZIP13的定位和功能需要进一步验证。ZIP9和ZIP11在高尔基体/内体中的定位也尚不确定，因为它们缺乏典型的靶向细胞器内的序列基序35。由于核膜与其他细胞器的结构不同，锌转运蛋白在核中的定位证据有限。ZIP11在核中的存在仍有待进一步确认36,37。ZnT9最初被鉴定为细胞质和核受体共激活因子（称为GAC63），基于体外实验和生物信息学预测22,38。然而，最近的进化共进化分析和显微镜研究表明ZnT9主要位于线粒体，作为锌的出口蛋白，其缺失会导致线粒体锌过载和功能障碍39。ZnT10最初被归类为高尔基体蛋白，但后来在早期内体中也观察到其存在，表明其定位可能与锰和锌的排出有关22。这些协调的定位模式确保了锌的精确分布，以支持酶功能、信号通路和应激反应，同时防止细胞毒性积累。通过活细胞成像和邻近标记进一步研究其细胞内定位将有助于澄清剩余的不确定性。除了亚细胞定位外，ZIP和ZnT转运蛋白还表现出不同的组织特异性表达模式，反映了不同器官对锌的不同需求。这些表达模式总结在表1中。

表1：哺乳动物锌转运蛋白的组织分布和功能作用。

细胞内锌的储存：金属硫蛋白和锌金属伴侣蛋白
大部分细胞内锌以结合状态存在，只有少量以自由、易变的形式存在。易变锌池的主要调节因子是金属硫蛋白（MTs），这是一种富含半胱氨酸的低分子量蛋白质，具有高锌结合能力40,41,42,43。MTs每个分子可通过20个半胱氨酸残基形成的巯基簇结合多达七个锌离子，表现出高热力学稳定性和动力学不稳定性，从而实现快速锌交换。这些蛋白质作为细胞内锌库，缓冲锌的瞬时波动，并在氧化、炎症或激素刺激下释放锌。此外，MTs还作为氧化还原传感器；其半胱氨酸残基的氧化会触发锌的释放，使MTs能够精细调节细胞内信号传导和防御机制44,45。MT的表达受到锌状态、应激信号和激素的严格调控，主要通过启动子中的金属响应元件实现，锌敏感的转录因子MTF-1作为激活因子。MT-1和MT-2在大多数组织中表达，而MT-3主要在脑中表达，并最近与骨骼相关46,47。此外，MT-4还与头发和皮肤有关。除了MTs外，其他细胞质分子（如谷胱甘肽和有机酸）也参与锌的弱结合，帮助维持易变锌池的动态平衡。因此，MTs不仅作为锌稳态的缓冲剂和调节因子，还积极参与细胞应激反应。此外，锌金属伴侣蛋白（如最近发现的ZNG148,49,50）有助于将锌定向输送到特定酶或细胞器中，但这些机制仍在研究中。这个严格调控的缓冲系统共同作用，使细胞能够在维持锌的可用性的同时，避免游离锌的细胞毒性效应，从而支持信号传导和酶促功能。图2中也包含了MT和ZNG1，以便于参考。在细胞稳态和疾病中，以细胞器为中心的锌调节机制越来越受到重视：锌不仅被视为一种结构辅因子，还作为一种动态信号离子，在维持细胞完整性方面发挥着特定于细胞器的关键作用。其浓度在细胞内的不同区室中被严格控制，以支持这些区室的多种功能。以下部分探讨了锌在关键细胞器中的分区作用，说明了这些不同的细胞内环境如何依赖锌来实现稳态控制。图3提供了这些特定于细胞器的锌功能的示意图。

锌通过支持依赖锌的蛋白质、酶和信号通路的功能，在主要的细胞器中支持基本的结构、催化和调节过程。该图突出了锌在维持蛋白质稳态、氧化还原平衡、代谢活动、囊泡运输和降解能力方面的关键作用，强调了锌对正常细胞功能的核心贡献。

**细胞核**
细胞核是真核细胞特有的膜结合细胞器，作为细胞的控制中心，负责储存遗传物质并调节基因表达、蛋白质合成、细胞生长和分裂等关键过程。锌构成了细胞核金属池的显著部分，并承担着对细胞核功能至关重要的多种相互关联的角色。据估计，大约30-40%的细胞锌位于细胞核中，其余部分分布在细胞质、细胞器以及特定囊泡中，少量与细胞膜结合。细胞核中的锌池包括紧密结合的结构锌和一小部分参与调节过程的动态不稳定锌。锌在细胞核中的主要作用之一是结构上的，它稳定了依赖锌的核蛋白，如锌指结构域和激素受体。锌指蛋白包含多种结构域，如C2H2、RING、LIM、MYND和PHD结构域，在转录调控、染色质重塑、DNA修复和RNA代谢中起核心作用。锌也是核激素受体功能所必需的，这些受体依赖锌指结构域进行DNA结合和转录调控。锌还作为染色质修饰酶的关键辅因子，通过修饰组蛋白和甲基化DNA来影响表观遗传学。它对几类组蛋白去乙酰化酶（HDACs）的催化活性至关重要，同时也对某些组蛋白乙酰转移酶的结构完整性和功能有影响，这些酶共同调控染色质压缩和基因表达，以及DNA甲基转移酶（DNMTs），后者影响DNA甲基化和谱系决定及基因组印记等过程。除了结构作用外，锌还在细胞核内作为调节信号发挥作用。细胞核内锌的短暂波动可以调节染色质的可及性，并重新分配转录因子在基因组中的结合。例如，急性锌变化会重新编程p53的结合位点并改变其靶基因的表达。此外，金属响应性转录因子MTF-1在锌水平升高时会在细胞核中积累，与金属响应元件结合以诱导MT和其他保护性基因的表达，从而形成一个反馈回路来缓解锌过载。

**内质网**
内质网是位于真核细胞细胞质中、靠近核膜的连续膜结合细胞器，作为蛋白质合成、折叠、质量控制、脂质代谢和钙储存的中心枢纽。内质网可分为两种功能形式：富含核糖体的粗糙内质网，专门负责蛋白质合成；以及缺乏核糖体的光滑内质网，参与脂质代谢和解毒。内质网腔提供了一个有利于二硫键形成的氧化环境，这是蛋白质成熟过程中的关键步骤。在内质网中，锌作为结构、催化和信号传导辅因子发挥关键作用。它对于伴侣蛋白（如蛋白质二硫异构酶和钙网蛋白）的功能至关重要，这些蛋白有助于二硫键的形成并确保蛋白质的正确构象。锌还通过增强抗氧化防御（包括MT和活性氧（ROS）解毒酶如谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化还原酶）来支持内质网的氧化还原稳态。由于内质网在氧化蛋白质折叠过程中是ROS的主要来源，锌的抗氧化功能对于保护蛋白质完整性和维持蛋白质稳态至关重要。此外，内质网功能的一个关键方面是钙的储存和调节。锌通过影响内质网钙释放通道（如瑞安丁受体RyR和肌醇1,4,5-三磷酸受体IP?R）的活性来调节钙信号。PERK活性依赖于锌结合结构域，锌还影响eIF2α的磷酸化，这是转录过程中的一个关键检查点。ERp44也通过组氨酸簇结合锌，调节Ero1α和ERAP1从顺式高尔基体回到内质网的过程。此外，锌还调节BiP、CHOP等伴侣蛋白的表达，这些蛋白可以缓冲错误折叠的蛋白质。通过这些相互作用，锌微调了依赖钙的过程，如细胞凋亡、代谢和应激反应。内质网中的锌稳态由ER/Golgi转运蛋白维持，包括ZIP7这种特异性定位在内质网膜上的转运蛋白。ZIP7在ER膜上释放锌到细胞质中（经过CK2的磷酸化后），从而作为第二信使激活AKT和ERK等信号级联反应。ZIP7还在内质网稳态中起保护作用，因为其抑制会引发内质网应激，使其与内质网相关降解（ERAD）和应激缓解功能相关联。

**高尔基体**
高尔基体是位于核周区域的膜结合细胞器，负责蛋白质和脂质的运输以及货物翻译后修饰。除了这些作用外，高尔基体还调节多种细胞过程，包括有丝分裂、DNA损伤反应、应激反应、自噬、细胞凋亡和炎症。高尔基体还作为短暂的锌储存库，调节细胞质与分泌途径之间的动态锌流动。锌对于维持高尔基体的结构至关重要，例如它通过结合GRASP和Golgin-45等堆叠蛋白，充当高尔基体囊泡的“分子粘合剂”。锌在离子缓冲、结构维持和应激反应调节中也发挥作用。例如，高尔基体α-甘露糖苷酶II（GMII；MAN2A1/MAN2A2）是一种依赖Zn2?的N-糖链加工酶，在N-糖链成熟过程中发挥作用。锌还影响囊泡形成和SNARE依赖的运输，通过提供支持膜组装和融合反应的离子环境。这在高度分泌的细胞（如胰腺β细胞）中尤为重要，因为高效的胰岛素生产依赖于完整的高尔基体功能。高尔基体由于其富含脂质的膜和对严格调控的氧化还原条件的依赖性，对氧化应激敏感。依赖谷胱甘肽的氧化还原缓冲和高尔基体相关氧化还原酶有助于限制ROS，从而保持酶活性和膜完整性。作为动态且对锌敏感的细胞器，高尔基体整合了结构、酶促和信号传导功能，这些功能通过锌稳态得到精细调节。高尔基体中锌转运蛋白的丰富性反映了维持其分泌、糖基化和应激反应功能所需的精细调控。

**线粒体**
线粒体是双膜细胞器，通过氧化磷酸化产生大部分细胞ATP。所有已知的依赖锌的线粒体金属蛋白都在细胞质中合成，并以未折叠的多肽形式导入线粒体，需要在线粒体基质中进行折叠和金属化激活。几种线粒体酶直接依赖锌。内膜金属蛋白酶OMA1含有保守的HEXXH锌结合结构域，切割OPA1以调节线粒体融合、嵴的组织和应激响应性重塑。在线粒体基质中，金属β-内酰胺酶家族RNase ELAC2需要锌来进行tRNA 3′-末端加工，这是线粒体翻译和呼吸复合体组装的关键步骤。线粒体基质蛋白Mzm1也通过维持不稳定的线粒体锌池和稳定bc?复合体（复合体III）来参与锌稳态；Mzm1的缺失会导致线粒体锌减少和在锌限制条件下的呼吸生长受损。锌还通过影响锌敏感的脱氢酶（如ACO2和α-酮戊二酸脱氢酶复合体KGDHC）来调节线粒体代谢，这两种酶对NADH生成和氧化磷酸化效率有影响。锌的波动会影响NADH生成和氧化磷酸化的效率。线粒体锌还与氧化还原调节相互作用，MT可以定位在膜间隙中，其N端β结构域将锌传递给电子传递链的组分，以锌依赖和组织特异的方式调节呼吸作用。线粒体膜间的锌运输由专门的转运蛋白和载体介导。内膜抗转运蛋白ZnT9将锌从基质中输出，维持线粒体内的锌平衡。锌的导入涉及Ca2?激活的Mg-ATP载体SLC25A2，它除了运输其典型底物外，还可以将锌运输到基质中。

**过氧化物酶体**
过氧化物酶体是单膜细胞器，在脂质代谢和氧化还原稳态中起核心作用，负责在β-氧化过程中生成ROS并通过过氧化氢酶等抗氧化酶解毒氢过氧化物。锌作为Cu/Zn-超氧化物歧化酶（SODs）的结构和催化辅因子，对这种抗氧化防御至关重要，这些酶将超氧自由基转化为氢过氧化物。细胞质和过氧化物酶体中的Cu/Zn-SOD异构体都依赖锌保持稳定和活性，MT在氧化应激下释放锌，以微调氧化还原信号和酶表达。这种动态的锌流动使细胞能够调整抗氧化能力、过氧化物酶体增殖和细胞器间的通讯。过氧化物酶体和线粒体还通过密切的相互作用协调脂质氧化和ROS解毒。物理上的连接促进了代谢物交换，而共同的氧化还原信号则同步了适应性反应。当过氧化物酶体催化活性受损时，过量的H?O?会扩散到线粒体中，破坏其动态平衡并加剧氧化应激。锌通过维持抗氧化酶（包括过氧化物酶体Cu/Zn-SOD和线粒体SOD1）和调节氧化还原信号通路来支持这种相互作用。这些观察结果强调了锌在维持过氧化物酶体氧化还原平衡和功能完整性中的重要性。

**内溶酶体系统**
内溶酶体系统包括早期和晚期内溶酶体及溶酶体，负责受体回收、货物降解、营养感应和膜更新，以维持细胞稳态。在内溶酶体内，锌通过稳定依赖锌的结合因子（如锌指蛋白EEA1）来促进结合和融合，确保有效的货物分选和受体回收。锌还促进内溶酶体膜上V-ATP酶的组装，降低腔内pH值以促进配体-受体解离和酶激活；相反，锌缺乏会损害酸化过程并阻碍内溶酶体向溶酶体的运输。除了通过组装调节V-ATP酶活性外，锌还通过激活转录因子TFEB来增强V-ATP酶亚基的表达。囊泡锌转运蛋白ZnT2通过促进V-ATP酶在溶酶体膜上的组装来支持这一过程，从而促进溶酶体生物发生和酸化。秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的研究表明，CDF-2（一种类似ZnT的转运蛋白）和ZIP-2.3（一种类似ZIP的转运蛋白）在溶酶体相关细胞器上的相互调节作用，在锌过量时促进锌的储存，在锌缺乏时促进锌的释放，从而展示了锌的定向流动特性。与这种TFEB依赖的溶酶体系统重塑一致，锌还能诱导溶酶体蛋白酶（包括组织蛋白酶B和D）的表达，从而增强溶酶体的蛋白水解能力。锌还通过HOPS复合体调节溶酶体的连接机制，该复合体的VPS18和VPS41亚基含有对异二聚体形成和复合体稳定性至关重要的锌结合RING结构域，这对自噬体-溶酶体和内体-溶酶体的融合至关重要。锌通过TRPML1通道的短暂释放有助于膜修复和溶酶体功能在损伤后的恢复，突显了锌在维持细胞器完整性方面的作用。

基于前一节中概述的功能作用，细胞器特异性锌稳态的紊乱已被直接与多种人类疾病的分子功能障碍联系起来。本节通过系统地将特定细胞器的分子机制与其相关的临床表现联系起来，总结了锌稳态紊乱的病理后果，如表2所示。

**表2 细胞器特异性锌失衡机制及其病理后果**

**核锌稳态紊乱**
由于锌在核中的结构和调节作用，锌的紊乱可能导致严重的病理后果。锌依赖性锌指蛋白和激素受体的紊乱与多种人类疾病有关，包括神经发育障碍和癌症进展。锌的可用性受到干扰会干扰HDACs和DNMTs的酶活性，而这些酶的异常活性是发育障碍和癌症中观察到的表观遗传不稳定性的特征。有趣的是，锌失衡与ZIP8和ZIP13等锌转运蛋白的过度甲基化和沉默有关，这表明锌状态、转运蛋白表达和核表观遗传调控之间存在反馈循环。此外，锌的丢失会破坏p53的构象，损害DNA修复并促进基因组不稳定。轻度锌缺乏会通过干扰DNA合成和增加DNA损伤，使细胞在细胞周期的S期停滞或进入休眠状态。核转运蛋白ZIP11的紊乱会导致核锌积累，损害细胞增殖，延缓细胞周期进程并触发衰老途径。这些发现共同强调了核锌调控在维持基因组完整性、转录忠实性和健康细胞周期进程中的关键作用。

**内质网锌稳态紊乱**
内质网对锌稳态的扰动非常敏感，腔内或胞质中锌的紊乱会引发适应不良的应激反应，直接导致人类疾病。当内质网锌平衡被破坏时，内质网应激通路被激活，触发未折叠蛋白反应（UPR）。虽然短暂的UPR激活具有保护作用，但长期锌缺乏会放大内质网应激信号，促进细胞凋亡和炎症。锌还调节UPR中的关键节点：PERK的活性依赖于锌结合结构域，锌影响eIF2α的磷酸化，而BiP和CHOP等内质网伴侣蛋白的活性受锌可用性的调节。在体内，锌缺乏本身不会单独引发内质网应激，但在药物诱导的内质网应激条件下，锌缺乏的小鼠表现出促凋亡的p-eIF2α–ATF4–CHOP轴的增强激活，伴随细胞凋亡、脂肪变性和肝损伤。充足的锌摄入可以通过抑制PTP1B来缓解这些效应，显示出锌在内质网应激中的保护作用。

**除了经典的UPR激活外，锌缺乏还会触发与神经退行性疾病相关的其他适应不良内质网应激机制。** 在锌缺乏条件下，野生型SOD1会发生类似突变型SOD1的构象变化，暴露出一个与Derlin-1结合的区域，从而破坏ERAD。这种SOD1介导的ERAD损伤会进一步引发内质网应激，上调锌转运蛋白并抑制蛋白质合成，使SOD1成为连接锌状态与内质网蛋白稳态失败的分子传感器。UPR信号通路和ERAD的缺陷都与神经退行性疾病（包括阿尔茨海默病和肌萎缩侧索硬化症ALS）密切相关，突显了维持适当内质网锌稳态的临床重要性。

**内质网定位的锌转运蛋白ZIP7的紊乱进一步说明了内质网锌失衡的病理后果。** ZIP7的紊乱与某些癌症（特别是乳腺癌和结直肠癌）有关，其中异常的ZIP7信号通路促进了增殖和生存途径。ZIP7还参与铁死亡（ferroptosis）的调控，将内质网锌稳态与非凋亡性细胞死亡程序（如乳腺癌和肾癌及肾脏病理）联系起来。除了这些作用外，ZIP7还能促进ERAD，在药物激活下可以减少内质网应激并挽救蛋白质错误折叠的模型中的损伤。在结缔组织中，ZIP7缺乏会损害蛋白质二硫键异构酶的功能，导致内质网折叠能力受损以及真皮、骨骼和牙齿的发育异常。

**高尔基体锌稳态紊乱**
锌对于维持高尔基体的结构完整性和功能组织至关重要。无论是由于锌耗竭还是转运蛋白功能障碍导致的高尔基体锌稳态紊乱，都会导致囊泡堆叠紊乱、囊泡化和高尔基体碎片化，从而损害囊泡运输和蛋白质分选。这种结构缺陷越来越被认为是疾病的原因之一。特别是高尔基体碎片化与包括ALS和帕金森病在内的神经退行性疾病有关，其中高尔基体应激、运输障碍和分泌蛋白处理缺陷会加剧神经元脆弱性。此外，在锌缺乏期间，糖基转移酶和蛋白酶等酶的功能受损，导致受体运输异常、细胞外基质分解和低糖基化蛋白质的产生，这些缺陷是先天性糖基化障碍的基础。

**线粒体锌稳态紊乱**
线粒体功能障碍的一个关键后果是活性氧（ROS）的过量产生，这会损害蛋白质、脂质、DNA和细胞器。锌诱导的ROS生成及其相关毒性已在多种细胞类型中得到证实。在大鼠心肌细胞中，锌过载会升高ROS水平，破坏线粒体膜电位，触发PINK1/Parkin介导的线粒体自噬。在心脏中，锌通过ERK依赖的STAT3 Ser727位点磷酸化来增强心肌线粒体功能，STAT3随后转移到线粒体中上调ND6并抑制琥珀酸脱氢酶，从而减少ROS生成。在神经元中，过量的细胞内锌会通过耗散膜电位、抑制ATP产生、增加ROS生成和通透性转换、破坏钙稳态以及改变线粒体动态来损害线粒体功能。脊髓损伤后，锌通过调节SIRT3介导的Mfn2，促进健康的线粒体从小胶质细胞转移到受损神经元，从而恢复神经元线粒体，减少氧化应激，恢复ATP产生，提高神经元存活率并改善运动功能。在青光眼中，线粒体Zn2?的积累会导致去极化、通透性增加和线粒体碎片化，包括mPTP开放和线粒体分裂。

**过氧化物酶体锌稳态紊乱**
过氧化物酶体中锌依赖的氧化还原平衡的紊乱会导致生物能量衰竭和氧化损伤。与此一致，过氧化物酶体功能障碍与多种发育、代谢和年龄相关疾病有关。一个典型的例子是Zellweger谱系障碍（ZSD），这些障碍由编码RING型锌指过氧化物酶（如PEX12和PEX10）的基因突变引起，这些过氧化物酶的锌结合基序对过氧化物酶体组装和蛋白质导入至关重要。锌缺乏还会通过损害极长链脂肪酸的β-氧化来进一步损害过氧化物酶体功能。锌可用性的降低会降低过氧化物酶体β-氧化酶的活性，并下调PPARα/γ介导的转录程序，导致极长链脂肪酸积累、氧化应激和代谢失衡。这些分子缺陷有助于解释ZSD的神经发育延迟，并强调了锌状态对脂质代谢和氧化还原稳态的调节作用。

**内吞体-自噬体-溶酶体途径的紊乱**
内吞体-自噬体-溶酶体途径是降解蛋白质聚集物和受损细胞器的主要机制，其紊乱是阿尔茨海默病、帕金森病和ALS等神经退行性疾病的中心驱动因素。酸化受损、融合缺陷和内吞体-自噬体-溶酶体途径通量的减少会妨碍病原性聚集物的清除，提高细胞内的cAMP或游离锌水平已被提出作为恢复受影响神经元溶酶体pH和蛋白水解能力的策略。锌补充可以激活TFEB（溶酶体生物生成的主要调节因子），并改善表达野生型或突变型tau的神经母细胞瘤细胞的自噬通量。同时，锌会迅速诱导溶酶体蛋白酶组织蛋白酶B和D的表达和激活，通过早期V-ATP酶依赖的酸化和后续TFEB介导的转录。这些协调反应比雷帕霉素更有效地促进TFEB向核内的转移，增强溶酶体和自噬基因的表达，并减少磷酸化tau、总tau和p62的积累，突显了锌在恢复溶酶体蛋白水解和自噬方面的治疗潜力。然而，在锌过量情况下，溶酶体不稳定和组织蛋白酶D泄漏到细胞质中可能通过溶酶体-线粒体轴引发线粒体损伤和细胞凋亡。内吞体-溶酶体系统中的锌紊乱还与癌症生物学有关：抗酒精药物双硫仑会破坏内吞体结构并提高乳腺癌细胞内的锌水平，表明锌紊乱与其细胞毒性有关，并提示细胞外锌的可用性影响其疗效。

**内吞体系统中的转运蛋白功能障碍**
ZnT4在阿尔茨海默病患者的小脑中上调，而ZnT6与淀粉样前体蛋白相互作用促进淀粉样β聚集。乳腺癌中观察到ZnT5/6的表达升高，胰腺癌和膀胱癌中ZIP11水平升高与不良预后相关。ZnT5/ZnT6的双等位基因截短突变同样会导致II型先天性糖基化障碍，表现为低糖基化转铁蛋白、骨质减少、发育迟缓和多系统受累。ZnT7向早期分泌途径酶（如糖基转移酶和α-甘露糖苷酶II）供应锌，在蛋白质成熟和代谢调节中起关键作用。ZnT7缺乏会损害胰岛素分泌和脂质代谢，导致2型糖尿病和代谢综合征；ZnT7敲除小鼠表现出全身锌缺乏、生长减缓、瘦体重减少和胰岛素抵抗。这些缺陷揭示了锌依赖的酶促成熟在高尔基体介导的蛋白质质量控制中的核心作用。

**其他方面的锌稳态紊乱**
锌对于维持高尔基体的结构完整性和功能组织至关重要。无论是通过锌耗竭还是转运蛋白功能障碍导致的高尔基体锌稳态紊乱，都会导致囊泡堆叠紊乱、囊泡化和高尔基体碎片化，损害囊泡运输和蛋白质分选。这种结构缺陷越来越被认为是疾病的原因之一。特别是高尔基体碎片化与包括ALS和帕金森病在内的神经退行性疾病有关，其中高尔基体应激、运输障碍和分泌蛋白处理缺陷会加剧神经元脆弱性。此外，在锌缺乏期间，糖基转移酶和蛋白酶等酶的功能受损，导致受体运输异常、细胞外基质分解和低糖基化蛋白质的产生，这些缺陷是先天性糖基化障碍的基础。

总之，细胞器特异性锌转运在维持内质网蛋白稳态、组织完整性和细胞在多种疾病环境中的适应性方面起着核心作用。尽管自20世纪60年代以来人们就已经认识到锌在健康和疾病中的重要性，但针对细胞器的锌疗法仍然是一个不断发展的、大部分尚未探索的领域。在接下来的部分中，我们将重点介绍利用锌生物学特性的最新治疗方法，包括将锌作为细胞内细胞器药理调节剂的研究，以及基于纳米技术的锌材料用于缓解细胞器压力的研究。最近已经进行了许多关于锌补充的临床试验或这些试验仍在进行中176,177，但这些研究并非针对特定细胞器的，因此不在本综述的范围内。

锌补充和药理调节
虽然长期以来人们已经认识到锌可以纠正全身性和细胞内的锌缺乏，但最近的研究特别强调了锌调节细胞器稳态的能力。这些新发现值得我们更加关注，因为它们揭示了锌作为普通微量营养素的传统观点之外的机制机制和治疗潜力。传统的锌补充仍然是纠正细胞内锌缺乏的广泛研究方法。除了全身效应外，最近的研究表明，锌可以通过恢复特定细胞器（尤其是内质网和线粒体）中的锌水平来直接缓解亚细胞压力。例如，研究表明，锌处理可以通过上调ZIP14和ZIP10来减轻猪卵母细胞成熟过程中的内质网压力，并恢复氧化还原稳态，从而改善发育结果121。同样，在暴露于脂毒性应激源的肝细胞中，锌补充可以通过减轻内质网压力和增强抗氧化防御来降低细胞毒性，显示出其保持蛋白质稳态和限制炎症反应的能力178。此外，锌还通过SIRT3–Mfn2介导的途径促进小胶质细胞-神经元系统中的线粒体功能，表明其对细胞器代谢的精确调节作用155。此外，锌补充还被证明可以通过激活TFEB介导的溶酶体生物发生和促进自噬流来增强溶酶体功能103。这些发现表明，靶向给予锌可以调节多个区室中的细胞器完整性、信号通路和代谢功能。然而，一些与锌相关的通路可能不会对锌的补充做出适当反应。例如，在我们最近的一项研究中，锌补充增加了MT-1的表达，但在高尔基体碎片化期间未能恢复高尔基体蛋白的表达73。这表明在某些条件下，锌缺乏和细胞器功能障碍可能会脱钩，体现了锌在细胞器生物学中的复杂性。

纳米技术和生物工程锌输送系统
随着我们对锌在细胞器生物学中作用的理解不断加深，对于能够以高时空精度调节锌流动的靶向输送系统的需求也在增加。纳米技术和生物工程的进步使得开发出能够将锌靶向到特定细胞或细胞器的智能输送平台成为可能。这些系统旨在克服传统补充方法的局限性，实现对锌定位和时间的更精确控制，为减少全身副作用的高度定制化疗法铺平了道路。例如，已经研究了工程化的基于锌的纳米颗粒（如与疾病靶向基团结合的铁氧体纳米颗粒），它们能够选择性地将锌输送到发炎或功能失调的细胞中，触发特定细胞器的反应。在类风湿性关节炎模型中，靶向成纤维细胞激活蛋白（FAP）的铁氧体纳米颗粒通过在FAP表达的滑膜成纤维细胞中激活内质网压力和线粒体功能障碍，从而在发炎关节中实现可控的细胞毒性，同时保护健康组织179,180。同样，在肿瘤学中，基于锌的纳米材料被用来诱导内质网压力和UPR（未折叠蛋白反应），最终导致免疫原性细胞死亡并提高免疫检查点阻断疗法的疗效181,182。最近的创新还利用了基于锌的纳米材料与细胞内细胞器的内在相互作用来增强治疗输送和监测。例如，一种沸石咪唑框架（ZIF-8）衍生的碳点系统（ZCD）被设计用来携带多柔比星，并通过分级尺寸和电荷变化响应酸性肿瘤微环境183。当ZCD在实体肿瘤中积累时，它会分解成较小的中性电荷颗粒，这些颗粒被内吞进入溶酶体并进一步转化为能够靶向高尔基体的正电荷物种。这种从溶酶体到高尔基体的运输使得药物能够深入肿瘤，通过高尔基体介导的跨细胞转运增强抗癌效果。值得注意的是，碳化的ZCD还表现出pH激活的荧光，允许实时监测穿透深度。这些生物工程系统代表了材料科学和细胞生物学的结合，标志着从通用锌补充向利用锌介导的细胞器压力来实现临床益处的设计疗法的转变。

细胞内锌检测工具
准确绘制细胞内锌的分布对于理解其在细胞器功能、信号传导和稳态中的调节作用至关重要。已经开发出多种工具来检测细胞内的锌。其中，荧光小分子探针和基因编码传感器已成为研究活细胞内细胞器中不稳定锌动态的最广泛使用和实际应用的工具。它们结合了所需的灵敏度、空间分辨率、细胞器靶向性和与活细胞成像的兼容性。相比之下，其他技术（如基于质谱的成像、同步辐射X射线荧光和带有元素探测器的电子显微镜）对于定量固定样本中的总锌及其纳米级分布非常有效。尽管这些方法提供了有价值的结构和组成信息，但它们不太适合测量细胞器中的锌动态（表3）。因此，在本综述中，我们重点关注荧光探针技术的进展，这些技术仍然是活细胞中不稳定锌的动态、细胞器特异性成像的金标准。

表3 细胞内锌检测工具总结

用于细胞内锌检测的荧光探针
基于荧光的传感器是最广泛用于监测细胞内锌的工具，特别是活细胞中不稳定的锌池。这些方法利用荧光团在结合锌时改变发射特性的特点，实现锌动态的实时、亚细胞可视化184。小分子探针（如TSQ和Zinquin）在20世纪90年代开创了活细胞成像技术，尽管早期设计受到选择性和细胞器特异性不足的限制185,186。多年来，探针设计不断发展，包括更具选择性和光稳定性的荧光团、用于深层组织成像的近红外和双光子探针，以及针对线粒体、高尔基体、细胞核或内质网的细胞器靶向传感器。21世纪初出现了基因编码传感器，作为比率计量、可逆和细胞器特异性锌成像的替代平台。开创性的设计如eCALWY和ZapCY利用由锌结合域连接的两个荧光蛋白之间的荧光共振能量转移62,187。最近的创新旨在克服早期的局限性，并提高细胞内锌检测的空间和时间分辨率。例如，出现了具有最小重叠的锌超分辨率靶向成像技术，该技术结合了结构化照明显微镜和专门设计的荧光团，能够选择性地定位到不同的细胞器，实现小于100纳米的分辨率，同时最小化光谱重叠188。为了应对特定细胞器的pH值和氧化还原环境，开发了低pH敏感性和高亲和力的可开启锌荧光探针（ZnDA-2H和ZnDA-3H），使用HaloTag技术将其靶向细胞质、细胞核、内质网和线粒体，从而实现不稳定锌分布的精确量化189。针对内质网，开发了一种治疗性Ir(III)复合物（Ir-ER-Zn），它结合了锌响应性荧光和内质网靶向，能够在免疫原性细胞死亡过程中监测锌动态，同时诱导内质网压力并增强抗肿瘤免疫190。对于高尔基体，开发了一种使用三苯甲基保护半胱氨酸基团的小分子探针，能够在生理和氧化应激条件下选择性地成像移动的锌191。最近，一种高灵敏度、选择性和强pH稳定性的比率计量荧光纳米传感器（Golgi-Zn）使得能够定量监测高尔基体中的锌，揭示了纳米塑料暴露会增加高尔基体中的锌水平，并将锌稳态与纳米塑料引起的压力联系起来192。此外，还开发了一种小分子探针ZnDA-1H，具有低pH敏感性和高锌选择性，用于靶向高尔基体。使用这种探针，估计HeLa细胞中的高尔基体锌浓度为25±1 nM，支持不稳定锌在分泌途径调节中的作用193。由于核锌主要以紧密结合的形式存在，与蛋白质相关，因此无法通过荧光指示剂检测到，后者仅报告可螯合的、松散结合的锌部分194。总的来说，这些进展提供了强大的工具，能够在细胞器水平上以高空间和时间分辨率可视化锌动态，加深了我们对锌在细胞生理和病理学中分室化作用的理解。

未来展望
总体而言，前面的章节强调了锌作为严格调控的细胞稳态调节剂的作用，其紊乱直接导致人类疾病。尽管有这种机制上的认识，但对锌状态的临床评估仍然主要局限于全身性测量，这无法充分反映细胞内分布或细胞器特异性功能障碍。弥合这一差距是一个关键的转化挑战，也是改进诊断和治疗策略的机会。如图4所示，短期重点在于提高体内细胞器特异性锌失调的临床可解释性，而长期目标则是超越通用补充，转向能够以亚细胞精度调节锌处理的干预措施。

图4：细胞器靶向锌研究的未来转化机会。
此图像的替代文本可能是使用AI生成的。

示意图概述了将锌分室化的机制见解转化为临床应用所需的短期和长期研究方向。短期重点在于开发生物标志物、基于组学的特征和功能测定方法，以检测体内的细胞器特异性锌失调，而长期目标则聚焦于细胞器定向输送平台、转运体选择性调节和基于基因的策略。这些阶段共同定义了从基础锌生物学到精准干预的转化路径。

短期重点：细胞器水平锌失调的生物标志物
当前临床实践的一个主要限制是循环锌浓度对细胞内锌分布或依赖锌的细胞器的功能状态提供的信息很少。因此，短期的转化进展将依赖于开发能够更直接捕捉细胞器特异性锌失衡下游后果的诊断策略，即使这些后果是间接的。

转化成像和传感方法
继续开发对锌敏感的探针和成像模式，使其超越纯粹的实验系统，达到临床兼容的读数是必不可少的。尽管直接量化患者体内的细胞器锌池仍然不现实，但诸如细胞器偏好的示踪剂、比率计量报告器和适应组织或活检样本的成像策略等进展可能实现体内锌失调的空间分辨评估。

可访问的锌依赖性细胞器功能障碍的多组学特征
细胞器特异性锌失衡会产生特征性的转录、蛋白质组和代谢组学后果，这些后果可能在血液、脑脊液或尿液等可获取的生物样本中检测到。识别和验证这些特征可能实现锌依赖性细胞器压力的可扩展、间接监测，类似于目前临床使用的线粒体或内质网压力生物标志物。

作为实际代理的功能途径读数
量化锌敏感细胞器途径活性的测定，如分泌途径处理、糖基化能力、UPR激活或溶酶体蛋白水解，可能为腔内锌可用性和转运体性能提供临床可行的代理指标。尽管这些方法不直接测量锌，但它们可能对疾病分层和治疗监测具有更大的相关性。

长期重点：细胞器靶向锌调节
核心治疗目标是从非特异性的全身锌补充进展到能够以疾病相关方式调节特定亚细胞区室中锌处理的干预措施。

细胞器定向输送平台
开发能够进行亚细胞靶向和控制锌释放的输送系统仍然是一个主要挑战。基于纳米技术的平台和生物工程载体提供了将锌或锌调节剂集中到特定细胞器中的有希望的途径，同时最小化脱靶再分布和全身毒性。

转运体选择性药理调节
对锌转运体的结构和功能理解的不断深入，为开发能够选择性地调节单个转运体或其调节剂的小分子提供了可能性。这样的方法可以精细调节细胞器特异性锌流动，而不会广泛改变总体细胞锌水平。

针对单基因疾病的基因和蛋白质稳态策略
对于由单一转运体缺陷驱动的疾病，基于基因的疗法和药理学伴侣分子可以恢复突变锌转运体的适当运输、稳定性和功能，代表了可行的长期策略。这些方法符合新兴的精准医学范式，可能提供持久的细胞器特异性锌失调纠正。

结论
锌作为细胞器生理学的统一调节剂，支持基因组稳定性、蛋白质折叠、代谢平衡、囊泡运输和降解能力。尽管各个细胞器对锌的依赖方式不同，但这些作用通过一个相互连接的转运体、微管和新兴的金属伴侣网络协调，根据细胞需求动态重新分配锌。这一网络的破坏会导致细胞器特异性失衡，进而引发广泛的细胞功能障碍，包括神经退行性疾病、癌症、代谢疾病和发育障碍。重要的是，这些发现为循环锌测量的有限诊断价值和非特异性锌补充的变异性临床疗效提供了机制上的解释。从细胞器中心的角度来看，与锌相关的病理学更好地理解为细胞内锌处理的障碍，而不是统一的缺乏或过量状态。这种概念上的转变具有直接的临床意义，它将锌代谢失调重新定义为一种与锌在细胞内的定位、运输以及特定信号通路中的脆弱性相关的问题。因此，将锌的稳态视为一个在细胞器层面得以调控的过程，为解释疾病机制和治疗反应提供了更准确的框架，并有助于将锌生物学知识整合到精准诊断和治疗方法中。