锌对免疫功能的多重影响

摘要

尽管锌对人体的几乎所有过程都至关重要，但缺锌期间的观察表明，这种微量元素的缺乏对免疫反应的影响最为严重。对免疫系统中锌的细胞和分子需求的大量研究表明，锌的这种重要性不仅仅是一种功能。事实上，锌在免疫中有多种不同的作用。本文综述了三个主要领域的最新进展：锌在信号转导中作为第二信使的作用，锌对免疫细胞功能的重要性，以及宿主与病原体之间的锌竞争，这一概念称为营养免疫。

图形摘要

本文综述了锌免疫生物学的最新进展：锌作为第二信使的作用，锌对免疫细胞功能的重要性，以及锌在宿主和病原体之间的竞争。

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介绍

微量元素锌对许多器官系统至关重要，几乎人类生物学的每个方面都以某种方式涉及锌。¹特别是，50多年来人们都知道锌是免疫系统的一个重要因素。²因此，通过补充锌来缓解锌缺乏症可以降低腹泻和肺炎等传染病的死亡率，^三锌还影响免疫系统的其他功能，如肿瘤免疫学。⁴多年来，已经确定了这种重要性背后的几种免疫和生化机制。⁵首先，锌是大量蛋白质的组成部分。根据生物信息学研究表明，人类蛋白质组中2400到4000种酶和相当数量的转录因子都含有已知的锌结合基序。^6,7此外，近年来，人们对锌的进一步免疫作用的了解迅速增加。锌在免疫中的作用的全面概述将不作为本次小综述的主题，因为它已在许多以前的综述中进行了总结。^8–11相反，将提供锌免疫生物学三个主要方面的最新进展：（1）锌在免疫细胞信号转导中的作用，（2）锌对免疫细胞功能的影响，以及（3）宿主和病原体之间的锌竞争，这被称为“营养免疫”。

免疫防御依赖于两大类细胞，它们都在多个层面上依赖锌：¹²先天性和适应性免疫细胞。先天免疫细胞介导免疫反应的直接部分。¹³它主要由巨噬细胞和中性粒细胞维持，它们直接攻击不同的病原体，如细菌和真菌。适应性免疫由B细胞和T细胞介导。通过体细胞重组，每个新形成的B和T细胞都有一个单独的受体，有可能识别和结合一个随机的生物结构，即所谓的抗原。在感染过程中，巨噬细胞和树突状细胞（DC）吞噬病原体，并将其抗原呈递给T细胞(图1). 在无数具有不同受体的不同T细胞中，识别感染病原体抗原的T细胞被激活，这些细胞的数量因增殖而增加。B细胞的主要功能是产生抗体，抗体的作用是中和病原体，或使其标记为受到其他免疫细胞或可溶性因子的攻击。T细胞可进一步分为T辅助细胞（T_H（H）)支持其他免疫细胞功能的细胞，以及直接消除病毒感染细胞和肿瘤细胞的细胞毒性T细胞。

免疫细胞信号中的锌

锌生物化学最令人兴奋的进展之一当然是它在免疫细胞中作为第二信使的分子作用。^14,15越来越多的信号通路被发现涉及锌信号，包括T细胞受体和细胞因子白介素（IL）-2激活T细胞，^16–18岁T细胞被激活后对其增殖的主要刺激。此外，锌信号是对免疫细胞激活的反应通过一种类型的抗体结合受体，即所谓的Fcε受体，位于其表面，^19,20以及模式识别受体（PRR）触发后。^21–23后者主要存在于先天免疫系统的细胞上，使其能够识别保守的病原体相关分子模式（PAMP）。其中一种PAMP是脂多糖（LPS），它是革兰氏阴性菌细胞壁的一种成分，并激活其相应的PRR Toll样受体（TLR）4。对TLR4应答的锌信号的研究先前给出了矛盾的结果。DC的激活通过TLR4导致导入蛋白ZIP6的表达减少，从而也减少了游离的细胞内锌，这是这些细胞成熟所需的事件。²³相反，LPS通过上调ZIP8导致巨噬细胞内锌升高。²⁴巨噬细胞中游离锌的快速增加被证明是直接抑制蛋白酪氨酸磷酸酶（PTP）所需的锌信号，从而保留TLR4诱导的磷酸化信号。²²其中一些差异很可能是基于研究TLR4信号的不同细胞类型。然而，我们小组最近的一篇论文表明，TLR4的两个主要细胞内信号通路（来源于衔接蛋白MyD88或TRIF）受到锌的差异调节。早期锌信号是磷酸酶抑制和通过MyD88信号通路产生炎性细胞因子所必需的，而后期的基础锌水平对TRIF依赖性细胞因子干扰素（IFN）-β的产生产生负调节，干扰素是致病性活性氮物种一氧化氮，以及表面分子CD80和CD86的mRNA表达，²¹在抗原提呈期间有助于T细胞活化。值得注意的是，后者以前也被证明受到DC中锌的负调控。²³因此，锌似乎在TLR4信号中具有多个靶点，并可能在平衡TLR信号的两个分支中发挥作用。除TLR3外，其他几个TLR（1、2、5、6、7、8和9）也会触发锌信号，这一观察结果支持了这一点。值得注意的是，TLR3也是唯一一个专门发出信号的TLR通过TRIF，而不是通过锌依赖性MyD88途径。²¹

锌在信号转导中的作用并不局限于作为一种普通的PTP抑制剂，它选择性地阻断所有细胞酪氨酸残基的去磷酸化。首先，PTP对锌抑制的敏感性在很大的浓度范围内不同。有些浓度甚至可能太高，根本不可能在活细胞中发生，而PTPβ具有K_我锌的值为21 pM，表明该酶在细胞内游离锌的生理水平上以锌抑制形式存在，而游离锌可能只有通过离子的去除才能被激活。²⁵其次，锌信号的亚细胞定位使细胞内锌稳态成为人们关注的焦点。它由ZIP（SLC39A）和ZnT（SLC30A）家族的锌转运蛋白控制，²⁶其中一些锌转运蛋白被证明参与调节免疫细胞的活动(表1). 例如，ZIP6调节细胞外锌的流入，以响应T细胞受体（TCR）的刺激。这导致受体细胞内区域附近出现局部锌信号，抑制SHP-1的募集，SHP-1是一种对TCR信号产生负面影响的磷酸酶。因此，锌信号通过激酶ZAP70和细胞质特定区域的钙离子增强下游信号。¹⁸

锌的细胞免疫功能

尽管数十年来，数千个研究小组对免疫系统进行了研究，但新的细胞免疫功能仍在探索中，随后，锌在这些事件中的作用也被描述。其中一个例子是中性粒细胞胞外陷阱（NETs），这是中性粒细胞核抵抗细菌和真菌的一种防御机制。在NET形成过程中，中性粒细胞释放DNA基质，作为组蛋白和抗菌蛋白的支架，在其中捕获细胞外病原体。²⁷依赖于蛋白激酶C（PKC）的细胞内锌的氧化释放是导致NET形成的ROS依赖性信号转导的重要组成部分。²⁸

另一个方面是T的极化_H（H）细胞分化成不同的亚群(图1). T型_H（H）细胞调节其他免疫细胞的功能。这包括激活巨噬细胞，通过T细胞杀死被吞噬的病原体_H（H）1细胞，支持B细胞从T细胞产生抗体_H（H）2细胞，T增加炎症_H（H）17细胞，或调节性T细胞下调免疫反应。随着对各种T的不断增长的了解_H（H）锌在这些事件中的作用已经被阐明。初步观察表明，锌改变了细胞介导（T_H（H）1） 和体液（T_H（H）2） T的豁免权_H（H）1.这涉及上调分化为T细胞的两个关键因子的表达_H（H）1细胞：细胞因子IFNγ和转录因子T-bet。²⁹

此外，锌已被证明能抑制几种T细胞介导的免疫反应。人类受试者补充锌一周后，混合淋巴细胞反应受到抑制离体移植后异基因免疫反应模型。³⁰在小鼠中，锌治疗抑制T_H（H）17发展和相关的自身免疫性疾病，³¹降低了实验性自身免疫性脑脊髓炎（多发性硬化动物模型）的严重程度评分。³²我们小组未发表的数据表明，补锌可以促进另一种T细胞的形成_H（H）亚群，调节性T细胞，减少同种异体T细胞（T_H（H）1） 和过敏（T_H（H）2） 反应和T_H（H）17介导的自身免疫性脑脊髓炎。

锌与营养免疫

“营养免疫”的概念最初是针对铁而提出的，但现在已扩展到包括锌在内的其他必需微量元素。³³它描述了寄主和入侵病原体之间对一种重要资源的竞争，在这种竞争中，两者都努力控制其可用性。对于病原体来说，锌是生存和传播所需的基本营养素，细菌蛋白质组中约5%由含锌蛋白质组成。⁶只有0.1%的全身锌位于血浆中。这意味着99.9%在细胞内，因此细胞外病原体不容易接触到。此外，大多数血浆锌与蛋白质结合，进一步降低了其可用性。因此，隔离相对较小的剩余未结合血浆锌池似乎是剥夺病原体必需营养素的一种简单方法，并且在免疫反应过程中通过几种不同的机制加以利用(图2). 除了屏障和免疫系统的直接攻击之外，这是宿主先天免疫防御的一种有效的进一步策略，以保护身体免受感染。

在系统水平上，已广泛研究了炎症期间锌的再分配。²⁶中枢事件包括炎症细胞因子，如IL-6，导致肝细胞ZIP14转运体上调。随后，金属硫蛋白（MT）结合的锌在肝脏中积聚，从而降低血浆锌水平。³⁴低血清锌与儿童感染性休克预后不良相关³⁵动物败血症模型。^36,37这些数据表明，锌补充剂可能是一种有价值的治疗败血症的工具。然而，如Wong小组所示，在腹腔内败血症的小鼠模型中，只有预防性补锌（很可能改善免疫系统的锌状态）是有益的，而在诱导败血症后多次尝试通过补充锌来获得类似的结果是无效的。³⁸锌缺乏导致免疫细胞受损，可能导致细菌清除受损，从而使细菌更有效地传播。或者，缺锌会加剧炎症反应，可能会增加最初的炎症反应，包括对宿主组织的附带损伤。³⁹在脓毒症发病前通过补锌恢复免疫功能似乎是有益的，但用锌治疗急性感染有可能通过取消营养免疫而挫败对免疫系统的有益影响。

除了全身范围的变化外，S100家族的一些抗菌肽还通过局部螯合锌发挥作用。这些蛋白在暴露于T的角质形成细胞中上调_H（H）17种细胞因子。⁴⁰S100A7蛋白（银屑病蛋白酶）由角质形成细胞分泌并杀死大肠杆菌通过隔离锌。⁴¹中性粒细胞分泌钙保护素（一种S100蛋白A8和A9的异二聚体，也称为钙粒蛋白a/B或MRP 8/14）抑制金黄色葡萄球菌通过锌和锰的隔离在脓肿中。⁴²钙保护素占中性粒细胞中细胞质蛋白含量的50%，浓度可达1毫克毫升⁻¹脓肿。³³一个体内钙卫蛋白的锌螯合作用作为一种致病机制的相关性已在几种感染模型中显示出来。^43–46在NETosis期间，50%到60%的细胞总钙保护素被外化，一半被外化到周围的液体中，一半被内化到NETs中。⁴⁶这里，钙保护素引起锌限制的微环境。作为NETs的组成成分，钙卫蛋白对其抗真菌活性有重要作用白色念珠菌和新生隐球菌钙保护蛋白的免疫耗竭或锌的添加是可逆的²⁺和锰²⁺.⁴⁶致小鼠肺炎性脓毒症模型的建立肺炎克雷伯菌在S100A9缺陷的动物中显示出更高的细菌负荷，并且在体外研究表明，NET介导的生长抑制肺炎克雷伯菌涉及钙保护素，并通过添加锌进行逆转。总之，这些结果表明锌螯合作用可能是钙卫蛋白的致病作用的机制。⁴³革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性铜绿假单胞菌也易受NET相关钙保护素的影响在体外,⁴³钙保护素介导的锌螯合作用²⁺有助于抑制烟曲霉NETs菌丝。⁴⁷

金属离子吸收系统是许多病原体的重要毒力因子。⁴⁸对于几种细菌，ZnuABC系统已被证明是感染过程中的一个重要因素，这表明对抗缺锌可能是成功感染的一般要求。³³不仅如此鼠伤寒沙门菌通过ZnuABC转运体表达克服肠道炎症期间钙保护素介导的锌饥饿。此外，这种机制非常有效，甚至可以提供鼠伤寒沙门氏菌与其他微生物相比，在感染肠道粘膜定植方面具有竞争优势。⁴⁴尽管如此，病原体对缺锌的反应超出了输入蛋白的高表达，例如,白色念珠菌通过分泌蛋白质Pra1清除内皮细胞锌。然后Pra1与真菌重新结合通过锌转运蛋白Zrt1输送锌。⁴⁹

值得注意的是，病原体并不局限于单一的防御策略。最近的两篇论文说明了这一点脑膜炎奈瑟菌可以利用至少两种不同的机制来克服锌限制。一方面，高亲和力锌摄取受体ZnuD阻止NET介导的脑膜炎双球菌增殖。⁵⁰另一方面，脑膜炎双球菌对锌限制的反应是另一种特别优雅的防御机制，包括外膜蛋白CbpA的高表达。它作为钙保护素的受体，使脑膜炎双球菌获取钙保护素结合锌作为营养素。⁵¹

最近的一些论文报道，在病原体被巨噬细胞吞噬后，对锌的竞争仍在继续。值得注意的是，这些免疫细胞使用两种相反的策略杀死吞噬体内的微生物；要么因锌隔离而饥饿，要么因锌过量而中毒。除了自然抵抗相关巨噬细胞蛋白（NRAMP）-1对铁和锰的剥夺外，巨噬细胞还破坏其吞噬体内的病原体，例如结核分枝杆菌通过积累有毒的锌和铜。⁵² 结核分枝杆菌巨噬细胞的吞噬体中暴露于大量的锌，并显示出重金属中毒的迹象。A P公司₁-型ATP酶具有抗锌中毒的能力，并且已经证实了一种类似的策略大肠杆菌和转运蛋白ZntA。⁵³锌的积累需要NADPH氧化酶的活性，这导致了这样一种假设，即锌是从细胞溶质MT中氧化释放出来的，然后被泵入内质小室。⁵³

在一份报告中，锌中毒也被认为是一种针对肺炎链球菌，正在执行通过抑制锰吸收。⁵⁴然而，这不仅与上述研究相矛盾，这些研究报告称，全身锌缺乏是对炎症的普遍反应。它还描述了血清锌含量增加到600μM以上，超过了许多组织中的浓度。即使这些结果得到证实，仍然存在两个悬而未决的问题：如此高的锌来源于何处，以及宿主如何耐受对其有毒的浓度？

有报道称荚膜组织胞浆菌.⁵⁵在这里，锌从吞噬体中被去除，或者储存在与MT结合的细胞质中，或者通过ZnTs 4和7运输到高尔基体中。奇怪的是，更多的锌被从细胞外空间吸收通过乍一看，巨噬细胞在试图将锌从病原体中清除的同时吸收更多锌似乎不合逻辑，但锌缺乏会导致荚膜梭菌更容易受到活性氧的影响。⁵⁶因此，缺锌可通过两种方式发挥作用：直接损害病原体的生长或存活，同时间接促进ROS介导的宿主防御机制。另一方面，对于巨噬细胞来说，锌和MT具有相当大的抗氧化能力。⁵⁷因此，免疫细胞可能利用锌饱和MT的积累来提高其对活性氧物种的耐受性，而剥夺病原体的锌会破坏后者的抗氧化能力。杀死吞噬的病原体涉及氧化爆发，即，活性氧和氮物种的大量产生以及细胞内锌分布的变化可能有助于有效的细胞内病原体清除。⁵⁸

到目前为止，巨噬细胞如何决定何时因缺锌而伤害病原体，何时因过量锌而使病原体中毒，仍然令人困惑。⁵⁸细菌已经进化出能够克服锌缺乏的转运蛋白，包括ABC家族转运蛋白和依赖于TonB的转运系统，如ZnuD，以及抵抗中毒的机制，如P型ATP酶、阳离子扩散促进剂（CDF）和RND家族转运蛋白。⁴⁸也许巨噬细胞的差异反应反映了对单个传染源的特定敏感性的适应反应，尽管我们还不知道巨噬细胞如何识别这种敏感性。

结论

总之，最近的发现为锌的多方面免疫生物学提供了一个有趣的新视角。它们最终使我们更接近于了解许多年前描述的缺锌和补锌导致的免疫学变化。补充锌对解决锌缺乏引起的免疫功能障碍当然很重要。然而，锌作为一种药物在感染期间的治疗应用似乎更为复杂。必须考虑锌对免疫系统的所有不同影响，以便在不干扰免疫反应中的其他锌依赖过程的情况下实现预期的治疗效果。

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