《The Journal of Nutrition》：Zinc deficiency altered the distribution of calcium of the body and decreased bone mineral density by inhibiting calmodulin in rats
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鋅缺乏通過(guò)鈣調(diào)蛋白介導(dǎo)的鈣代謝紊亂降低骨密度——基于動(dòng)物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的研究。
華寧|趙家麗|黃曉彩|于青麗|宋欣宇|范琳娜|田珍|王濤濤|王帆|王茂清
中國(guó)哈爾濱醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院營(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生系，國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科：營(yíng)養(yǎng)與食品衛(wèi)生，哈爾濱，150081
摘要
背景
鋅（Zn）是骨骼生長(zhǎng)、發(fā)育和維持骨密度（BMD）所必需的微量元素。盡管已知鋅缺乏會(huì)干擾鈣（Ca）的代謝，但這種代謝紊亂是否直接導(dǎo)致骨密度降低仍不清楚。
目的
本研究旨在探討鋅缺乏如何通過(guò)干擾全身鈣代謝來(lái)影響骨密度。
方法
本研究包括兩個(gè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)1中，35天大的雄性Wistar大鼠分別被喂食正常鋅飲食（30 mg/kg，NZG）、低鋅飲食（10 mg/kg）或配對(duì)喂食正常鋅飲食（30 mg/kg），持續(xù)4周。在實(shí)驗(yàn)2中，28天大的雄性Wistar大鼠接受相同的飲食處理，持續(xù)5周。測(cè)量了股骨的重量、長(zhǎng)度、形態(tài)和骨密度，以及鈣（Ca）和鈣調(diào)蛋白（CaM）的水平。通過(guò)補(bǔ)充的細(xì)胞和分子實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證體內(nèi)發(fā)現(xiàn)并探索其潛在機(jī)制。使用獨(dú)立t檢驗(yàn)和ANOVA分析組間差異。
結(jié)果
在兩個(gè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，低鋅飲食組的股骨重量和骨密度均顯著低于正常鋅飲食組（P<0.05）。在實(shí)驗(yàn)2中，低鋅飲食組的大鼠還表現(xiàn)出股骨長(zhǎng)度較短、骨小梁數(shù)量減少以及皮質(zhì)厚度降低。此外，這些大鼠的尿液、糞便和肝臟中的鈣水平較低，而血清和骨骼肌中的鈣水平較高（P<0.05），表明鋅缺乏會(huì)擾亂組織間的鈣分布。血清和骨骼肌中的鈣調(diào)蛋白水平也降低（P<0.05）。C2C12細(xì)胞中的低鋅培養(yǎng)條件使細(xì)胞內(nèi)鈣水平升高，并下調(diào)了鈣調(diào)蛋白的mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)。值得注意的是，鈣調(diào)蛋白1的過(guò)表達(dá)逆轉(zhuǎn)了鋅缺乏引起的細(xì)胞內(nèi)鈣失調(diào)。
結(jié)論
我們的結(jié)果表明，鈣調(diào)蛋白在鋅缺乏引起的鈣代謝紊亂和骨密度降低中起著關(guān)鍵作用。
引言
鋅（Zn）是骨骼生長(zhǎng)、發(fā)育和維持骨密度（BMD）所必需的礦物質(zhì)[1][2][3]。鋅缺乏與多種模型中的骨骼生長(zhǎng)受損和骨密度降低有關(guān)，包括動(dòng)物[4][5]、嬰兒[6]、兒童和青少年[7][8][9]。鋅具有雙重生理作用：它促進(jìn)成骨細(xì)胞的骨形成，同時(shí)抑制破骨細(xì)胞的骨吸收[10][11]。因此，鋅補(bǔ)充已被證明可以減輕骨丟失并改善多種骨骼疾病的骨密度[1][12][13][14]。
鈣（Ca）直接參與骨骼的發(fā)育和代謝，充足的鈣攝入對(duì)于維持最佳的骨骼健康和正常的骨密度至關(guān)重要。慢性鈣缺乏是導(dǎo)致骨密度降低（如骨質(zhì)減少和骨質(zhì)疏松癥）的重要因素。值得注意的是，鈣和鋅在細(xì)胞水平上表現(xiàn)出拮抗作用[15][16]；雖然鈣是許多細(xì)胞激活過(guò)程所必需的，但鋅通常起到抑制作用[17][18]。鈣通道功能受損被認(rèn)為是鋅缺乏相關(guān)的關(guān)鍵生化紊亂之一[19][20]。此外，鋅缺乏會(huì)減少尿鈣排泄并增加鈣的保留，導(dǎo)致血液細(xì)胞、血小板和組織中的鈣濃度升高[21][22]。因此，充足的鋅對(duì)正常的鈣代謝至關(guān)重要[23]；相反，鋅缺乏會(huì)擾亂全身鈣的穩(wěn)態(tài)。然而，鋅缺乏引起的骨密度降低是否與鈣代謝的變化有關(guān)仍不清楚。
鈣調(diào)蛋白（CaM）是廣泛存在的鈣離子（Ca2?）介導(dǎo)的信號(hào)通路的調(diào)節(jié)因子，在鈣離子結(jié)合時(shí)被激活，但在鋅缺乏條件下會(huì)被抑制[17][18]。這種抑制作用為鋅對(duì)鈣離子活性的拮抗效應(yīng)提供了合理的分子解釋[21]。基于這一機(jī)制，我們提出鋅缺乏會(huì)改變鈣調(diào)蛋白的表達(dá)或功能，從而擾亂鈣離子代謝，最終導(dǎo)致骨密度降低——這種關(guān)系仍有待進(jìn)一步闡明。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，本研究分兩個(gè)階段進(jìn)行。首先，我們?cè)u(píng)估了輕度鋅缺乏對(duì)大鼠模型中鈣代謝及相關(guān)激素變化的影響，主要結(jié)果是骨密度、骨骼形態(tài)和鈣調(diào)蛋白表達(dá)的變化。隨后，應(yīng)用細(xì)胞和分子生物學(xué)技術(shù)來(lái)驗(yàn)證動(dòng)物模型的發(fā)現(xiàn)并闡明其潛在機(jī)制。我們的體內(nèi)和體外結(jié)果共同提供了新的證據(jù)，表明鋅缺乏通過(guò)抑制鈣調(diào)蛋白來(lái)擾亂全身鈣代謝——特別是其分泌和重新分布，最終導(dǎo)致骨密度降低。
本研究包括兩個(gè)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，具體見(jiàn)圖S1。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，從北京維塔爾河實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司獲得了45只4周大的雄性Wistar大鼠，并在受控條件下單獨(dú)飼養(yǎng)（12小時(shí)光照/黑暗周期，24 ± 1 °C，50% ± 5%相對(duì)濕度）。經(jīng)過(guò)一周的適應(yīng)期后，大鼠（5周大）被隨機(jī)分為三組（每組15只）：正常鋅飲食組（NZG）、低鋅飲食組（LZG）...
在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，低鋅飲食組（LZG）的大鼠食物攝入量顯著低于正常鋅飲食組（NZG）和配對(duì)喂食正常鋅飲食組（PZG）（圖1A）（P<0.05）。如圖1B所示，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)第三周和第二個(gè)實(shí)驗(yàn)第二周的低鋅飲食組大鼠的體重低于NZG和PZG大鼠（P<0.05）。在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，LZG組的鈣攝入量也顯著低于NZG組（圖1B），并且LZG組的血清鋅濃度也顯著降低（P<0.05）...
鈣與骨骼發(fā)育直接相關(guān)，鋅缺乏會(huì)導(dǎo)致骨密度降低[5][12][26]。然而，骨密度降低如何與鋅缺乏下的鈣吸收、排泄和全身分布的變化相關(guān)聯(lián)，以及哪些分子機(jī)制介導(dǎo)這些過(guò)程，目前尚未完全了解。為此，我們測(cè)量了血清、糞便和尿液中的鈣濃度，并確定了多種組織和細(xì)胞類型中的鈣和鈣調(diào)蛋白水平...
[29]; [30]
作者的責(zé)任如下——HN、FW、MW：構(gòu)思并設(shè)計(jì)了整個(gè)研究；JZ、QY、XS、LF、ZT：進(jìn)行了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)；HN、XH、LF、ZT：進(jìn)行了細(xì)胞實(shí)驗(yàn)；TW、MW：撰寫了手稿；所有作者：閱讀并批準(zhǔn)了最終稿件。
這項(xiàng)動(dòng)物研究是根據(jù)哈爾濱醫(yī)科大學(xué)的機(jī)構(gòu)指南進(jìn)行的，并獲得了該校動(dòng)物護(hù)理和使用委員會(huì)的批準(zhǔn)。
本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：82173514、82373566和81973036）的資助。圖6和補(bǔ)充圖1由Figdraw（網(wǎng)址：www.figdraw.com）繪制。
作者未報(bào)告任何潛在的利益沖突。
