5.1. 아연 신호는 인산가수분해효소와 키나제 활동을 조절할 수 있습니다

세포 표면 수용체에 의해 감지된 초기 자극의 핵 내 유전자 발현으로의 변환은 주로 연속적인 계단식으로 한 신호 분자에서 다음 신호 분자로 인산 잔류물을 전달함으로써 매개됩니다[ 110 ]. 여기서 신호 단백질의 티로신, 세린 및 트레오닌 잔류물은 대부분의 경우 인산 잔류물의 수용체입니다. 인산화는 단백질 키나제에 의해 매개되는 반면, 단백질 인산화효소는 인산을 제거하는 역할을 합니다. 여러 연구의 티로신 인산화에 대한 결과를 결합하면 아연이 단백질 티로신 키나제(PTK) 및 인산화효소(PTP)의 활성에 대한 결정에 영향을 미치므로 인산화가 아연 수준에 의해 균형을 이룬다고 가정할 수 있습니다. 표적 단백질의 인산화는 해당 단백질의 활성화 또는 비활성화를 초래할 수 있으며 각 경우를 구체적으로 조사해야 합니다[ 111 ].

대부분 Src 계열에 속하는 여러 PTK가 아연 의존적 방식으로 작용하는 것으로 나타났습니다. 여기서 아연은 표적 분자의 인산화를 지원했습니다. 예로는 알츠하이머 환자에서 발견되는 p60c-Src, 수용체 티로신 계열의 구성원인 이형성 림프종 키나제, 브루톤 키나제(BTK) 및 미토콘드리아 Src 티로신 키나제가 있으며, 이는 다양한 세포 구획의 키나제가 아연 수치의 영향을 받을 수 있음을 보여줍니다[ 112 , 113 , 114 , 115 , 116 ].

면역 세포의 신호 전달에 중요한 단백질 키나제 그룹은 아연 금속 효소로 보고된 단백질 키나제 C(PKC) 계열입니다. 이들은 디아실글리세롤(DAG) 또는 칼슘을 포함한 보조 인자에 의해 활성화되는 고전적 PKC, 칼슘에는 결합하지 않고 DAG에만 결합하는 새로운 PKC, 이러한 보조 인자 중 어느 것에도 결합하지 않는 비정형 PKC를 포함한 여러 동형체의 세린/트레오닌 키나제입니다. 아연은 PKC 구조에 중요한 것으로 보고되었습니다. 약 4개의 아연 이온이 각 PKCα 서브유닛과 관련된 것으로 발견되었으며 PKCβII 및 PKCγ에 대해서도 유사한 값이 보고되었습니다. 이는 아마도 아연으로 채워진 4개의 Cys3His 결합 모티프를 형성하는 PKC의 C1 도메인과 잘 일치합니다. 이 도메인은 모든 PKC 동형체에서 보존되므로 아연은 모든 PKC에 구조적으로 중요할 수 있습니다[ 117 ]. 더 많은 아연 이온이 결합될 수 있는지는 의문이지만, 지질 제2 전달 물질과 배양 후 또는 티올 산화로 인해 PKC에서 아연이 방출되는 것이 관찰되었습니다[ 118 ]. 특히 항상성 아연 신호에 의한 PKC 활성화가 나타났습니다. 따라서 다른 것들 중에서 포르볼 에스테르가 세포골격과 세포막에 결합하는 데 아연이 필요한 것으로 밝혀졌습니다[ 119 ]. IKK 및 NFκB 활동은 PKCε가 없는 대식세포에서 감소했습니다. 이러한 PKCε 녹아웃 대식세포의 LPS 자극은 야생형 대조군에 비해 ERK 및 p38 인산화가 낮았으며, 여기서 아연 신호가 PKC를 통한 신호 전달을 변경한다는 것을 시사합니다[ 120 ].

이 맥락에서 아연 항상성과 산화환원 대사의 긴밀한 상관관계를 언급해야 합니다. PMA를 통해 활성화된 PKC는 이후 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 인산(NADPH) 산화효소에 의해 활성 산소종이 생성되도록 합니다. PMA에 의한 아연 플럭스 유도는 앞서 언급되었습니다[ 93 ]. NADPH 산화효소가 억제되었을 때 PMA 자극 후 세포 내 아연의 증가는 관찰되지 않았습니다[ 66 ]. 반면에 H ₂ O ₂ 로 세포를 배양하면 세포 내 아연 농도가 상승하여 ROS 생성과 아연 신호 발생이 연관되어 있음을 시사합니다. 이 경우 아연의 공급원은 PKC 자체이거나 MT와 같은 아연 결합 단백질일 수 있으며, 둘 다 산화되면 아연을 방출하는 것으로 알려져 있습니다. 또는 아연은 산화제에 민감한 방식으로 세포 구획에서 방출될 수 있습니다[ 71 , 94 , 101 , 121 , 122 ]. 아마도 피드백 메커니즘으로서 아연은 ROS 생성에도 영향을 미칠 것이다. 아연 킬레이터인 TPEN의 고농도(100 µM)로 세포를 배양하면 세포막과 세포골격 사이의 PKC 이동이 변화되고 PKC 활성이 억제된다[ 93 , 123 , 124 ]. 아연이 결핍된 배지에서 배양하여 골수세포의 아연이 고갈되면 기저 및 자극으로 유도된 ROS 수준이 증가했다[ 66 ]. 아연이 결핍된 호중구에서도 ROS 생성이 증가하는 것이 관찰되었다[ 66 , 84 , 125 , 126 , 127 ]. ROS와 아연은 호중구와 다른 면역 세포에서 다양한 기능을 활성화하는 데 필수적인 제2 전달물질이다[ 83 ].

PKA와 PKG(두 가지 모두 세린/트레오닌 키나제)의 활동은 주로 제2 전달 물질인 순환 아데노신 모노포스페이트(cAMP)와 순환 구아노신 모노포스페이트(cGMP)의 수준에 영향을 받습니다. 증가된 cGMP는 또한 PKA를 교차 활성화합니다. PDE는 아연 의존적이며 cAMP와 cGMP의 가수분해는 아연의 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 아연은 PDE의 촉매 중심에 단단히 결합되어 있지만 PDE에는 저해 부위도 있어 농도가 높으면 이용 가능한 아연이 결합합니다[ 128 , 129 ]. 또한 아연은 PDE4B[ 130 ] 를 포함한 특정 PDE의 LPS 유도 발현에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다 . 따라서 높은 아연 농도가 있으면 PDE에 의한 가수분해가 억제되었기 때문에 cAMP와 cGMP 수준이 증가했습니다. 이것은 단핵구에서 아연에 의해 모두 저해된 PDE 4, 3 및 1에 대해 나타났습니다. 아연 플럭스는 아데닐산 고리효소(AC)를 활성화하는 반면 효소는 항상성 아연 신호에 의해 억제되었으며, 이는 아마도 자극 매개 효과를 해결하기 위한 피드백 메커니즘일 것입니다. 구아닐산 고리효소(GC) 활성의 변화는 아연 플럭스에 의해서만 영향을 받았습니다[ 131 , 132 ]. PKA의 하위 타겟에는 NFκB 활성화를 담당하는 Raf-1이 포함되는 반면, PKG는 MAPK 패밀리의 구성원을 타겟으로 하며, 신호 전달에 대한 아연의 효과에 대한 또 다른 메커니즘을 제공하며, 이는 더 자세히 조사되어야 합니다[ 133 ].

앞서 제안했듯이, 아연은 신호 분자의 인산화를 직접적, 간접적으로 균형 잡아 키나제와 길항제인 인산가수분해효소의 활동을 변화시키는 것으로 보입니다. PTP는 대체로 단백질 분해, 이량체화, 세포의 산화환원 상태, 인산화 및 탈인산화에 의해 조절됩니다. 아연은 목록에 추가할 또 다른 조절제이며, PTP1B(IC ₅₀ (아연) = 3–17 nM), SHP-1(IC ₅₀ (아연) = 93 nM, SHP-2(IC ₅₀ (아연) = 1–2 µM), PTPRB(IC ₅₀ (아연) = 98 pM), PTEN(IC ₅₀ (아연) = 0.6 nM) [ 134 , 135 ]에 대해 보여졌고 인간의 107개 PTP 목록에 있는 다른 여러 PTP에도 동일할 수 있습니다. IC ₅₀ 값은 모두 세포 내 아연의 생리적 농도와 잘 맞아떨어지므로 아연 신호에 의한 활성 조절이 가능합니다. 아연에 의한 PTP 활성 조절의 근간이 되는 제안된 메커니즘에는 아연에 의한 보조 인자의 대체와 아연과 PTP의 촉매 중심의 직접적인 상호 작용이 포함됩니다 [ 136 ]. 연장된 단백질 티로신 인산화는 면역 세포의 많은 신호 전달 경로에서 설명되었습니다[ 94 , 97 , 137 ]. 따라서 아연의 효과는 이들 모두에서 조사되지 않았지만 이러한 신호 전달 경로를 조절하는 데 관여할 가능성이 있습니다. 유사한 아연 억제 효과는 PTP와 밀접한 관련이 있지만 트레오닌 잔류물의 인산화에 큰 영향을 미치는 MAPK 인산화효소(MKP)[ 138 ] 및 트레오닌/세린 인산화효소(IC _{50 (아연) = 10 nM–10 µM)인 칼시뉴린(CN)에 대해서도 발견되었습니다. 이 효소의 아연 IC 50} 범위가 크기 때문에 세포 내 아연 신호의 효과는 의심스러울 수 있습니다. 그러나 T 세포에서의 시험관 내 연구에서 CN의 활성은 실제로 아연에 의해 감소한다는 것이 밝혀졌습니다. 이 경우 촉매 활성 니켈을 아연으로 대체하는 것이 하나의 기본 메커니즘으로 밝혀졌습니다[ 101 , 139 , 140 ].

세포 내 신호 전달과 관련하여 단백질 키나아제와 단백질 인산가수분해효소의 주요 표적은 mitogen 활성화 단백질 키나아제(MAPK) 계열의 구성원입니다. 여기서 세포 외 신호 조절 키나아제(ERK), MAPK/Erk 키나아제(MEK), p38의 인산화는 세포의 아연 상태에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다[ 134 , 136 , 141 , 142 , 143 ]. 장기간의 아연 결핍은 골수세포에서 p38 활성의 증가와 관련이 있었습니다[ 66 ]. 반면, 아연은 섬유아세포에서 ERK를 활성화했습니다[ 144 ]. 효과의 차이는 아연 보충 또는 결핍의 기간 및 강도와 같은 실험 조건 및 세포 유형의 차이 때문일 가능성이 가장 큽니다. 인산화 상태와 활성이 아연에 의해 변화되는 또 다른 신호 분자 그룹은 STAT 분자로, STAT1, STAT3 및 STAT6에 대해 입증된 바와 같습니다[ 145 , 146 ]. STAT5 활성 조절에서 아연 신호의 역할에 대한 연구는 다양한 결과를 보였으며 신호 전달 경로에 따라 달라질 수 있습니다[ 71 , 135 , 147 ].

5.2. 신호 전달에 대한 아연 손가락 단백질의 효과

항상성 아연 신호에 관해서, 아연 손가락 단백질 A20은 감염 해결에 상당히 관여하기 때문에 관심의 대상입니다. 아연 신호에 의한 A20 발현 유도는 세포 내 A20 단백질 수치를 증가시켰으며, 이는 전단구 및 내피 세포와 다른 면역 세포에서 관찰되었습니다. TLR 및 TNFR에 의해 유발되는 신호 전달 경로에서 A20은 신호 전달을 하향 조절하여 염증을 완화하는 것으로 나타났습니다. TNF 수용체 관련 인자(TRAF) 6는 A20에 의해 유비퀴틴에서 제거되어 TLR에 의해 유도되는 신호 전달을 폐지합니다. A20은 수용체 상호 작용 단백질(RIP)-1에서 유비퀴틴을 제거할 수 있습니다. 따라서 RIP-1과 IKKγ의 결합이 방해를 받고 NFκB가 세포질에 유지되어 TNFR에 의해 유도되는 신호 전달도 억제합니다[ 45 , 148 , 149 ]. 또한 다른 수용체를 통해 유도된 신호 감소는 A20에 의한 NFκB 억제와 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다. A20의 항염증 역할에 따라 IL-1β, TNFα, C-반응성 단백질(CRP) 및 기타 염증 매개체의 발현과 지질 과산화는 인간, 생쥐 및 닭에서 발견되는 것과 같이 아연 항상성 변화로 인해 다운조절되었습니다[ 148 , 150 , 151 , 152 , 153 ].

항상성 아연 신호 전달에 역할을 하는 또 다른 아연 손가락 단백질은 과산화물 증식체 활성화 수용체(PPAR)α입니다. A20과 유사하게 PPARα 발현은 아연에 의해 유도되었습니다. PPARα는 NFκB와 DNA의 결합을 변경하여 염증성 사이토카인과 접착 분자의 유도를 폐지합니다[ 150 ].

5.3. 아연은 세포 내 신호 전달을 변경하여 조혈을 변화시킵니다.

쥐에서 급성기 반응은 일과성 혈청 저아연혈증과 혈액 내 백혈구 수의 증가와 평행을 이루었습니다[ 63 ]. 게다가 장기간의 식이로 인한 아연 결핍은 쥐의 조혈에 영향을 미쳐 백혈구 하위 집단의 비율이 선천적 골수 면역 세포로 이동했습니다[ 154 ]. 인간의 경우 아연 결핍 동안 T 세포가 분명히 감소했습니다. 아연 공급이 제한적일 경우 림프 세포(특히 T 세포 구획)를 희생하고 골수 계통의 세포(단핵구 및 과립구)를 우선시하는 것이 인간에서도 가설되었지만 아직 증명되지 않았습니다.

감소된 세포 내 아연 수치는 단핵구와 수지상 세포의 분화에 필요한 것으로 나타났으며 과립구 생성에 역할을 하는 것으로 제안되었습니다[ 80 , 100 ]. 수지상 세포에서 LPS 자극은 TRIF를 포함하는 경로를 통해 ZIP6 및 ZIP10과 ZnT-1, ZnT-4, ZnT-6의 발현을 유발하여 세포 아연 항상성이 변화되었습니다[ 100 ]. 세포의 아연 상태에 따른 TRIF 신호 전달의 변화는 LPS로 자극된 대식세포에서도 설명되었습니다[ 97 ].

다양한 세포 유형에서 분화를 조절하는 중심적으로 중요한 분자 중 하나는 STAT3입니다. 최근 연구에 따르면 이 신호 분자의 인산화와 활성화는 세포의 아연 상태에 따라 달라지지만 총 단백질 농도는 변하지 않는다는 것이 밝혀졌습니다[ 155 ]. 골수세포에서 TLR3 및 NLPR3 인플라마좀 유발은 JAK(janus kinase)-STAT3와 MAPK 경로를 활성화했습니다. 기존의 아연 결핍은 IL-6 또는 IL-1 유도 JAK-STAT3 신호 전달의 효과를 증폭시켰습니다. 아연 결핍 세포를 자극 전에 아연으로 재구성하면 신호 전달이 정상화되었습니다[ 142 ]. STAT3는 아연 의존적 PTP로 알려진 SHP1/2에 의해 인산화됩니다[ 156 ]. 염화아연은 쥐 조혈줄기세포에서 일시적인 STAT3 Tyr705 인산화를 증가시켜 줄기세포의 다능성과 자가재생을 유지하며, 이 과정에 일반적으로 필수적인 백혈병 억제 인자(LIF)를 대체하기도 합니다. 아연 배양 후 다능성 유전자의 발현이 증가하고 분화 관련 유전자의 발현이 억제되었습니다. 아연은 적어도 제한된 기간 동안 레티노산 유도 분화를 예방할 수 있었습니다[ 143 ].

아연 결핍은 STAT3 인산화 증가를 통해 B 세포 증식을 유발합니다[ 145 ]. 그러나 쥐 배아줄기세포를 염화아연과 함께 배양했을 때 STAT3 인산화가 증가한 것이 확인되어 세포 유형별 효과가 존재한다는 것을 시사합니다[ 157 ]. 또한 연구 간에 타이밍이 달랐는데, 이는 차이점을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 아주 최근의 연구에서 아연은 산화환원 매개 메커니즘을 통해 신경 세포에서 STAT3 인산화를 변화시키는 것으로 나타났습니다. 흥미롭게도 핵과 세포질 분획을 비교했을 때 STAT3 잔류물의 인산화 패턴이 달랐습니다[ 155 ]. 이 효과가 신경 세포에서 면역 세포로 외삽될 수 있는지 여부는 아직 테스트되어야 합니다. 그러나 산화환원 상태와 아연 대사는 매우 밀접하게 얽혀 있으므로 유사한 메커니즘이 있을 가능성이 매우 높습니다. 마지막으로 STAT3는 패혈증과 같은 염증성 질환 동안 일반에서 수요 적응형 응급 골수 생성으로 전환하는 데 결정적인 역할을 하는 것으로도 제안되었습니다[ 158 ]. 그러나 질병 관련 혈청 저아연혈증과 STAT3 활성 및 응급 분화 사이의 연관성을 입증해야 합니다.

흉선에서 T 세포의 성숙과 분화는 아연 가용성에 의해 크게 영향을 받는다. T 세포 발달에 필수적인 인자인 티물린의 활성이 아연 결핍 중에 심각하게 교란된다는 것은 오랫동안 알려져 왔다. 이로 인해 억제 기능, 이종 세포 독성 및 IL-2 생성이 교란된다[ 159 ]. 또한 아연 결핍은 T 세포에 의한 B 세포 림프종(Bcl)-2 및 Bcl-xL과 같은 항아포토시스 인자의 발현을 감소시키는 것으로 보인다. 아연 결핍 중에 혈청에서 검출된 친아포토시스 인자 수치의 증가와 관련하여 이는 T 세포 수의 심각한 감소를 설명한다[ 160 ]. 또한 아연은 카스파제 활성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 세포 주기 조절자 p21은 아연 결핍 중에 카스파제 3에 의해 절단되어 사이클린 의존성 키나제 2(CDK2)를 활성화한다. 결과적으로 세포는 조기에 S-기로 진입하여 세포 사멸을 겪었다[ 92 , 161 ]. 티물린은 흉선 내 활동 외에도 혈액 및 조직에서 T 세포의 증식과 활성화에 영향을 미칩니다[ 162 ]. 아연 보충은 경미한 아연 결핍이 있는 사람과 쥐의 흉선뿐만 아니라 혈액과 조직에서도 티물린 활동을 회복할 수 있었기 때문에 아연 결핍으로 인한 결함은 가역적일 가능성이 있으며 따라서 치료적 아연 적용이 유익할 것입니다[ 163 , 164 , 165 ]. 흥미롭게도, MT-1과 칼프로텍틴의 발현은 분화 중에 다양한 세포 유형에서 증가합니다. 둘 다 중요한 세포 내 아연 결합 단백질이므로 신호 전달 과정에 즉시 사용할 수 있는 아연의 양을 증가시킬 수 있습니다[ 80 , 166 ]. 후자는 미성숙 세포에 비해 성숙한 세포가 자극에 대해 여러 배 더 강한 반응을 보이는 이유를 설명할 수 있는데, 빠른 아연 신호의 크기가 MT 수치가 높기 때문에 훨씬 더 높을 가능성이 높기 때문입니다.

5.4. 아연, Smad 신호 전달 및 조절 T 세포의 발달

조절 T 세포(Treg)가 자가면역 질환과 이식 거부를 예방하는 데 있어 자연적으로 중요하고 치료적으로 이롭다는 사실이 점점 더 받아들여지고 있습니다[ 167 ]. Treg 세포 발달의 중요한 요인 중 하나는 TGF-β 유도 Smad 2/3 신호 전달로, 이는 계통 확정에 필수적인 전사 인자인 포크헤드 박스 단백질 p3(FoxP3)의 발현을 유도합니다. 아연 보충은 TGF-β 유도 Smad 2/3 신호 전달을 증가시키고 그로 인해 FoxP3 발현을 증가시킵니다[ 168 ]. FoxP3의 프로테아좀 분해에는 히스톤 탈아세틸화효소인 Sirtuin-1(Sirt1)이 관여하는데, 이는 다른 히스톤 탈아세틸화효소에서도 나타났듯이 아연에 의해 억제됩니다[ 72 , 169 ]. Treg 세포 발달에서 중요한 아연 의존 분자 중 하나는 FoxP3 활성을 억제할 수 있는 인터페론 조절 인자(IRF)-1입니다[ 170 ]. 아연 보충제는 IRF-1 활동을 억제하고 내성을 증가시켰습니다.

Treg 발달에서의 역할 외에도 아연은 Treg 기능에도 영향을 미쳤습니다. 여기서 CK2를 통한 ZIP7 활성화가 중심적으로 중요했습니다[ 171 ]. 수송체 ZIP7은 내질망에 위치하고 아연을 세포질로 방출하는 역할을 합니다. 카제인 키나제 II(CK2)에 의한 ZIP7의 인산화는 이를 활성화시켜 아연 플럭스를 유발했고, 이는 신호 전달 경로를 활성화시켜 세포 증식과 이동을 초래하는 것으로 제안되었습니다[ 171 ]. 따라서 이 연구에서 아연은 Treg 세포를 유도하고 안정화시킬 수 있었으며, 이는 아연의 치료적 중요성을 강조합니다.

Rice 등은 Treg 세포 계열의 또 다른 최근 설명된 구성원인 1형 조절 T 세포(Tr1)에서 MT 발현과 신호 전달 효율을 조사했습니다. 세포 내 아연과 MT 발현은 6일 후 순진 T 세포가 Tr1 세포로 분화되는 동안 증가했습니다[ 172 ]. IL-27도 첨가했을 때 아연이 증가하고 MT-1 발현이 증가했습니다. 또한 MT 수치가 높은 세포는 p38 MAPK 신호를 통해 모니터링된 대로 ROS 신호를 아연 신호로 더 효율적으로 전달했습니다. 만성 염증성 질환과 암에서 MT 과잉 발현이 관찰되었습니다. MT 발현과 신호 전달 효율의 상관관계는 만성 아연 결핍 시 세포의 높은 반응성을 설명할 수 있습니다[ 172 ]. 이것이 패혈증으로 유발된 혈청 저아연혈증 증가 시 관찰되는 과염증을 설명하는지 여부는 탐구해야 합니다. 칼프로텍틴은 중증 염증성 질환과 혈청 저아연혈증 시 증가하는 또 다른 아연 결합 단백질입니다[ 63 ]. MT와 대조적으로 칼프로텍틴의 발현은 염증성 사이토카인에 대해 설명된 것과 유사하게 아연 결핍에 의해 유도되는 것으로 최근 밝혀졌습니다[ 66 , 173 ].

5.5. 과립구에서 PMA 유도 NET 형성

세포 신호 전달 조절에 있어 아연의 중요성을 잘 보여주는 대표적인 예는 과립구에 의한 NET 형성입니다. NADPH 산화효소를 통한 호중구의 ROS 생성은 NET 형성에 중요한 전제 조건입니다. 아연 결핍과 과잉 모두 초산화물 음이온 생성[ 174 ]과 그로 인한 NET 형성을 억제하는 것으로 나타났습니다. 아연이 과립구 세포에서 킬레이트화되었을 때 PMA로 유도된 세포 내 아연 증가가 사라졌고 NET 형성도 사라졌습니다[ 83 ]. 이는 긴밀한 아연과 산화환원 대사 상호 관계의 가정이 과립구와 그 기능에도 해당됨을 보여줍니다. 다른 경로가 NET 유도에 관여하는지 여부는 아직 조사되지 않았습니다.

5.6. TLR4 유도 신호 전달: 아연에 의한 신호 전달 경로의 미세 조정의 훌륭한 예

LPS 또는 기타 리간드에 의한 골수세포 표면의 TLR4 활성화는 그림과 같이 여러 신호 전달 경로를 활성화합니다.그림 2. 이것은 아연 플럭스와 항상성 아연 신호가 세포 신호 전달을 미세 조정할 수 있는 방법을 보여주는 좋은 예입니다. 이 예는 또한 세포 외 아연의 장기적인 변화가 급성 변화의 효과와 어떻게 다른지 보여줍니다.

 

그림 2

Toll 유사 수용체 4 유도 신호 전달의 아연. 설명은 본문을 참조하세요. 약어: A20: 아연 손가락 단백질; AP-1: 활성 단백질 1; ERK: 세포 외 신호 조절 키나제; IFN: 인터페론; IRAK: 인터루킨-1 수용체 관련 키나제; IκB: NFκB 억제제; IKK: IκB 키나제; IRF: 인터페론 관련 인자; JAK: JNK 야누스 키나제; JNK: c-Jun N- 말단 키나제; LPS: 리포폴리사카라이드; MAPK: 미토겐 활성화 단백질 키나제 MEK: MAPK/Erk 키나제; MKK: MAPK 키나제; MKP: MAPK 인산가수분해효소; MyD88: 골수 분화 주요 반응 유전자; NFkB: 핵 인자 (NF)κB; PI3K: phosphatidyl-inositol-3-phosphate; RIP: 수용체 상호작용 단백질; STAT: 신호 변환기 및 전사 활성화제; TAB: TAK 결합 단백질; TAK: TGF β 활성화 키나제; TBK: Tank-binding kinase 1; TIRAP: toll-interleukin-1 receptor (TIR) ​​도메인을 포함하는 어댑터 단백질; TLR: Toll 유사 수용체; TRAF: TNF 수용체 관련 인자; TRAM: TRIF 관련 어댑터 분자; TRIF: Toll-interleukin-1 receptor (TIR) ​​도메인을 포함하는 어댑터 유도 인터페론. [ 97 , 176 , 178 ]에서 변경됨.

LPS가 TLR4에 결합하면 아연 플럭스가 발생하여 MAPK의 탈인산화가 억제되고 IKKα/β의 인산화가 촉진되어 NFκB가 핵으로 이동하여 염증성 사이토카인의 발현이 활성화됩니다[ 94 ]. TPEN( N,N,N′,N′- 테트라키스(2-피리딜메틸)에틸렌디아민) 과 같은 킬레이트제를 사용하여 아연 신호를 차단했을 때 , 쥐 대식세포에서 나타난 바와 같이 키나제 ERK1/2, IKKβ, MKK3/6 및 IκB의 활성화가 폐지되었습니다. 아연 킬레이션은 IRAK1의 파괴를 차단하여 세포질에 축적되었습니다. 반면, IRAK1 인산화와 유비퀴틴화는 LPS-유발 직후에는 영향을 받지 않았습니다. 이는 아연 의존성 MMP가 억제되었기 때문일 수 있으며, 이는 적절한 아연 조건에서 IRAK1 파괴의 원인일 가능성이 있습니다. IRAK1은 IKK에 의한 NFκB 억제제의 분해를 담당합니다. 따라서 NFκB는 핵으로 이동하지 않았습니다. 더욱이 아연이 킬레이트되었을 때 ERK 신호 전달이 방해를 받았는데, 이는 앞서 설명한 바와 같이 아연이 PTP 및 PTK 활동에 미치는 영향과 관련이 있을 수 있습니다[ 175 , 176 ].

위에서 설명한 MAPK 및 NFκB 경로는 모두 골수 분화 마커(MyD)88을 통한 TLR4 결합에 의해 유도됩니다. 또한, TRIF 관련 어댑터 분자(TRAM), TRIF 및 인터페론 조절 인자(IRF)-3를 포함하는 MyD88-독립적/Toll-인터루킨-1 수용체(TIR) ​​도메인 함유 어댑터 유도 인터페론(TRIF)-의존적 경로도 활성화됩니다. MAPK 및 NFκB를 통해 활성화되는 염증성 매개체와 달리, IFNβ 발현이 여기에서 촉발되며, 이는 자가분비 방식으로 작용하여 JAK-STAT 경로와 세포 표면의 IFNR에 결합한 후 NFκB가 핵으로 지연 이동됩니다. 이는 CD40, CD80 및 CD86 발현을 상향 조절하여 세포가 T 세포와 상호 작용할 수 있도록 합니다[ 97 , 177 ].

또한 유도성 일산화질소 합성효소(iNOS)는 JAK-STAT 경로를 통해 유도되어 항균 반응을 뒷받침하는 NO 생성을 초래합니다.아연 결핍 동안, 쥐 대식세포는 LPS 자극 후 대조군보다 더 많은 NO를 생성하는 것으로 나타났습니다.아연 결핍은 또한 골수 유래 또는 세포 배양에서 얻은 쥐 대식세포에서 LPS로 유도된 IFNγ, CD80 및 CD86 발현을 증가시켰지만 IL-1β, IL-6 및 IL-10의 발현은 감소했습니다.자극 전에 아연 결핍 세포를 아연으로 재구성했을 때 모든 효과가 정상화되었습니다.이번 분석은 LPS 자극 후 몇 시간 후에 수행되었으며, 이는 항상성 아연 신호를 나타냅니다.LPS 자극 후 아연 킬레이터로 세포를 배양해도 동일한 효과가 나타났으므로 MyD88 독립 경로에 대한 효과는 아연 플럭스와 관련이 없고 오히려 항상성 아연 신호와 관련이 있다는 결론을 내릴 수 있습니다[ 97 ].

MyD88 독립 경로의 지연된 선호는 MyD88 의존 경로의 일부 억제와 평행을 이룹니다. 여기서 유비퀴틴화된 TRAF6는 키나제 TAK1을 통해 IKK와 MKK를 활성화합니다. 그러나 앞서 언급했듯이 유비퀴틴 잔류물은 항상성 아연 신호로 인해 고도로 발현되는 A20에 의해 TRAF6에서 제거되어 유전자 발현이 억제됩니다[ 148 , 179 , 180 ]. 아연 외에도 염증성 사이토카인은 대식세포에서 A20의 알려진 유도제이며, 과염증 반응을 예방하기 위한 피드백 메커니즘을 나타낼 수 있습니다[ 181 ]. 이는 패혈증에서 관찰되는 것처럼 만성 및 중증 혈청 저아연혈증에서 나타나는 조절되지 않은 염증 반응과 잘 맞습니다[ 63 , 65 ]. 마지막으로 아연이 순환 뉴클레오타이드에 미치는 영향을 통해 TLR4가 유발하는 신호 전달에서 아연의 역할이 제안되었습니다. 이와 관련하여, 증가된 cGMP는 Raf-1 인산화 증가에 책임이 있을 수 있으며, 이는 이 MAPK를 불활성화하고 NFκB 활성화 및 전위를 방지합니다. 다른 TLR을 통해 유도된 신호 전달은 유사한 방식으로 조절될 수 있습니다. 세포가 TLR3 또는 TLR7 특정 작용제로 자극되었을 때에도 아연 의존적 TRIF/IRF/IFNβ 신호 전달 조절이 관찰되었습니다[ 97 ].

최근, 프로테옴의 아연 의존성을 분석하는 최초의 접근법이 발표되었습니다. 여기에서 대식세포를 동등한 용량의 산화 아연 나노입자 또는 아세트산 아연과 함께 배양했습니다. 최소한 하루 후에 세포의 프로테옴을 2D 겔 전기영동 기술을 사용하여 분석했습니다. 여러 신호 분자의 양은 아연 배양에 의해 변경되었습니다. 가장 흥미로운 점은 MyD88 단백질 수치가 나노입자 또는 아세트산 아연과 함께 배양하여 변경되었다는 것입니다[ 182 ]. 불행히도 이것이 단백질의 발현 증가 또는 분해 감소 때문인지에 대한 정보는 지금까지 없으며 MyD88 기능 테스트도 포함되지 않았으므로 추가 분석이 필요합니다. 그러나 이 연구의 결과는 아연 신호와 세포 아연 항상성의 영향을 받는 새로운 표적을 제안합니다.

결론적으로, 이는 아연에 의한 신호 전달의 미세 조정에 대한 훌륭한 사례일 뿐만 아니라 세포 내 신호 전달에서 아연의 역할이 복잡하다는 것을 보여줍니다.

5.7. 아연 수치는 Fc 수용체 유도 신호 전달을 조절합니다.

일부 면역 세포는 PAMP를 인식하는 대신 면역 복합체 또는 오프소닌화된 병원체를 감지하기 위한 면역글로불린(Ig) 수용체를 갖추고 있습니다. 한 가지 예는 비만 세포의 Fcε 수용체(FcεR)로, 리간드 결합으로 인해 탈과립이 발생하고 그로 인해 항균제가 방출됩니다. 이러한 과립에는 탈과립 중에 방출되는 많은 양의 아연이 포함되어 있는 것으로 알려져 있으며, 아마도 면역 세포 근처에 있는 병원체의 아연 중독을 유발하는 것 같습니다. 비만 세포에서 아연의 역할과 신호 전달에 대한 연구는 거의 없었지만, 일부 데이터에 따르면 FcεR을 작동시키면 핵주위 영역(예: 소포체(ER))에서 아연이 방출되어 아연파가 발생한다고 합니다[ 96 , 183 ]. 이에 따라 PKC가 세포막으로 수송되고 ERK1/2와 JNK1/2가 인산화되었으며 NFκB가 활성화되어 핵으로 이동하여 염증성 사이토카인의 발현을 유도했습니다[ 96 , 184 ]. 세포를 TPEN으로 배양하여 아연파를 방지했을 때 신호 전달과 유전자 유도가 차단되었습니다. 이와 일치하게 아연을 세포에 첨가했을 때 신호 전달이 연장되었습니다. 또한 아연은 과립과 세포막의 융합에 중요한 것으로 보이므로 과립 제거가 가능합니다[ 184 ]. 아연 킬레이션은 과립 제거를 억제했습니다. 이 연구에서는 서로 다른 아연 프로브를 사용하여 두 개의 아연 풀을 확인했습니다. 더 큰 과립형 아연 풀과 더 작고 가변적인 세포질 아연 풀입니다. 이는 개별 프로브가 세포 내 위치가 다를 수 있으며 세포 유형과 활성화 상태에 따라서도 달라질 수 있음을 강조합니다[ 71 , 185 , 186 ].

5.8. NK 세포의 살상 활동은 아연 가용성에 따라 다릅니다

NK 세포는 주로 퇴화나 병원체에 의해 유발되는 주요 조직 적합성 복합체 MHC-I 구성의 변화를 인식하기 때문에 변형되거나 감염된 세포를 파괴할 수 있습니다.반대로, 일반 세포는 NK 세포의 킬러 세포 억제 수용체(KIR)에 결합된 표면 MHC-I을 가지고 있는 한 NK 세포에 의한 살상으로부터 보호받습니다[ 187 ].소위 NK 세포 시냅스를 형성하려면 KIR 다중화가 필수적이며 아연에 의존하는 것으로 나타났습니다[ 87 , 89 ].불행히도 아연 결핍 동안 복합체 형성에 대한 데이터는 없지만 아연 항상성의 장애가 아연 공급이 제한되면 살상이 감소하고 추가 아연을 공급하면 살상이 증가하는 이유를 설명할 수 있습니다[ 88 ].최근의 일부 데이터는 IL-1β로 NK 세포를 활성화한 후 아연 신호를 시사합니다[ 188 ].IL-1R 신호 전달은 나중에 설명할 것처럼 아연의 영향을 받는 것으로 알려져 있습니다. NK 세포는 면역 수용체 티로신 기반 억제 모티프(ITIM)와 면역 수용체 티로신 기반 활성화 모티프(ITAM)를 포함하여 티로신 인산화 부위를 포함한 다양한 표면 수용체를 가지고 있기 때문에 신호 전달에서 아연의 역할이 있을 가능성이 높고 이러한 가능성을 검증해야 합니다.

5.9. T세포에서 IL-2 유도 신호 전달에 있어서 아연의 역할

IL-2가 수용체에 결합하면 Jak1과 Jak3를 통한 신호 전달이 시작되고 어댑터 Shc가 모집됩니다. 수용체의 올리고머화는 기능에 필수적이므로 IL-2R 서브유닛은 지질 래프트에서 발견됩니다. IL-2 자극 후 PI3K/Akt, STAT5 및 MEK1/2-ERK1/2를 중심으로 세 가지 다른 경로가 활성화될 수 있습니다. IL-2는 T 세포의 증식과 효과기 기능의 발달을 유도하여 항세포사멸 및 세포주기 관련 유전자와 특정 사이토카인 및 계통 결정 요인을 유도하는 것으로 알려져 있습니다[ 189 ].

다른 성장 촉진 인자의 효과와 유사하게, IL-2가 수용체에 결합하면 아연 플럭스가 유도됩니다. 여기서 아연은 리소좀과 아연소좀에서 방출되며, 이는 ERK1/2 및 Akt 활성화와 관련이 있었지만 STAT5에는 영향을 미치지 않았습니다. 이러한 맥락에서 염색체 10에서 삭제된 인산가수분해효소 및 텐신 동족체(PTEN)는 PI3K가 생성하는 PI(3, 4, 5)P3를 분해하여 이후 Akt를 활성화하기 때문에 중요합니다. PTEN의 아연 IC50은 _0.59 nM인 것으로 밝혀졌으며, 이는 아연 플럭스에 의한 차단을 허용하여 Akt 활성화를 설명합니다[ 71 , 135 ].

5.10. T 세포 수용체 신호 전달의 아연

T 세포 수용체(TCR)의 주요 기능은 MHC 분자에 의해 제시된 특정 항원의 특정 인식입니다. TCR에는 내재적 키나제 활동이 없기 때문에 신호 전달을 담당하는 CD3 복합체가 모집되어 비공유 결합되어 기능적 수용체를 형성해야 합니다. 이후의 고도로 조직화된 신호 전달 계단에 관여하는 PTK에는 Src, Syk, Csk(C-말단 Src 키나제) 및 Tec 계열의 구성원이 포함됩니다. 또한 특정 어댑터 단백질과 효과기 효소가 관련되며, 이는 다음에서 설명합니다.그림 3. PTK에 의한 인산화를 통한 신호 분자의 활성화는 PTP가 PTK보다 더 높은 용량을 가지고 있기 때문에 빠르게 역전될 수 있습니다. TCR 트리거 후 발현되는 유전자는 특정 T 세포 하위 집단의 특징인 자극 및 보조 자극에 따라 달라지며, 이는 증식과 분화를 유발합니다[ 109 ].

 

그림 3

TCR 유도 신호 전달의 아연. 설명은 본문을 참조하세요. 약어: AP-1: 활성 단백질 1; CREB: cAMP 반응 요소 결합 단백질; Csk: C-말단 Src 키나제; ER: 내질망; Lck: 림프구 특이적 단백질 티로신 키나제; LAT: T 세포 활성화를 위한 링커; MAPK: 미토겐 활성화 단백질 키나제; MHC: 주요 조직 적합성 복합체; MKP: MAP 키나제 인산가수분해효소; NFAT: 활성화된 T 세포의 핵 인자; p50/p56: 핵 인자 NF-kappa-B 서브유닛 p50/p65; PKA: 단백질 키나제 A; PKC: 단백질 키나제 C; Ras: 쥐 육종; TCR: T 세포 수용체; ZAP: z-사슬 관련 단백질 키나제; Zip: Zrt 유사, Irt 유사 단백질. [ 109 , 170 ] 이후 수정됨 .

TCR 트리거링 후 이온 신호 분자로서 아연의 중요성은 다양한 연구에서 조사되었습니다. 리간드가 TCR에 결합한 후 1분 이내에 아연 플럭스가 측정되었습니다. 세포막에 위치한 ZIP6의 침묵이 이 빠른 아연 신호를 방해했기 때문에 아연의 기원은 세포 외인 것으로 보입니다[ 190 ]. 세포 외 아연이 배지에서 고갈되었을 때 TCR 트리거링 후 빠른 아연 신호가 발생하지 않아 이 가설을 뒷받침합니다. 아연은 빠른 증가 후 세포 내 저장소에서 유래하여 세포 전체로 빠르게 퍼지는 칼슘 파동과는 매우 다른 시냅스 하부 영역으로 구획화됩니다[ 191 ]. 그러나 세포 외 아연 외에도 빠른 아연 신호는 자극 후 TCR 복합체로 모집된 리소좀에서 ZIP8 매개 아연 방출로 인해 발생할 수도 있습니다[ 101 ]. 특정 환경 조건에 대한 반응으로 MT의 기저 발현이 증가했습니다. 이로 인해 후속 자극에 사용할 수 있는 방출 가능한 아연이 더 많아졌습니다. 결과적으로, 장기간 아연 결핍 중에 관찰된 낮은 수준의 MT는 항원에 대한 T 세포의 반응이 낮은 이유를 설명할 수 있는데, 이는 아연 플럭스에 즉시 사용할 수 있는 아연이 줄어들기 때문이다.

이 아연 플럭스의 표적은 수용체 활성화 후 신호 전달의 여러 단계 내에서 발견되었습니다. 위에서 설명한 대로 TCR만으로는 신호 전달 계단을 활성화할 수 없습니다. 따라서 CD4는 Src 키나제 Lck(림프구 특이적 단백질 티로신 키나제)를 TCR과 근접시켜 ZAP70 및 CD3ζ를 포함한 신호 전달 분자의 티로신 인산화를 가능하게 합니다. 아연은 CD8과 마찬가지로 Lck와 CD4의 결합을 촉진하므로 복합체 조립 및 신호 전달 과정의 개시에 중심적으로 중요합니다[ 192 ].

모집뿐만 아니라 Lck의 활성도 아연에 의해 영향을 받았는데, 이는 SH3 도메인을 안정화시켜 Lck 동종이량체화를 가능하게 했기 때문입니다[ 193 ]. Lck 활성은 또한 PTP CD45와 키나제 Csk에 의해 조절되는 티로신 Y505의 인산화에 의해 억제될 수 있으며[ 194 ], PTPN22에 의해 탈인산화되는 Y394의 인산화에 의해 활성화될 수도 있습니다. 인산가수분해효소와 키나제 활성에 대한 아연의 직접적인 영향이 설명되었습니다[ 195 ]. T 세포 용해물의 아연 보충은 실제로 총 인산가수분해효소 활성의 용량 의존적 감소를 초래했습니다[ 71 ]. 이를 뒷받침하여 Csk는 아연에 의해 억제되고[ 196 ], 아마도 PTPN22도 그럴 것입니다. 더욱이 PTPN22의 모집은 Csk에 의해 조절됩니다[ 102 ]. 고용량으로 아연을 보충했을 때 시험관 내에서 아연이 CD45 활성에 미치는 직접적인 영향이 발견되었으며, 이는 더 자세히 조사되어야 합니다[ 103 ]. Lck는 ZAP70의 인산화를 담당하고, 이는 MAPK와 같은 신호 분자를 더욱 활성화하므로 초기 아연 플럭스의 폐지는 광범위한 결과를 초래할 수 있습니다[ 71 , 197 , 198 ].

더 하류에서 아연은 전사 인자 결합에도 영향을 미칠 수 있습니다. 중요한 표적 중 하나는 IL-2 발현을 담당하지만 구성적 인산화로 인해 휴지 T 세포의 세포질에 유지되는 NFAT입니다. TCR 트리거 후 세린/트레오닌 인산가수분해효소인 CN에 의해 ​​탈인산화됩니다[ 199 ]. 10nM과 10µM 사이의 생리적 아연 농도가 CN 활동을 억제할 수 있었기 때문에 NFAT 전위도 아연 플럭스의 영향을 받을 수 있습니다. 그러나 직접적인 증거는 없으며 아연 신호가 국소적, 즉 수용체 근처에 머무르는 것으로 보이므로 추가 조사가 필요합니다. 또한 CN 활동의 조절은 다소 복잡합니다. CN 자체는 인산화에 의해 구성적으로 불활성화됩니다. 여기서는 포스파티딜-이노시톨-3-키나제(PI3K)가 담당합니다. PI3K 활동도 아연에 민감합니다. IL-2 유도 경로에 대해 Akt 및 PTEN에 대한 효과를 통해 아연이 지원하는 효소 활동이 자세히 탐구되었습니다[ 135 ]. TCR 유도 신호 전달에 대한 효과가 유사한 경우 탐구해야 합니다.

이와 관련하여 항상성 아연 신호의 결과가 설명될 것입니다. 이는 CN 활동에도 영향을 미치기 때문입니다. TCR 트리거링은 ZIP8 발현의 상향 조절을 유발합니다. 따라서 아연은 리소좀에서 방출되어 아연 플럭스가 이미 사라졌을 때 세포 내 아연이 증가합니다. 이 항상성 아연 신호는 CN 활동 차단과 연결되어 IFNγ 전사를 초래합니다[ 101 ]. 항상성 아연 신호의 또 다른 결과는 포르볼 에스테르의 결합이 용이해지고 세포골격과 세포막에 대한 친화성이 높아져 PKC 활동이 증가합니다[ 119 ]. TCR 트리거 T 세포 반응에 아연이 중요한 이유에 대한 마지막 메모로, 세포에 추가 아연을 보충하면 자극에 대한 활성화 임계값이 낮아집니다. 따라서 최적이 아닌 항원 조건에서도 T 세포가 증식합니다[ 102 ]. 이는 백신 접종을 최적화하는 데 흥미로울 수 있습니다. 참고로 아연 조건을 변경해도 칼슘 유입은 변하지 않았습니다.

T 세포가 활성화되면 MT 발현이 증가하는데, 이는 세포 내 아연과 ROS 수치가 감소하고 T 세포가 지속적으로 증식하는 것과 관련이 있습니다[ 101 ]. 따라서 TCR 유도 신호전달의 경우에도 하류에 있는 아연의 영향이 있을 가능성이 큽니다. 아연 플럭스가 T 세포에서 MT 발현을 증가시키면서 즉각적인 신호전달 경로가 영향을 받았을 뿐만 아니라 T 세포의 증식과 생존이 장기적으로 뒷받침되었습니다[ 200 ]. 또한 TCR 결합은 단백질에서 신호전달 조절을 위한 아연을 제공하는 것으로 알려진 ROS 생성을 수반했습니다[ 201 ]. TCR의 트리거링은 활성을 증가시킬 뿐만 아니라 ZIP6의 발현도 증가시켰습니다[ 202 ]. 세포 외 아연 유입은 SHP-1 모집을 억제했습니다. SHP-1은 TCR 신호전달의 음성 조절자이므로 이는 TCR 매개 신호전달을 종료하기 위한 피드백 메커니즘으로 작용할 수 있습니다[ 102 ]. SHP-1의 모집이 낮은 이유는 구조 변화 때문일 수도 있고, SHP-1 결합을 방해하는 Lck의 세린 인산화 때문일 수도 있습니다.

5.11. T 세포의 IL-1 수용체 신호 전달에서 아연의 역할

IL-2는 T 세포의 주요 증식제로 기능하는 반면, IL-1과 같은 다른 사이토카인도 증식을 지원하는 것 외에도 IFN-γ와 같은 염증 관련 유전자의 발현을 유도합니다. IL-1R이 활성화된 후, IL-1 수용체 관련 키나아제(IRAK)가 활성화되어 NFκB가 핵으로 이동하여 유전자 활성화로 마무리됩니다. 이 연구에서 T 세포의 아연 보충은 TLR4 유도 신호 전달 경로가 감소하는 것과 유사하게 IRAK 활성을 감소시켜 기억 Th17 반응이 억제되는 것으로 나타났습니다[ 97 , 203 ]. IL-1 결합이 아연 신호를 유발한다는 보고가 있습니다[ 204 ]. MyD88은 IL-1 유도 신호 전달의 또 다른 중심 신호 전달 분자이며, 이 경로에서 아연의 역할이 설명되었습니다[ 97 ]. 아직 IL-1R에 대한 효과는 탐구되지 않았습니다.

마지막 문단은 T 세포 발달, 혈통 결정 및 활동에 대한 아연의 효과의 복잡성을 강조합니다. 각 경로에 대한 효과가 개별적으로 설명되었기 때문에 이는 생체 내 상황을 지나치게 단순화한 것입니다. 또한, 예를 들어 아연 보충 및 아연 결핍이 조사된 T 세포의 결과에 미치는 효과는 다른 환경 요인 및 세포 환경에 따라 달라지므로 전반적인 효과를 예측하는 것은 불가능합니다.

8.1. 아연과 장염성 피부염

ZIP4 유전자의 손상은 생쥐의 초기 배아 발달을 손상시키는 것으로 보고되었습니다. 이는 장내 노른자낭을 통해 발달 중인 배아로의 적절한 아연 수송이 제대로 작동하지 않고 장에서 아연 흡수가 충분하지 않아 심각한 아연 결핍이 발생하기 때문입니다. 기능하지 않는 ZIP4 수송체와 그에 따른 아연 결핍의 유사한 영향은 위에서 논의한 바와 같이 Acrodermatitis Enteropathica(AE)를 앓고 있는 인간에서 관찰되었습니다[ 47 , 258 ]. AE를 앓고 있는 환자는 흉선 위축과 림프구 수와 림프구 기능 감소와 같은 여러 가지 면역학적 변화를 보였습니다. 이는 거의 모든 면역 세포의 기능이 아연 항상성에 엄격하게 의존하기 때문에 놀라운 일이 아니었습니다. 특히 T 세포 기능과 성숙은 나중에 자세히 설명할 것처럼 아연에 크게 의존합니다. 따라서 AE 환자는 감염에 대한 감수성이 증가하고, 특히 세균, 진균 및 기타 기회성 감염이 만연합니다. 게다가 만성 설사와 락토오스 불내증도 알려져 있으며, 치료 없이는 AE가 일반적으로 치명적입니다. 그러나 식이 아연 보충제는 생쥐와 인간 모두에서 증상을 역전시켰습니다[ 17 , 47 , 259 ]. T 세포 제한 기능 장애와 비정상적인 화학주성은 아연 보충제로 완전히 교정되었습니다.

8.2. 암 발생에서의 아연

아연 수송체 ZIP4는 암 발달에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 마이크로어레이 분석에서 췌장암에서 ZIP4 mRNA의 정상 상태 수준이 매우 상향 조절되는 것으로 확인되었습니다[ 260 ]. 생검 분석에서 종양 샘플에서 ZIP4 mRNA 발현이 증가했고 ZIP4 단백질이 과잉 축적된 것이 밝혀졌습니다[ 261 ]. 세포 배양 분석에서 인간 췌장 세포에서 ZIP4가 과잉 발현되면 아연 축적과 세포 증식이 각각 증가하여 아연 상태와 암 진행 사이에 연관성이 있음을 보여주었습니다. 생쥐를 대상으로 한 실험에서도 비슷한 결과가 얻어졌습니다. ZIP4 과잉 발현은 종양 무게와 병적 체액 축적(복수 발생률)을 증가시켰습니다. 또한 아연 축적이 증가했고 세포 증식률도 더 높았습니다[ 262 ]. siRNA에 의한 ZIP4 유전자 발현의 억제는 종양 성장을 상당히 억제하고 생쥐의 생존율을 증가시켰습니다[ 263 ]. 흥미롭게도, ZIP4 발현의 증가는 간세포암에서도 발견되었으며[ 264 ], 이는 일반적으로 종양 발달에서 ZIP4의 잠재적인 역할을 강조합니다. 분자 수준에서 ZIP4를 통한 아연 수송은 cAMP 반응 요소 결합 단백질(CREB) 활성에 영향을 미쳐 세포 증식에 ​​중요한 수많은 요소를 제어한다고 추정되었습니다[ 263 , 265 , 266 ]. 더욱이, ZIP4는 아마도 세포 사멸을 억제하고 시험관 내 종양 세포 이동을 증가시킵니다[ 264 ].

유방암과 관련하여 아연 수송체 ZIP6, ZIP7 및 ZIP10은 주로 성장 및 침습적 행동에 관여하는 것으로 나타났습니다. ZIP 단백질의 LIV-1 하위 계열에 속하는 ZIP6은 에스트로겐에 반응하는 것으로 밝혀졌으며 따라서 에스트로겐 수용체 양성 암의 바이오마커로 사용할 수 있습니다[ 267 , 268 ]. 또한, 루미날 A형 유방암은 ZIP6 발현으로 식별할 수 있습니다[ 137 ]. ZIP6 외에도 ZIP7은 유방암에서 매우 풍부했으며 세포 내 유리 아연 수준을 증가시키는 데 필요했습니다[ 269 , 270 ]. ZIP10 발현은 림프절에서 유방암 전이와 관련이 있었고 침습적 행동과 강력하게 연결되었습니다[ 271 ]. 따라서 ZIP6, ZIP7 및 ZIP10 발현은 암 세포 생존과 암 진행에 기여했습니다[ 272 , 273 ]. 분자 수준에서 E-카드헤린 발현은 ZIP6에 의해 조절되었고, 상피 성장 인자 수용체(EGFR), Src 및 인슐린 유사 성장 인자 1 수용체(IGF-1R) 신호 전달 분자는 ZIP7에 의해 조절되었습니다. 따라서 암 성장과 침습적 행동이 뒷받침됩니다[ 274 ]. 최근 연구에서는 ZIP7의 인산화가 세포 내 아연 저장소에서 세포질로 아연 유출에 중요하여 세포질 유리 아연 수준이 상승하는 데 직접적으로 관련이 있음을 나타냈습니다[ 98 , 275 ]. 결과적으로 MAPK(mitogen-activated protein kinase) 신호 전달 및 티로신 키나제 활성과 같은 신호 전달 경로가 변경되어 키나제가 조절되고 공격적인 유방암 행동이 촉진되었습니다. 그 중에서도 GFR, Src 및 IGF-1R 신호 전달 분자는 아연의 영향을 받았습니다[ 269 , 276 , 277 ]. 암세포는 카스파제 활동이 아연에 의해 조절되는 것으로 밝혀진 이후 세포 내 아연 수치가 높아져 세포사멸 저항성이 매우 높았습니다[ 214 ]. 따라서 NK 세포와 세포독성 T 림프구(CTL)에 의한 암세포 사멸이 각각 손상되었습니다. 게다가 아연이 풍부한 환경은 Treg를 유도하여 내성을 유도함으로써 항종양 반응을 손상시켰습니다. Treg는 IL-10 및 TGF-β1[ 278 ]과 같은 항염증성 사이토카인을 다량 분비하여 면역학적 항종양 방어를 제한했습니다.

8.3. 아연과 정신분열증

최근 ZIP8[ 279 ]과 ZIP12 발현의 비동의적 변형[ 280 ]이 정신분열증과 관련이 있다고 보고되었습니다 . 정신분열증을 앓고 있는 환자의 뇌는 건강한 대조군보다 아연 농도가 낮았습니다[ 281 ]. 일반적으로 ZIP12는 척추동물 신경계에서 보존된 기능을 하며 적절한 발달을 담당합니다. ZIP12 유전자의 상동 접합 미스센스 돌연변이와 정신분열증 빈도 사이의 상관관계가 감지되었고 가능한 설명으로 주장되었습니다[ 37 , 282 ]. ZIP12의 변화된 발현은 아연 결핍으로 인한 선천적 기형과 관련이 있었습니다[ 280 ]. T세포의 성숙, 증식, 분화 및 기능은 아연에 크게 의존하며, 아연 결핍은 Th세포 기능을 손상시킨다[ 45 , 71 , 72 , 283 , 284 ]. 따라서 Th세포의 분화 및 기능 장애로 인해 정신분열증이 유발될 수 있다.

8.4. 아연과 우울증

우울증은 높은 이환율과 사망률을 동반하는 정신 질환으로, 모든 자살의 약 50-70%를 차지합니다[ 285 ]. 세계보건기구에서는 2020년까지 우울증이 세계 질병 부담에서 두 번째로 큰 비중을 차지할 것이라고 예측했습니다[ 286 ]. 우울증의 일반적인 증상은 슬픔, 피로, 일상 생활 활동에 대한 관심 부족입니다[ 287 ].

우울증을 앓고 있는 환자에서 IL-1β, IL-6, IFNγ와 같은 염증성 사이토카인 농도가 증가하는 것이 발견되었습니다[ 288 ]. 또한 혈청 저아연혈증이 관찰되었지만 효과적인 항우울제 치료로 정상화되었습니다. 흥미롭게도, 뇌, 특히 해마와 대뇌 피질에는 많은 양의 아연이 존재합니다[ 26 , 289 ]. 아연 결핍은 뇌 아연 항상성에 부정적인 영향을 미치고 정신 기능 손상, 행동 변화, 학습 및 간질성 경련에 대한 취약성을 초래하는 것으로 나타났습니다[ 287 , 290 ]. 흥미롭게도, 아연 투여는 항우울제 활성을 테스트했을 때 항우울제와 유사한 효과를 나타냈습니다. 아연 투여는 생쥐와 래트 모두에서 "강제 수영 테스트"와 꼬리 현수 테스트에서 항우울제와 유사한 효과를 나타냈습니다[ 287 ]. 인간의 항우울제 치료 동안 Treg 세포가 유도되었고 동시에 IL-1β 수준도 감소했습니다[ 291 ]. 아연 투여는 Treg 세포를 유도했으며[ 72 , 170 ], 이로 인해 염증성 면역 반응이 억제되었습니다. 따라서 아연 결핍은 우울증 발병을 촉진할 수 있는 반면 아연 투여는 항우울제와 유사한 활동을 보일 수 있습니다.

8.5. 아연과 다발성 경화증

전 세계적으로 다발성 경화증(MS) 진단을 받은 환자는 약 200만 명으로, 이는 중추 신경계(CNS)의 가장 흔한 만성 염증성 질환입니다[ 22 ]. MS는 다음과 같은 특징이 있습니다: (1) 중추 신경계의 염증, (2) 신경 축삭을 둘러싸고 적절한 신호 전달과 신경계 기능에 필수적인 전기적 절연층을 형성하는 미엘린 덮개의 파괴, (3) 미엘린 특이적 CD4 ⁺ Th 세포에 의해 매개되는 마비.

MS 진행에 대한 한 가지 가능한 가설은 T 세포가 중추신경계로 침투하여 염증을 증가시키기 때문이라고 믿어집니다. 흥미롭게도 T 세포 기능은 아연 농도에 의해 엄격하게 조절되고 아연 결핍은 기능 장애와 T 세포 분화를 일으켜 면역 반응의 불균형을 초래합니다. 실제로 아연 항상성의 실패는 MS 발병과 관련이 있었습니다. 이와 관련하여 식이성 아연 결핍과 아연 흡수 증가는 MS 위험 증가와 실험적 자가면역 뇌척수염(EAE)에서 병원성 염증성 T 세포 발병과 관련이 있는 것으로 나타났습니다[ 20 , 292 , 293 ]. MS를 앓고 있는 환자는 혈장 아연 수치와 만성 MS 병변에서 아연 농도가 낮았습니다[ 21 , 22 , 294 ]. EAE에 아연을 투여하면 Treg 세포를 유도하고 Th17 세포를 감소시켜 EAE 증상이 감소했습니다. 따라서 내성 유발 면역 반응이 선호되고 염증 유발 반응은 약화되었습니다. 이에 따라 아연 신호는 세포 사멸, 면역 세포 증식, 염증성 사이토카인 생성과 IL-2, IL-10 및 IL-17 생성을 억제하여 원치 않는 T 세포 매개 면역 반응을 제어하는 ​​데 중심적인 중요성을 갖는 것으로 잘 알려져 있습니다[ 214 , 295 , 296 , 297 , 298 ]. 따라서 현재의 표준 치료법에 아연 보충제를 추가하는 것은 MS를 앓고 있는 환자에게 잠재적으로 효과적일 수 있다고 볼 수 있습니다.

8.6. 아연과 엘러스-댄로스 증후군

엘러스-댄로스 증후군(EDS)은 관절 과가동성, 피부의 과탄성, 진행성 척추측만증, 골격근의 심각한 근력저하를 특징으로 하는 인간 질환입니다[ 299 ]. 아연 수송체 ZIP13은 뼈, 치아 및 결합 조직 발달에 중요한 역할을 합니다. ZIP13 기능 장애로 인한 아연 항상성 장애는 EDS 발병에 영향을 미치는 것으로 보이며, 돌연변이 ZIP13 단백질이 빠르게 분해됩니다[ 300 , 301 ].

인간에서 EDS/ZIP13 관계를 식별하는 것 외에도 ZIP13 녹아웃 마우스를 조사했습니다. 이 마우스는 비정상적인 전신 성장, 뼈 성장, 비정상적인 연골 발달, 감소된 상아질과 치조골, 비정상적인 두개안면 및 감소된 진피 및 각막 기질 콜라겐을 보였습니다. 분자 수준에서 ZIP13의 부재는 골 형성 단백질(BMP) 매개 유전자 발현의 조절 이상을 유발했습니다[ 302 ]. BMP 신호 전달은 매우 다양한 표적 유전자를 포함하기 때문에 뼈, 치아 및 두개안면 발달이 손상되었습니다. BMP와 형질 전환 성장 인자(TGF)-β는 모두 TGF-β 수용체를 통해 신호를 보내고 DNA 결합 도메인에 아연 결합 모티프를 포함하는 Smad 신호 전달 분자를 활성화하여 Smad 신호 전달을 아연 신호 전달의 잠재적인 표적으로 만듭니다[ 303 ]. 따라서 ZIP13은 해당 모티프의 아연 가용성에 영향을 미칠 수 있습니다.

BMP 신호 전달에서 아연에 의해 조절되는 또 다른 표적은 Smad 단백질 인산화입니다. Smad 단백질은 핵으로의 전위를 위해 인산화되어야 합니다. 세포 내 자유 아연 농도의 변화는 인산가수분해효소 활동의 억제로 이어졌고, 이후 Smad 인산화가 증가했습니다(최근에 입증됨[ 168 ]). Smad 신호 전달은 Treg의 적절한 발달과 내성 유도에 매우 중요합니다. 이 메커니즘이 정확하게 작동하지 않으면 염증이 유발됩니다. 염증 마커, ROS 및 MMP의 수치가 상승하면 수많은 조직에서 조직 손상이 발생하는 것으로 잘 알려져 있습니다. EDS는 콜라겐 합성 장애를 동반하고 MMP는 콜라겐 분해의 핵심 요인 중 하나이므로 MMP 기능 장애는 EDS에 대한 가능한 설명으로 간주될 수 있습니다. 이러한 맥락에서 아연 신호는 염증과 MMP 과기능이 혈청 저아연혈증을 동반하기 때문에 중요합니다[ 5 , 63 , 66 ].

따라서 EDS에서 세포 내 아연 수치의 변화는 ZIP13 기능 장애로 인한 것일 수 있습니다. 이러한 이유로 돌연변이 ZIP13 단백질 안정성 조절을 기반으로 치료적 접근이 가능할 수 있습니다[ 300 ].

8.7. 염증성 질환 및 패혈증의 아연

ZIP8은 박테리아 감염 및 염증 중에 선천 면역 기능과 적응 면역 기능에 영향을 미치며, 다른 수많은 질병은 적어도 ZIP8 기능 장애와 관련이 있습니다[ 304 , 305 ]. 폐 상피에서 ZIP8은 아연 신호를 통해 매개되는 염증 시 세포 보호에 필수적입니다[ 306 , 307 ]. 더욱이 ZIP8은 리소좀에서 아연 방출을 조절하여 염증성 사이토카인 IFNγ의 발현과 면역 기능을 제어합니다[ 101 ]. 적응 면역 외에도 ZIP8은 대식세포와 단핵구에서 활성화된 B 세포(NFκB) 기능의 아연 매개 억제를 통해 선천 면역도 조절합니다[ 202 ].

위에서 설명한 국소 염증 외에도 패혈증에서 관찰되는 전신 염증이 인구에서 자주 관찰됩니다. 이와 관련하여 변형된 아연 수송 메커니즘이 패혈증의 염증 효과에 기여하는 것으로 보입니다. 아마도 염증 유발 자극에 의해 유도되는 ZIP14가 패혈증 동안 아연 대사에 영향을 미치고 치료의 표적 역할을 하는 것 같습니다[ 63 ]. 아연 신호는 ZIP14에 의한 세포 아연 흡수로 인해 염증 유발 반응을 약화시켜 패혈증 동안 항염증 방식으로 작용합니다. 따라서 아연 신호와 적절한 ZIP14 기능은 염증 유발 반응에 필수적이며 아연 결핍은 패혈증으로 인한 과장된 염증 및 사망 위험 증가와 밀접하게 관련되어 있습니다[ 63 , 65 ].

8.8. 수유 중 아연

모유 수유를 하는 만삭아 중 일부는 성장 지연, 피부염, 설사, 탈모와 같이 장염 Acrodermatitis Enteropathica와 유사한 임상적 증상을 보입니다. 연구에 따르면 이는 모유의 아연 농도가 낮아 아연 결핍이 발생한 결과입니다[ 308 , 309 , 310 ]. 모유의 아연은 신생아의 성장과 건강에 필수적입니다. 유아의 아연 결핍은 자폐 스펙트럼 장애와 관련이 있기 때문입니다[ 247 ]. 유전 분석 결과 ZnT2의 기능 장애가 이 상태의 원인임이 밝혀졌습니다[ 309 , 311 , 312 ]. 유아에게는 아연을 보충하면 증상이 완화되지만 어머니에게는 그렇지 않습니다. 흥미롭게도 ZnT4가 기능 장애인 쥐에서도 유사한 관찰 결과가 보고되었는데[ 313 ], 모유의 아연 함량이 감소한 것으로 나타났습니다[ 314 ]. 시간이 지남에 따라, 낮은 아연 농도는 젖먹이 새끼에게 치명적이었습니다.ZnT4는 유선 상피 세포 기능에 심각한 영향을 미치고 모유로의 영양 분비에 부정적인 영향을 미치며, 또한 초기 수유 동안 유선에서 조직 리모델링을 촉진합니다[ 315 ].ZnT4 기능 장애가 있는 쥐에 대한 동물 연구에서 이러한 결함이 Akt 발현 감소, 신호 변환기 및 전사 활성화 인자 5(STAT5) 활성화와 관련이 있는 것으로 나타났습니다.게다가 인간의 경우 아연 결핍 모유를 분비하는 어미의 섬유아세포와 림프아세포에서 ZnT5 및 ZnT6 mRNA 발현이 상당히 감소한 것으로 나타났습니다[ 316 ].따라서 다른 ZnT 단백질이 이 질병의 병인에 관여할 가능성이 있습니다.따라서 모유 수유 영아를 아연 결핍으로부터 보호하고 신생아의 적절한 성장과 건강을 보장하기 위해 유선 상피 세포에서 ZnT2 발현을 조절하는 전체 분자적 메커니즘을 밝히기 위한 미래 연구가 필요합니다.

8.9. 아연과 당뇨병

당뇨병은 혈관, 심장, 눈, 신장 및 신경을 손상시키는 만성 질환입니다. 전 세계적으로 약 3억 4천만 명이 영향을 받고 있으며 당뇨병은 이환율과 사망률의 주요 원인이 됩니다[ 317 ]. 당뇨병을 앓고 있는 환자의 최대 90%는 2형 당뇨병(T2DM)으로 진단되고 10~15%는 1형 당뇨병(T1DM)으로 진단됩니다. T2DM은 주로 생활 방식과 관련이 있는 반면, T1DM은 조기에 발병하는 자가면역 질환입니다[ 318 ]. DM은 혈당 조절 상실, 췌장 β세포 기능 저하로 인한 대사 항상성 장애, 인슐린 저항성이 특징입니다. 행동적 요인 외에도 유전적 요인도 T2DM 위험을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 후자에는 ZnT8 유전자의 오작동이 포함됩니다[ 105 ]. 따라서 ZnT8 수송체는 각각 T1DM과 T2DM과 관련이 있습니다[ 319 , 320 ]. ZnT8이 결핍된 마우스는 인슐린 분비가 손상되고 결정 형성이 손상되며 간에서 인슐린을 빠르게 제거합니다[ 321 , 322 ]. T1DM과 관련하여 ZnT8 자가항체는 임상 질환이 시작될 때 환자의 60~80%에 존재합니다[ 319 , 323 , 324 ]. 그러나 ZnT8은 T1DM에서 발견된 마지막 자가항원인 반면 인슐린, 65kDa 글루타민산 탈탄산효소(GAD65) 및 인슐린종 관련 단백질 2(IA-2)는 오래 전에 이미 확립되었습니다[ 318 ]. ZnT8에 대한 자가항체의 유병률은 표준 T1DM 자가항원과 유사한 빈도를 갖기 때문에 ZnT8은 당뇨병 관련 자가면역을 감지하는 데 추가로 사용할 수 있습니다[ 325 , 326 ].

당뇨병에서 아연은 β-세포에서 인슐린 결정 형성에 중요한 역할을 합니다. 게다가 인슐린과 β-세포에서 방출된 아연은 모두 중요한 부신피질자극호르몬 분비 및/또는 자가분비 효과를 가지고 있어 다양한 분자적 메커니즘을 조절하는 것으로 여겨집니다[ 327 , 328 ]. 이러한 과정에서 ZnT8은 인슐린을 함유한 분비 소포로 아연을 운반하는 데 필수적입니다. 이를 인슐린 과립이라고 합니다. ZnT8의 중요성은 ZnT8 노크아웃 마우스를 조사한 연구에서 강조되었습니다[ 322 , 329 , 330 ]. 이들은 β-세포에서 아연 함량이 상당히 감소했고 단편화된 미성숙 아연/인슐린 결정만을 보여줍니다. 또한 β세포 특이적 ZnT8 노크아웃 마우스와 α세포 특이적 ZnT8 노크아웃 마우스를 사용한 연구에서는 ZnT8 결핍이 각각 β세포 및 비β세포 특이적 효과를 통해 T2DM 발병률 증가에 기여한다는 사실이 밝혀졌습니다[ 330 , 331 ].

생체 내 쥐에서의 식이 아연 보충은 고혈당증과 고인슐린증을 완화시킬 수 있었고, 췌장 아연 농도를 증가시켰으며[ 117 ], 당뇨병 쥐와 생쥐에서 포도당 청소가 개선되는 것이 관찰되었습니다[ 123 , 146 ]. 이와 관련하여 아연 결핍 동물은 인슐린에 덜 민감하다는 것이 잘 알려져 있습니다[ 147 ]. 쥐와 인간 모두에서 경구 아연 투여는 각각 T1DM과 T2DM 환자의 혈당 조절을 개선합니다[ 3 ]. T1DM과 T2DM 환자의 혈장 아연 수치는 건강한 사람에 비해 감소했기 때문에 경구 아연 보충은 인슐린 신호 전달을 촉진하는 보조 요법으로 유용할 수 있습니다[ 332 , 333 ]. T1DM에서 관찰된 자가항체 생성은 아연 보충으로 억제될 수 있는데, 특히 T 세포 의존적 항체 생성은 아연 결핍의 영향을 받기 때문입니다[ 209 ]. 더욱이 아연 섭취는 위에서 논의한 바와 같이 조절 T 세포를 안정화시킬 수 있습니다[ 72 ]. 이것은 음용수 및 토양의 아연과 같은 환경 요인과 관련하여 중요합니다. T1DM은 HLA-DR3-DQ2 및 HLA-DR4-DQ8 [ 318 ]과 같은 유전적 요인과 분명히 관련이 있지만 T1DM 발병 위험은 음용수 및 토양의 아연 수치가 낮을 때와 관련이 있습니다 [ 233 , 334 ]. 더욱이 아연 결핍은 IL-6 유도 STAT3 [ 145 ]의 인산화를 유발하여 B 세포의 항체 생성 형질 세포로의 분화와 자가항체 생성을 병리학적으로 증가시킵니다. 이는 자가항체 생성과 관련된 IL-6 과잉 생산 때문입니다 [ 335 ].

그러나 이 분야에서는 추가적인 분자 연구가 필요합니다. ZnT8은 여러 가지 방법으로 T2DM의 발병 기전에 관여할 수 있으며, DM 발병 위험 증가에 대한 완전한 분자 메커니즘을 밝히기 위해서는 추가적인 분자 연구가 필요합니다.