全 文 ：第24卷 第8期
2012年8月
Vol. 24, No. 8
Aug., 2012
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2012)08-0867-14
锰离子转运、代谢与稳态平衡调控
李　威，谭相石*
(复旦大学化学系/生物医学研究院，上海 200433)
摘　要：金属离子在生命体细胞内的转运、代谢、稳态平衡调控及其相关疾病的研究是生物无机化学、化
学生物学和生物医学等研究领域的一个前沿热点。锰被称作“细胞护卫”或“生命体保镖”，在生物体中发
挥重要的作用，体内锰离子的含量必须维持在一个恰当的水平，锰缺少或过量都会导致疾病或生物毒性。
因此，生物体内锰离子的稳态平衡调控对维持体内锰离子的正常生理功能至关重要。对细菌、出芽酵母、
动物的锰离子运输、代谢及其稳态平衡调控的分子机制研究分别进行综述。
关键词：锰内稳态平衡；锰转运；锰代谢；锰稳态平衡调控；锰蛋白
中图分类号：O614.7+11 文献标志码：A
Manganese trafficking, metabolism and homeostasis
LI Wei, TAN Xiang-Shi*
(Department of Chemistry/Institutes of Biomedical Sciences, Fudan University, Shanghai 200433, China)
Abstract: Manganese was known as “cell guard” or “bodyguard” of organisms for its critical role in life. As a
result, organisms naturally have evolved complicated mechanisms to effectively keep manganese homeostasis. In
this review, we summarized the manganese acquisition, transportation, utilization and regulation in bacteria, yeast
and animal cells, respectively.
Key words: manganese homeostasis; manganese transporter; manganese regulatory protein; manganese metabolism;
manganese trafficking; manganese protein
收稿日期：2012-06-04
基金项目：国家自然科学基金项目(20771029, 9101-
3001)；上海市浦江人才计划(08PJ14017)
*通信作者：E-mail: xstan@fudan.edu.cn
近年来，金属离子在生命体内的代谢、稳态平
衡及其相关疾病的研究是当前国际热点研究领域之
一 [1]。 在生命体必需元素中，微量金属元素虽然只
占人体重量的 0.05%，但它们在生命活动过程中具
有极其重要的作用。它们是多种金属蛋白 /金属酶
的活性中心。在体内已知的蛋白质中，约有二分之
一的蛋白质含有金属离子。一方面，金属离子的存
在对于金属蛋白 /金属酶结构的稳定以及功能的发
主要研究领域：生理与病理过程中的关键金属蛋白、金属酶的结构、功能和
催化分子机制；过度金属离子在细胞内转运、代谢、平衡调控的分子机制；化学
小分子 NO、CO及血红素的信号转导分子机制。主要研究内容包括：(1)介导
NO/CO信号转导的人源性可溶性鸟甘酸环化酶的结构、功能和信号转导调控分
子机制研究；(2)病原体微生物 Clostridium difficile中某些重要金属蛋白 (乙酰辅
酶 A合成酶、CO 脱氢酶、钴铁硫蛋白、甲基转移酶、MnSOD等 )的结构、功
能和基于该金属蛋白为靶点的药物研究；(3)老年痴呆症相关金属蛋白 (APP/Aβ、
MT3、CuZn-SOD)和金属离子 Cu、Fe在神经细胞内的稳态平衡调控分子机制研究；
(4)Mn、Fe转运、稳态平衡调控金属蛋白的结构、功能及其调控分子机制研究。 谭相石
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挥是不可缺少的；另一方面，金属离子与某些蛋白
的结合又可以调控或影响这些蛋白及其他生物分子
的生物功能。金属蛋白和金属酶的作用涉及到了内
稳态调节、电子传递、生物能的产生、基本生物分
子的合成、生物物质的传输、氧化应激、信号转导、
基因调控、物质 /能量代谢调控和药物代谢等各个
方面。为了满足对不同金属的需要，细胞采取多种
机制从细胞外环境中摄取金属离子，并通过一套有
效的机制来维持体内的金属离子的浓度在生理范围
内，同时保护细胞本身免受伤害。细胞内金属离子
的传递、代谢、稳态平衡的失调，是导致多种疾病
的关键因素。对细胞内金属离子传递、代谢调控的
分子机制研究有助于阐明人类疾病发生、发展的分
子机制。在此基础上，寻找用于疾病诊断的探针和
生物靶标，为疾病的防治和新型药物的设计提供新
的思路。
锰是生命体必需元素，被称作“细胞护卫”或
“生命体保镖”。锰一般以二价、三价的化合物存在
于人体中，它在肌肉、骨髓、肝、肾、胰中含量较多。
虽然锰在体内的含量很少，成人含锰 10~20 mg，但
起着非常重要的作用，如促进骨骼的生长发育、保
护线粒体的完整、保持正常的脑功能、维持正常的
糖代谢和脂肪代谢、改善机体的造血功能、抗氧化
损伤等。锰是多种具有重要生理功能的酶的组成部
分，如锰超氧化物歧化酶、锰过氧化氢酶、精氨酸酶、
丙酮酸羧化酶等。有一类称为外源凝集素的含锰蛋
白质可能具有抑制肿瘤生长的作用。锰缺乏症状可
能影响生殖能力、智力发育，可引起神经衰弱综合
征、骨和软骨的形成不正常、胰岛素合成和分泌降
低等。
最近，在各种生物，如细菌、真核酵母、高等
动植物中，研究人员运用分子生物学、生物信息学、
生物化学的手段，建立了锰摄取、转运、代谢的通
路模型，进行了结构、功能及其作用机制研究 [2-7]。
本文将对该领域的研究进展进行综述。
1　锰的存在形式及生化特性
1.1　锰在自然界的存在
锰在地壳中的丰度为 0.085%。由于锰的正电
性较大，特别是锰的硫化物的稳定性和溶解度较
大，并且是一种亲硅性元素，因而不像铁是一种普
遍存在的元素，它的矿物主要是氧化物，而非硅酸
盐 [1]。锰的主要矿石是软锰矿 (MnO2)，其他矿石还
有黑锰矿 (Mn3O4)、水锰矿 (Mn2O3 · H2O)以及褐锰
矿 (3Mn2O3 · MnSiO3)
[2]。在海洋中，锰主要以锰结
核矿石存在，多达 3 000 亿吨。在天然存在的化合
物中，锰有三种价态 (+2、+3、+4)，三价离子在溶
液中是不稳定的，而四价离子只有在比自然情况下
的 pH 低得多时才能实现 [3]。在还原环境下，锰主
要以二价存在；而在强氧化环境下，最稳定的化合
物是二氧化锰。土壤中的锰的平均浓度为 600~900
mg/kg；在沉积岩中由于锰难于被土壤和细粒的沉
淀物吸附，因此，其在石灰岩和白云石中的含量比
在页岩中丰富 [2]。有机态锰是指和有机质结合的锰，
分布于植物残体、土壤腐殖质中 [4]。
1.2　锰在生物体中的存在
植物对锰的需要量大约比铁少一半，体内的适
当浓度为 50 μg/g。植物不同生育时期和不同部位的
锰含量也有很大差异。茶叶中锰含量非常高，达数
百，甚至上千 μg/g ，因此被称为聚锰植物 [4]。近年
来，我国有关植物，特别是植物药、中草药中微量
元素含量与药效、药理方面的报道日益增多。通过
对单味补阳药和复方补阳药分析，发现其锰含量
都比较高 [5]。
锰在人体和动物体内含量甚少 [6-7]。成人体内
锰含量为 10~20 mg，分布于一切组织，以骨骼、肾、
肝、胰内含量较多。肌肉中锰含量较高，参与能量
代谢过程。锰参与造血功能，10~15 d的动物胚胎
中锰的含量很丰富。新生儿锰含量少，因为奶水中
的锰含量低 [8]。
1.3　锰的生物化学
在水溶液中，锰多以二价氧化态存在。Mn
(Ⅱ )的离子半径比 Fe (Ⅱ )、Co (Ⅱ )、Ni (Ⅱ )、
Cu (Ⅱ )、Zn (Ⅱ )要大 (如表 1)，而且常为高自旋
d5电子构型，因而配合物的形成能力弱，易离解为
水和离子 [9]。按照 Lewis 酸碱理论，Mn (Ⅱ )属于
硬酸，通常形成 6配位八面体结构。在金属蛋白
金属酶中，Mn 对咪唑基、羧基和磷酸基的亲和力
较大，形成配位的倾向较强，对巯基的亲和力较小。
一般说来，配位体对Mn (Ⅱ )的亲和力比对 Zn (Ⅱ )、
Cu (Ⅱ )要低得多，因此它不会竞争结合蛋白质中
Zn(Ⅱ )、Cu (Ⅱ )结合的部位 [9]。Mn (Ⅱ )化学性
质类似 Mg (Ⅱ )、Zn(Ⅱ )，Mn-ATP 络合物在一些
反应中是很重要的；有些迹象表明，在某些酶中，
Mn (Ⅱ )可以置换 Zn (Ⅱ )。锰蛋白一般分为锰酶
和锰激活酶 (如表 2)两种 [10]，前者中酶作为重要
的活性中心在电子传递和底物化学键的极化以及稳
定蛋白质活性中心的构象等方面起重要作用；后者
李　威，等：锰离子转运、代谢与稳态平衡调控第8期 869
基于 Mn 与 Mg的相似性，在体内半数以上的连接
酶和一些脱氢酶的活化均需要镁，而体外锰可以置
换镁参与与 ATP 的磷酸基团相互作用。Mn (Ⅲ )
在生物体内也是很重要的，如 MnSOD 活性状态时
Mn 的氧化态为 3+。 Mn (Ⅲ )具有更小的离子半径，
其与运铁蛋白的结合能力更强。另外，生物体内的
偏碱性环境也促使 Mn (Ⅱ )被铁氧化酶Ⅰ氧化为
Mn (Ⅲ )从而运输至肝外组织 [8]。
2　生物体中锰离子的摄取、转运、代谢
锰的内稳态平衡是指生物体平衡其体内Mn 摄
取、运输、储存、利用以及排出的过程，借以维持
其体内锰离子的浓度在最佳的可用水平，行使正确
的功能 [11-12]。因此生物体都有相应的一整套编码和
调节蛋白元件来保证锰的内稳态平衡。锰的内稳态
平衡主要涉及四类蛋白质：膜转运蛋白 (transporter)、
伴侣蛋白 (metallochaperone)、锰储存或者利用蛋白
(storage or metalloenzyme)、锰转录调节蛋白 (regulatory
protein)。不管是哪种蛋白质，内稳态平衡调控的分
子机制总是在于蛋白质与锰共价配位键的形成和断
裂，从而不断的对金属进行传递或者行使特定功能。
所有这些蛋白，其与锰的结合都遵循两个条件：一
是蛋白质对锰的选择性，可以区别其他二价的金属
离子 [13]；二是蛋白质对锰的亲和配位又能够被调节
以便在合适的时候将锰传递给下一个蛋白或者将锰
排出细胞外 [14-15]。
2.1　细菌
细菌的细胞膜包含外膜和内膜，细菌中锰离子
的进出及其调控如图 1所示。细菌外膜整合了三聚
的 β桶穿孔蛋白 (porin)，外界环境中的金属离子无
选择性的主动扩散过其外膜 [14]。 但是细胞质中要
求的金属离子浓度往往比环境中的高，因此内膜必
须要浓缩这些扩散进来的金属离子 [16]。内膜或者周
质空间中的锰转运蛋白就是起这个“泵”的作用。
这些转运蛋白主要靠 ATP或者通过偶联质子 /离子
浓度梯度驱动的能量转移，获得能量，迫使离子透
过细胞内膜，到达细胞质中 [17]。
2.1.1　锰离子的摄取
锰离子主要通过 ATP结合盒转运库 (ATP bind-
ing cassette transporters)[18-19] 和 Nramp 转运子 [20-22]
进入细胞质，也有研究报道少数细菌，如 Archaeoglobus
fulgidus 也会通过 P型 ATPases转运子来转运锰离
表1 生命过程重要的金属离子的化学特征
半径 (Å) a 电子结构 络合最佳几何构型 软硬度 b
Mg2+ 0.65 2p6d0 八面体，四面体 硬酸
Ca2+ 0.99 3p6d0 八面体 硬酸
Mn2+ 0.80 3d5 八面体，四面体 硬酸
Mn3+ 0.65c 3d4 八面体 硬酸
Fe2+ 0.76 3d6 八面体，三角双锥 广谱酸碱性
Co2+ 0.74 3d7 八面体 广谱酸碱性
Ni2+ 0.69 3d8 平面正方形 广谱酸碱性
Cu2+ 0.72d 3d9 直线型 广谱酸碱性
Zn2+ 0.74 3d10 八面体，四面体 广谱酸碱性
a 从科顿和威尔金森(1980)中摘录的鲍林半径;
b 皮尔森 (1963);
c 香农半径 (从赫尔姆等, 1996摘录),
d 戈耳斯密特半径; 由于姜泰勒效应，Cu2+的半径不确定
表2 重要的锰酶和锰激活蛋白[10]
种类 名称 来源 相对分子质量(kDa) n (Mn) 注释
锰酶 锰超氧化物歧化酶 小鸡肝脏线粒体 80 4 Mn(Ⅲ)
锰超氧化物歧化酶 大肠杆菌 40 2 Mn(Ⅲ)
锰超氧化物歧化酶 酵母 98 4 Mn(Ⅲ)
精氨酸酶 小鸡肝脏 120 4 Mn(Ⅱ)
碳酸酐酶 小鸡肝脏 500 4 Mn(Ⅱ)+生物素
锰激活蛋白 伴刀豆球蛋白 刀豆 26 1 Mn(Ⅱ)+Ca
肌酸磷酸激酶 肌肉 82.6 2 Mn(Ⅱ)+ATP
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子 [23]。在 Lactobacillus plantarum 中，运用 MntA
来“泵入”锰离子以满足其细胞质极大的锰需要
量 [24]，但是其转运锰离子的分子机制及其驱动力还
没有研究清楚。
对于锰离子而言，它的化学性质与 Fe类似，
其电子构型与 Zn相似，因此细菌需要区别对待
Mn、Fe、Zn的转运。根据 Irving-William 序列 [25]，
Mn对蛋白的亲和力比 Zn 要弱得多，在大肠杆菌中，
它的浓度比 Zn、Fe要低一个数量级 [11]。对于通过
ABC转运子转运的 Mn 离子，其特异性是通过 SBP
部分介导，其结构和配位状态如图 2A[26]。而 Nramp
转运子 (MntH)只对Mn、Fe等二价金属离子特异
性地吸收 [27]。Treponema pallidum TroA是特异性结
合 Mn的 ABC转运子 [28]，尽管其分子机制未完全
阐明，但是一般来说Mn(II) 结合蛋白比 Zn 结合蛋
白能提供数量更多的氨基酸配体，这可能是这类转
运子区别 Mn/Zn 的一个化学机制 [29]。
细菌另外一个锰转运系统就是 Nramp转运子
(MntH)，Nramp 蛋白超家族也广泛存在于真核生物、
高等哺乳动物中 [30]。在高等生物系统中，Nramp和
solute carrier 11 (SLC11)转运子对 Mn、Fe的摄取和
排出起着重要的作用 [31]。Nramp 家族包含许多成员，
它们定位于细胞膜或者细胞内囊泡膜上。但是
MntH 对 Mn 的亲和力比较低 [32]，实际上，Fe、Ni、
Co、Zn 均能被 Nramp转运子摄取 [33]。第一个被发
现的 Nramp 成员是哺乳动物中的 DMT1 (divalent
metal transporter)。当它在卵母细胞表达时，在 pH
7.0、细胞膜电势在 -90 mv~30 mv时，以 1:1 的比
例共同摄取 Fe 和质子 [33]。有趣的是，这类家族对
金属和质子的共转运存在“驱动力减弱”效应，即
当细胞内质子浓度升高或者膜电势升高时，其质子 -
金属偶联转运效应会消除 [33]。这被认为是金属离子
摄取的“刹车”调节 [34]。目前为止，这类家族成员
的晶体结构还未见报道，但是生化实验表明它由
11~12个跨膜螺旋组成 [34]，而且其与摄取金属离子、
偶联质子、“驱动力减弱”才相关的关键氨基酸残
基逐渐被鉴定 [35]。根据 Pearson 软硬酸碱理论，Mn
是硬 Lewis 酸，因此这类家族蛋白拥有许多与 Mn
配位的富含羧基、咪唑基的氨基酸残基，如将
DMT1中跨膜结构域 1、3、4中的D93、E154、D192
双箭头表示细菌中锰离子可以根据蛋白质网络的信号来结合和脱离特定的目标蛋白。
图1 锰内稳态模型示意图(尤其是在革兰氏阴性细菌中)
李　威，等：锰离子转运、代谢与稳态平衡调控第8期 871
突变后，它转运 Mn 离子的能力大大减弱 [34, 36]。
2.1.2　锰离子在细胞质的利用
当锰离子进入细胞质中后，为防止胞浆中的离
子浓度过高，锰离子能够被细胞内的金属螯合剂如
低相对分子质量的富含 Cys 的金属硫蛋白捕获 [37]，
或者被类似于细菌储铁蛋白 (ferritin)或 Dps complex
储存起来 [38-39]。在一些细菌中，胞浆中形成的低相
对分子质量的 Mn复合体被认为有抗氧化压力的作
用，如在 Deinococcus radiodurans中，这些 Mn复
合物有助于减少 ROS，从而降低了 DNA 的损伤，
或者是 Mn 复合物有助于分解 H2O2，降低了细菌体
内的氧化压力 [40]。
细胞质内 Mn 会直接被 ApoSOD 捕获 [41]，或
者在某些特定的伴侣蛋白 [42]的帮组下 Mn 插入
SOD 的活性中心，形成具有活性的 MnSOD. 超氧
化物歧化酶是细菌内清除活性氧，降低氧化压力的
主要蛋白之一，它在细菌中广泛分布。
2.1.3　锰离子的排出及解毒
当细胞内锰离子的浓度过高，细菌用以下三种
方式来调节其胞质内锰离子的浓度以便维持其稳态
平衡：(1)通过处于细胞内膜上的 CDFs (cation diffusion
facilitators )[43]、P-type ATPases[44] 和 tripartite RND
(resistance-nodulation-cell division)转运子 [45]将多余
的锰离子排出细胞；(2) 通过胞浆中的低相对分子
质量螯合剂或者 MT 蛋白来解毒；(3)通过基因水
平上的调控。
生物体内锰离子内稳态平衡调节蛋白 (regulatory
protein)在基因转录水平上控制 Mn 的摄取和排出，
即控制其内膜上的 转运蛋白 (transpoter protein)、内
膜上负责排出锰离子的蛋白 (detoxification proteins)、
细胞胞质中的螯合蛋白 (chelator protein)的表达水
平 [46]。这些调节蛋白或者称为锰离子敏感器 (sensor)
起着转录抑制因子的作用，其作用方式类似于细
菌中被研究得很清楚的 Trp repressor[47]：即当细胞
内锰含量上升时，调控蛋白 (regulatory protein)与
锰离子配位，引起蛋白质的结构变化，从而以有
利的构象去结合转运蛋白基因上的转录增强子
(promoter)，使得 RNA 聚合酶无法结合，从而导致
转录的抑制。
调控研究主要集中在以下方面。(1)金属的特
异性识别。由于金属离子的相似性，所以不同的金
属 敏感器蛋白进化了相应的结构元件来控制对于不
同金属的特异性识别，它们往往通过配位化学的形
式，或者是结合热力学熵变和焓变的不同，亦或是
每个超家族成员的晶体结构彩带示意图都总结出了各自
的显著特征。各个结构显示顺序如下：A, Archaeoglobus
fulgidus MoO4—ABC 转运蛋白与 MoO4的复合物晶体(PDB
ID: 2ONK); B, Archaeoglobus fulgidus CopA 单体, 一类铜(I)
选择性 P18B 类型 ATP酶 (PDB ID: 2VOY); C, 大肠杆菌锌(II)
转运 CDF 蛋白 YiiP与 Zn 的复合物晶体结构(PDB ID: 2QFI)
图2 金属转运蛋白家族成员的结构图
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结合动力学的差异、位阻效应，来达到对金属特异
性响应的目的。但是环境中金属的含量高低也会影
响其金属响应种类的改变 [31]。关于金属特异性问题
情况比较复杂，体内实验和体外实验结果有时不一
致，或者当细菌处于不同的生存环境时，情况也会
发生变化，所以目前体外实验的数据只能是一个参
考，没有定性 [32]。(2)金属结合上蛋白之后，蛋白
质怎样进行别构，从而去结合相应的 DNA 序列，
该过程也研究得很多。负责锰离子内稳态平衡的调
节蛋白属于 DtxR 蛋白超家族，其主要成员来自
Corynebacterium diphtheriae (DtxR) 、M ycobacterium
tuberculosis (IdeR)、B acillus subtilis (MntR)、T.
pallidum (TroR)(图 3)。 DtxR、IdeR 被认为是调控
细菌中 Fe (Ⅱ ) 平衡的感受器 [38]，但是体外实验表
明，它们也能被 Ni (Ⅱ )、Co (Ⅱ )激活结合DNA[48]，
但是不结合 Mn (Ⅱ )。MntR被认为是 Mn (Ⅱ )依
赖性感受器 [49]，体内实验表明 MntR 主要响应 Mn
(Ⅱ )、Cd (Ⅱ )，但是体外的金属激活实验表明，
它也能结合 Ni (Ⅱ )、Co (Ⅱ )、Fe (Ⅱ )、Ca (Ⅱ )，
但是其激活能力不如 Mn (Ⅱ )[50-51]。TroR 是 1999
年 Norris 等在 Gene上报道的一个调控 T. pallidum
ABC转运子 Fe离子依赖性的调控蛋白质，随后
TroR 的体外研究因为难于在大肠杆菌中制备可溶
性重组蛋白而相对较少。1999年，Gherardini小组
在 PNAS上报道 TroR为锰依赖性蛋白 [52]；2003年，
Radolf 小组报道它在体内却是 Zn (Ⅱ )依赖性的感
受器 [53]。本课题组对 TroR 也做了深入的研究，园
二色性光谱和等温量热滴定实验表明它是一个锰依
赖性调控蛋白。
蛋白质晶体学研究为在分子水平上理解蛋白质
与金属离子的相互作用提供了便利。调控蛋白被解
析出的晶体结构很多，多半是由于这类蛋白的
Helix 结构比较有序，便于蛋白的晶体学堆积。一
般来说，DtxR 蛋白家族成员的同源性较高 (图 4)，
其三维结构大体类似，都具有 N 端的 DNA结合结
构域、中间的二聚化结构域和 C 端的 link α螺旋结
构域。对于 DtxR，其 C 端还存在一个类被认为介
导与 DNA 的作用的 SH3结构域，(图 4)。DtxR、
MntR 在不结合金属与结合不同金属时的晶体结构
都已被解析 [51]，这为理解其金属特异性和结合金属
后构象变化更适合 DNA 结合提供了结构基础 [54]。
MntR 结合 Mn时的晶体结构显示：MntR 结合
两个Mn原子，分别采用八面体 (MnA)和畸变八面
体 (MnB)的结构，两个 Mn 通过两个谷氨酸 (Glu)
羧基和一分子水桥连，双 Mn 的距离为 3.3 Å。目前，
Zn结合 MntR 的晶体也被解析，有趣的是，蛋白分
DtxR 家族的金属调节蛋白的二级结构显示在序列上端：卷曲线表示α-螺旋，箭头表示β折叠。结构上保守的氨基酸残基用蓝
色的方框突显。绿色星表示不同的金属结合残基，蓝色星表示保守的金属结合残基，红紫星表示 TroR 中可能与金属结合的
氨基酸残基。
图3 T. pallidum TroR、B. subtillis MntR、C. diptheriae DtxR和S treptococcus gordonil ScaR的一级序列比对
李　威，等：锰离子转运、代谢与稳态平衡调控第8期 873
子只显示结合一个 Zn原子，且采取构象不合理的
八面体配位结构，这就可以解释为什么 Zn 不能激
活 MntR[51]。
最近，脱金属MntR 的结构显示，与 Mn (Ⅱ )
结合状态下的结构相比，其二聚体 N-端的与 DNA
结合的螺旋的构象比较柔和，且距离也较大 [54]。自
旋标记的溶液状态下的 EPR 光谱研究也证实这一
点 [55]。溶液中的氢氘交换质谱研究表明MntR α4 螺
旋 (linker helix)中酰胺质子与溶剂交换的速率在脱
金属时确实比结合Mn时快，即在Mn 结合后，蛋
白的溶剂可及面积减少了，蛋白的刚性增加 [56]。晶
体学与溶液谱学共同解释与其他调控蛋白被激活的
过程一样，MntR 被 Mn 激活是一个熵驱动的过程，
即在直接与 Mn 配位的氨基酸残基的拉动下，MntR
的蛋白刚性加强，体积变小，疏水作用增强，以便
和 DNA 结合。本实验室的 ITC实验也表明，Mn
结合 TroR 确实是一个熵驱动的过程。
总之，细菌中锰内稳态平衡研究得相对比较透
彻，参与摄取、转运、排出过程的蛋白质超家族的
结构比较明确或者同源结构已被解析。锰含量控制
是一个多种蛋白参与、协作、复杂的调节过程，它
们明确分工，确保锰离子维持在合适的浓度，定位
在细胞合适的位置。
2.2　酵母
酵母是最简单的单细胞真核生物，它往往作为
研究某个生命过程的模型生物。真核生物中锰金属
内稳态平衡维持的研究往往是以 Saccharomyces
cerevisiae 为模型，鉴定和探索其与摄取、转运、利
用和排出过程相关的蛋白质及其作用机理，然后通
过生物信息学分析，进而研究后生多细胞生物或者
是高等动物细胞锰含量调节机制。与细菌中锰内稳
态调节主要在转录水平上不同，出芽酵母中锰金属
含量控制主要在蛋白质翻译后修饰水平，主要是相
关蛋白质在细胞内的定位和半衰期的长短 [57]。
自从 20世纪 90年代后期酵母的全基因组被测
序，通过生物信息学分析，部分与 Mn 离子内稳态
平衡相关的蛋白逐渐被发现 [58]。根据目前鉴定的成
果，酵母细胞内 Mn 的内稳态可以用以下模型来描
述 (图 5)。
Mn 被细胞膜上的 Nramp家族中的 Smf1 (sup-
pressor of mitochondria import function 1) 摄取，然
后通过细胞内囊泡膜上的 Smf2 携带至细胞内的各
个区室，主要在线粒体中被伴侣蛋白 MTM1 插入
至 超氧化物歧化酶 (MnSOD)中，行使抗氧化功能，
多余的 Mn 被 PMR1 泵入高尔基体中进入分泌途
径，最终排出细胞外。下面就具体讨论每个过程的
细节机制和其调控方式。
2.2.1　锰离子的摄取与调控
早在 1992年，Smf1和 Smf2 就被鉴定出具有
拮抗线粒体中没有金属转运能力的蛋白功能的能
力 [59]，这两个蛋白就是以这个功能命名的。1995年，
Nelson小组鉴定出 Smf1是对 Mn有高亲和力的
Nramp家族成员 [60]。与其他 Nramp 家族成员一样，
Smf1对 Mn的转运没有特异性，它也能转运 Ca、
Cd、Zn、Fe、Co等金属 [61]，且也与质子的转运偶联，
锰离子以球形显示。
图4 Holo DtxR(上)和MntR(中)的晶体结构彩带显示
图以及 Holo MntR的金属结合中心的棍棒模型图(下)
生命科学 第24卷874
但是它并没有“驱动力减弱”效应 [62]。随着酵母基
因组被测序，Smf2 也被鉴定 [57]。
序列比对显示：Smf1和 Smf2 的氨基酸序列
与哺乳动物中 DMT1 有 30% 的一致性和 50% 的相
似性，尽管如此，许多生化实验表明，Smf1 和 Smf2
有着各自独特的功能 [63]。在酵母细胞中，Smf1主
要定位在细胞膜上 [64]，Smf2主要在定位在细胞质
囊泡膜上 [60]，且 Smf1的数量远远超过 Smf2 的数
量 [57]，因此，早期人们认为 Smf1 的功能主要是从
细胞外环境中摄取 Mn 离子，而 Smf2 是负责细胞
内 Mn 的运送 [65]。但随后的基因敲除实验表明，
Smf1∆ 酵母株中，其锰依赖性的蛋白质的活性，如
高尔基体中的糖基转移酶、线粒体中的 SOD的活
性与野生型相比，并没有太大变化 [66]，但是 Smf2∆
酵母株的情况恰恰相反 [67]。随后一系列的生化研究
表明 [68]主要是 Smf2从细胞外摄取 Mn，而且定量
数据表明：它的数量很少，常规的生化检测探测不
到位于细胞膜上的 Smf2 蛋白，所以才造成以前错
误的结论 [69]。直到 2009 年，Smf1 被确定具有抗氧
化功能 [63]。如上文提到，在生物体内，除了 MnSOD
主要起抗氧化作用之外，Mn 也会和胞浆中小分子
螯合剂结合，同样也有猝灭活性氧的能力。Culotta
课小组 2009 报道在 sod1∆ 背景酵母株中，Smf1∆
而不是 Smf2∆ 敲除株酵母的抗氧化能力减弱 [63]。
它们的各自功能用见 (图 6)。
酵母对锰离子含量的调控主要是要控制 Smf1
和 Smf2 的含量。但是与细菌中在转录水平上的调
节不一样，酵母中 Smf1 和 Smf2的含量控制主要
在翻译后修饰水平 [70]。在正常锰含量的生理环境下，
90% 的 Smf1 和 Smf2 会在囊泡中降解 [71]，但是在
锰含量不足时，它们主要定位在细胞膜上，其降解
量减少；锰含量充足时，它们主要定位在囊泡里，
其降解量增加 [72]。
Smf1 和 Smf2 的降解过程是通过“胞外降解”
来实现 [73]，首先 Smf1 和 Smf2 被转移至高尔基体，
然后被泛素化标记，进而转移至多泡体 (MVB)中，
最后通过膜整合过程，进入囊泡内最终被蛋白酶体
降解 [71]。
Smf1 和 Smf2 被泛素化标记的分子机制研究得
比较透彻 [74]。其降解由 HECT 结构域 E3 连接酶
Rsp5p 和 两种 adaptor 蛋白 Trep、Bsd2p 介导 [65]，
后者含有 Rsp5p 特异识别的 PY 结构域，起结构连
接导向作用，泛素化的过程是：首先 Rsp5p 与
Bsd2p 形成复合物，Smf1/2 与 Trep1/2 形成复合物，
然后这两对复合物结合，从而将泛素连接至 Smf1/2
上 [75](图 7、8)
当环境中的 Mn 含量充足时，酵母可以通过细
胞膜上的磷酸盐转运蛋白 (Pho84p)来摄取 Mn[76]。
Pho84p 属于磷酸盐 /质子同向转移超家族，共有
587 个氨基酸残基，12个跨膜螺旋 [77]。同源蛋白的
三维晶体结构和 ESR 研究表明，它的 12个跨膜螺
旋有中间一大段 loop 连接，将蛋白分割成同源的 6
个跨膜螺旋束 [77]。1999 年，Persson 小组发现在体
外 Pho84p 的底物是二价金属磷酸盐 (MeHPO4)，其
中二价金属偏好 Mn、Co，但是在体内更喜好 Mg，
由于培养基中 Mg 的含量高于 Mn[78]。随后，Colutta
小组在分析对 Mn 毒性有抵抗力的酵母突变株基因
组时，发现 pho84 突变株显示出强的 Mn 抵抗性，
但是当 Mn 被 MnSOD 或者胞质中抗氧化剂利用时，
Pho84p 摄取 Mn 的贡献变小，因此，他们认为这条
图5 酵母细胞中锰摄取、转运、利用、排除模型
李　威，等：锰离子转运、代谢与稳态平衡调控第8期 875
通路摄取 Mn 是生物有害的，是酵母摄取磷酸根时
的副产物，而非为了摄取 Mn [79]。
2.2.2　锰离子的利用
锰离子在酵母细胞中的利用与细菌类似，主要
被胞浆中的非蛋白螯合分子捕获，行使抗氧化的功
能和被细菌中以 Mn 为辅基的蛋白质或者酶利用。
如前所述，Smf1 主要介导胞浆中低相对分子质量
Mn 复合物抵抗氧化压力。Mn 可以被位于高尔基体
Smf1p 主要位于细胞膜上和细胞内囊泡膜(蓝圆形表示)上，主要负责向细胞胞浆中非蛋白类抗氧化物质提供锰离子，这些物
质的作用与 Cu/ Zn SOD1 相同。Smf2p 主要位于细胞内小泡膜上，当然也有少部分位于细胞膜上，主要负责从环境中摄取
锰，进一步被高尔基体中的糖基转移酶 (STase) 和线粒体中的超氧化物歧化酶(Sod2p)利用。
图6 Nramp转运蛋白Smf1p和Smf2p各自不同的功能示意图
当细胞中的锰含量充足时，结合了锰离子的Smf 蛋白(包括 Smf1p 和 Smf2p)以 Bsd2p-Trep1-Trep2(合称 Trep)方式被 Rsp5p泛
素化，然后运往囊泡中降解。
图7 Bsd2p对Smf蛋白的调节示意图
生命科学 第24卷876
膜上的 Pmr1p (plasma membrane ATPase related)转运
蛋白泵入高尔基体中，然后整合进糖基转移酶中，
对蛋白质进行糖基化修饰 [80]。最主要的用途是 Mn
被 Smf2 送进线粒体中，在 MTM1 伴侣蛋白的帮助
下，插入到 MnSOD 活性中心 [81]，MnSOD 在生物
抗氧化方面发挥重要作用。但是这两个蛋白间传递
Mn 的分子机制并不清楚。
2.2.3　锰离子的排泄与解毒
当锰离子含量过高时，酵母需要将它泵入高尔
基体内，然后通过分泌途径排出细胞外 [82]。通过位
于高尔基体外膜上的 Pmr1p，将胞浆中的 Ca2+ 和
Mn2+ 转运至高尔基体腔内 [80]。Ca2+ 和Mn2+ 在高尔
基体中有助于刚合成的蛋白质的加工、分选、转运
和分泌。Ca 是高尔基中蛋白质分选必需的，Mn 是
高尔基体中糖基转移酶的辅因子，后者是生物体中
糖蛋白的后加工所必需的酶。
Pmr1p是 SPCA (secretory pathway Ca 2+ATPases)
家族在原核生物中的同源成员，SPCA 存在于各种
真核生物中，如真菌、线虫、果蝇和哺乳动物 [83]。
Pmr1p 与 人 SPCA1/2 的同源性高达 50%。人 SPCA1
基因突变导致 Hailey-Hailey 病 [84]。Rao 课题组对
SPCA转运子转运 Ca、Mn 分子机制及特异性方面
做了详细研究 [85]。他们发现 SPCA转运子N 端 “EF”
模序和跨膜 4~6螺旋中的含羧基氨基酸对 Ca、Mn
的结合及偏好有重要影响 [86]。
最近，Colutta 课题组研究表明，Pmr1p 与 Smf1
共同作用才能使 Mn 被胞浆中小分子螯合剂捕获，
与 SOD 一样发挥抗氧化功能，但是具体的分子机
制还不清楚。他们提出 Pmr1p 将 Mn 泵入高尔基体，
Smf1 将高尔基体腔内 Mn 又泵回至胞浆，共同维持
Mn 在胞浆中的浓度 [87]。
当锰离子含量过高时，酵母细胞也可以通过囊
泡解毒。囊泡中的 Mn浓度高于胞浆，作为胞浆中
Mn的储存元件 [88]。 2001年，Kaplan 等发现 Ccc1p
是位于囊泡膜上转运 Mn、Fe 的转运蛋白 [89]。但到
目前为止，Mn 是怎样被转运出囊泡尚不清楚。
A，当锰含量正常时，在非致毒的水平下，90% 的Smf1p蛋白在合成后被Rsp5p泛素化，然后运送至囊泡中，泛素化过程由
Trep-Bsd2p适配体复合物介导。其余 10% 的 Smf1p 蛋白被分选至细胞表面或者细胞内的分泌小泡的膜上。B，当处于锰饥饿
状态时，Smf1p不运送至囊泡中降解，而是被运送至细胞膜上。C，当环境中锰过量时，Smf1p的降解分两个阶段进行。在
快速阶段，位于细胞膜上的Smf1p快速内吞，然后被运送至囊泡中被Rsp5p降解。慢速阶段只发生在长时间处于锰中毒状态
时，细胞内的Smf1p以非Rsp5p依赖的方式被运送至囊泡中。
图8 Smf蛋白代谢的多重调节过程
李　威，等：锰离子转运、代谢与稳态平衡调控第8期 877
综上所述，酵母这个简单模型生物的基因操作
和生化鉴定方便地促进了真核生物中 Mn 内稳态平
衡的研究。尽管许多 Mn 转运蛋白 (Smf1、Smf2、
Pho84p)、细胞内 Mn 运输蛋白 (Smf1、Smf2)以及
运输至高尔基体和囊泡蛋白 (Pmr1p、Ccc1p)已经
被鉴定，但是真核生物细胞结构、代谢通路更加复
杂，必定还有许多的转运蛋白、分子伴侣、调节机
制还有待于被鉴定。而且 Smf1、Smf2 蛋白怎样在
细胞中来回穿梭运动，以及它们如何穿过线粒体膜
将 Mn 传送给 MnSOD，这些问题都有待进一步研
究。
2.3　动物
动物作为最高级的生命形式，其情况也更加复
杂，目前的研究进展甚少。但是由于真核酵母的许
多细胞元件与高等后生生物以及高等动物相似，所
以动物细胞中的锰的内稳态平衡可以由酵母模型做
出合理的推测。
动物主要从食物、空气和水中摄入锰。锰在消
化道中吸收缓慢而不完全。吸收部位主要在十二指
肠，空肠和回肠吸收很少 [8]。位于十二指肠壁上的
DMT1 主要负责 3%~5% 的食入锰的吸收。另外，
巨噬细胞里的吞噬小体膜上的 Nramp1 也会吸收少
量的锰，再释放至胞质中 [90]。锰的吸收程度取决于
胃液酸度和锰化合物的溶解度 [10]。食入锰有 97%
以上由粪便排出。
锰离子调控人类 Nramp 转运蛋白含量的报道
少有，但是有研究表明，人类表达 Bsd2的同源蛋
白 Ndfip1和 Rsp5p 的同源蛋白 WWP2，并且类似
于酵母细胞中 Bsd2p/Rsp5p降解 Smf1p和 Smf2p，
Ndfip1/ WWP2 也可以降解 DMT1[91]。但是，锰离
子影响这个降解过程的分子机制目前还不清楚。
从小肠吸收的锰，经过小肠上皮细胞附着进入
血浆，在血浆中锰以 Mn (Ⅱ )与 β-球蛋白结合为
特殊的 β-球蛋白转移蛋白，也称转锰素 (transman-
ganin)，负责 Mn 的血浆运输 [8]。一小部分的 Mn 进
入红细胞形成锰卟啉，被迅速转运到含线粒体丰
富的细胞中去，以不溶性磷酸盐的形式储存于肝、
肾、脑和肌肉等中 [6]。另一部分可以被铁氧化酶
(ferroxide Ⅰ )氧化成锰 (Ⅱ )，然后与运铁蛋白结
合，被肝外组织吸收。细胞内大概有 2/3 的锰位于
线粒体中 [8]。
锰可以穿过血脑屏障，而且随着时间的推移，
锰在脑组织的相对贮存量大于肝、胰、肾 [8]。脑中
锰含量过高会形成类似于先天性帕金森的“多锰
病”[92]。有许多研究对锰的神经毒性机制作出了推
测。包括高锰导致线粒体功能异常 [93]；影响多巴胺
(DA)、谷氨酸 (Glu)和 γ-氨基丁酸 (GABA)等神经
递质的含量 [94]。锰在大脑神经元的解毒与酵母中的
有共同点：SPCA2 蛋白与酵母高尔基体膜蛋白
Pmr1p 同源，有研究表明，在处于高浓度锰的小鼠
神经元中，SPCA2 的表达量上升 [95]。最近在人细
胞溶酶体膜上发现转运锰的蛋白 ATP13A2，它的自
然突变导致 Kufor-Rakeb 综合征 [96]。但是其分子机
制并不清楚。
3　锰与其他金属的相互作用
锰的生物学效应往往受到体内其他微量元素的
影响，也就是说锰与生物体内其他金属元素存在着
相互作用。由于过渡金属元素在离子半径、电正性
等方面的类似，所以许多 Mn离子的转运与吸收蛋
白对于金属的选择性较差，金属离子之间存在着竞
争关系；另一方面，它们在某些蛋白的活性中心也
可以互相代替。早在 1975年，Burch就报道了猪食
用低锰食物 (0.59 μg/g) 之后，组织内锰和硒的含量
均降低，铜、锌的含量并不受影响，并认为是锰减
少组织对硒的吸收和加强了硒的排泄；而在低硒的
环境下，锰对大鼠血浆内维生素 E 水平影响较大 [97]。
这对研究克山病有着积极的意义。又有研究表明，
锰中毒患者血清中锌明显下降 [98]；接触铅可能影响
正常的血清锰值 [7]；给动物大量锰时，多数出现贫
血，血清和器官中的铁含量下降，血红蛋白合成延
迟，锰的大量吸收抑制了铁的吸收 [99]；锰和镍对自
然杀伤细胞的拮抗作用也受到关注 [100]。
4　结束语
锰的生物化学性质使它既是生命体必需的元
素，但同时又是潜在有毒的生物金属。所以不论是
哪一级的生命形式，都具有非常精妙、复杂的调节
网络来控制体内锰的含量，以保证在合适的位置需
要使用的细胞元件在合适的时机来使用锰元素。生
物对金属量的控制以及对金属种类的控制也处于动
态过程中，随着环境以及自身生命时期的变化，其
需求和控制能力也会发生变化。从目前的研究成果
来看，细菌中锰离子摄取、运输、利用、排泄过程
的分子机制了解地比较清楚，尤其是借助蛋白质晶
体学的手段，能从原子水平理解蛋白质是怎样来吸
纳金属、辨别金属和利用金属的，但是在辨别众多
二价金属的特异性方面，由于情况的复杂性，实验
生命科学 第24卷878
者的方法、操作不一样，数据难以统一。对于单细
胞出芽酵母，锰简单的代谢通路模型被建立，但是
目前不管是 Nramp转运子还是分泌途径Ca2+ATPases
转运子，蛋白质晶体学研究难度较大，因为它们都
是大分子膜蛋白，结晶很不容易；而且真核生物中，
细胞结构更为复杂，体内体外生物实验结果分析有
难度，因此，酵母中锰离子的内稳态平衡研究的分
子机制研究还比较粗浅，进一步分子机制问题和蛋
白质的定位分泌问题有待进一步研究。关于高等动
物中的锰内稳态平衡研究更加复杂，许多数据是根
据酵母模型推理得出，直接的动物实验数据也仅仅
是在细胞水平，活体实验的数据更加有限，因此要
弄清楚动物体内锰离子稳态平衡问题需要更直接的
实验证据。
[参　考　文　献]
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