Zinek a jeho vztah k nádorům prostaty

Souhrn

Zinečnaté ionty (Zn²⁺) jsou významným esenciálním prvkem, nutným pro správnou funkci savčích buněk. Podílejí se na regulaci imunitního systému, genové exprese, energetického metabolismu, transdukce signálu a plní strukturální funkci. Protože vyšší hladiny těchto iontů působí toxicky, je nutná přesná regulace jejich hladiny. Na té se podílejí zinkové přenašeče a zinek-vázající proteiny, zejména metalothioneiny. Prostatická tkáň je v metabolismu Zn²⁺ specifická. Její buňky akumulují až desetinásobně větší množství těchto iontů. Karcinom prostaty, časté nádorové onemocnění mužů, je charakteristický rozdílnými a nepříliš jasnými mechanismy, které slouží pro udržování hladiny Zn²⁺. To má dva významné důsledky:

• podíl na patogenezi onemocnění (vlivem na apoptózu), a



• zvýšení sérové hladiny metalothioneinu (s možným využitím jako nádorového markeru onemocnění).

Klíčová slova:
Zinek, metalothionein, thiolové sloučeniny, rezistence, nádorové onemocnění.

Úvod

Hlavní funkcí prostaty je tvorba seminální tekutiny, která tvoří až 30 % jejího celkového objemu. Úkolem prostatické frakce seminální tekutiny je vytvořit prostředí vhodné pro přežívání spermií v nepříznivých podmínkách vaginy (1). Tato slabě zásaditá frakce obsahuje prostaglandiny, řadu enzymů, zinečnaté ionty a citrát. Prostatické buňky jsou jedinečné v křížení metabolických drah, obsahu zinečnatých iontů a citrátu, k němuž u jiných buněk dochází spíše výjimečně. Akumulovaný zinek v prostatě blokuje enzymy, které by jinak zapříčinily vstup citrátu do Krebsova cyklu. Tyto metabolické dráhy jsou u karcinomu prostaty změněny a k akumulaci zinku a citrátu dochází v omezené míře, anebo vůbec, protože je tento mechanismus blokován zcela.

Zhoubné nádory prostaty

Nádory prostaty patří k nejčastějším nádorovým onemocněním mužů. Jejich incidence se v České republice pohybuje kolem 100 případů na 100 000 mužů (2). Jsou druhou nejčastější příčinou úmrtí na nádorové onemocnění, předcházené novotvary průdušek a plic. Je pro ně typická incidence ve vyšším věku, ve věkové skupině 50–54 let dosahuje 58,8 případů na 100 000 mužů, ve věkové skupině 70–74 let je více než dvanáctinásobná (2).

Incidence tohoto onemocnění se od roku 1990 přibližně zdvojnásobila, což je důsledkem stárnutí populace a rutinního vyšetřování sérových hladin prostatického specifického antigenu (PSA) u starších pacientů. Vyšší hodnoty tohoto markeru nebo rychlý vzestup jeho hladin indikuje pacienty k biopsii. I přes vysokou senzitivitu a specifitu tohoto nádorového markeru je řada pacientů indikována na zbytečná vyšetření či neadekvátně léčena. V naprosté většině se totiž jedná o nádory klinicky němé, pomalu rostoucí s malým potenciálem metastázovat. Jsou proto často rozpoznané až u pitvy pacientů zemřelých na jinou příčinu (1).

Nádory prostaty se vyskytují nejčastěji (70–75 %) v laterálních částech prostaty, která je dostupná fyzikálnímu vyšetření per rectum (1, 3). Zhoubné nádory jsou typicky multifokální (až v 85 % případech), ložiska jsou často mikroskopických rozměrů s jednoznačně negativním fyzikálním vyšetřením (3). Většina přibližně 95 % nádorů, jsou histologicky acinární adenokarcinomy odvozené z glandulárního epitelu, o různém stupni diferenciace, od špatně diferenciovaných až po dobře diferenciované, mnohdy těžko odlišitelné od benigně hyperplastických žláz (3). Zbylých 5 % tvoří adenokarcinomy:

• duktální,
• mukózní,
• karcinomy přechodné,
• malobuněčné,
• dlaždicobuněčné, a 
• bazocelulární.

Typickou vlastností většiny karcinomů prostaty je jejich závislost na androgenech. Androgen-ablační léčba je proto postupem používaným při pokročilých stádiích onemocnění a je prováděna chirurgickou nebo chemickou kastrací. U pokročilých stádií androgen-nezávislých forem je metodou volby chemoterapie. Léčba zářením je léčbou volby kostních metastáz (1).

Zinek a prostata

Jak je uvedeno výše, prostata se podílí na tvorbě 30 % objemu seminální tekutiny. Do té uvolňují epiteliální buňky prostaty prostaglandiny, řadu enzymů, zinečnaté ionty (Zn²⁺) a citrát (4). Metabolismus těchto látek, zejména Zn²⁺ a citrátu, je v prostatických buňkách odlišný oproti řadě jiných tkání. Citrát se běžně využívá v Krebsově cyklu za vzniku ATP. Aby nedocházelo ke vstupu citrátu do tohoto cyklu a jeho následné degradaci v něm, musí být zablokován mitochondriální enzym akonitáza, přeměňující citrát na izocitrát (5).

Akonitáza je blokována právě zinečnatými ionty, které prostata akumuluje ve zvýšené míře, až desetinásobně více oproti jiným tkáním (6). Na akumulaci Zn²⁺ se podílejí zinkové přenašeče, zodpovědné za redistribuci zinku mezi extracelulárním prostředím, cytoplazmou a organelami, a zinek-vázající proteiny. Touto drahou však přichází prostata o podstatnou část energie v podobě ATP (65 % ATP oproti kompletní oxidaci glukózy) (5).

Zinek má kromě přímých efektů na akonitázu také další vlivy, a to indukce apoptózy cestou cytochromu C a regulace exprese řady genů prostřednictvím kináz (7). Apoptózu způsobuje přímými vlivy na jádro a mitochondrii a dále regulací apoptických signálních drah (7).

Role zinku u karcinomu prostaty

Pro karcinom prostaty je typická nevratná ztráta schopnosti akumulovat Zn²⁺ (6, 8). Snížení schopnosti akumulace Zn²⁺ je způsobeno dosud neznámými vlivy snižujícími expresi zinkového přenašeče ZRT-IRT-like proteinu 1 (ZIP-1), který je transmembránovým proteinem zodpovědným za přenos Zn²⁺ do buněk (9). To vede zejména ke snížení apoptického působení a ke ztrátě schopnosti produkovat citrát ve zvýšené míře (10). Dochází ke snížení inhibičního vlivu na enzym akonitázu, jak je tomu u buněk zdravé prostaty (Obr. 1). Citrát tak může vstoupit do Krebsova cyklu a buňky karcinomu získávají výhodu v podobě schopnosti získat více energie (6).

Zinek – výskyt a jeho fyziologická funkce

Řada epidemiologických studií poukazuje na nedostatečný příjem zinečnatých iontů potravou (11). Na základě mnoha uskutečněných studií je doporučováno dospělým lidem přijímat potravou přibližně 50 mg Zn²⁺ denně (12). Průměrně je však potravou přijímáno v USA a v Evropě asi pouze pětina tohoto doporučeného množství (13). Častým projevem nedostatku zinečnatých iontů je ztráta chuti k jídlu (13). Při jejich dlouhodobějším nedostatku dochází k dalším patofyziologickým projevům, jejichž míra projevu je závislá na míře nedostatku zinečnatých iontů (13). Mezi nejvíce zastoupené příznaky je možné zařadit zpomalení růstu dtí, narušení funkcí imunitního systému. Dále se objevují dermatitidy, prodlužuje se doba hojení ran, dochází k nefyziologickému vývoji plodu, zpomaluje se sexuální vývoj a objevují se neurologické příznaky, jako je třes (13, 14).

Zinečnaté ionty (Zn²⁺) jsou esenciálním prvkem nezbytným pro správnou funkci buněk. Jsou kofaktorem řady proteinů. Zn²⁺ jsou tak nezbytné pro správnou funkci transkripčních faktorů, enzymů a strukturních proteinů. Podílejí se na regulaci imunitního systému, genové exprese, energetického metabolismu, transdukce signálu a řadě jiných funkcí (7).

Koncentrace zinku v intersticiální tekutině se pohybuje v rozmezí 2–5 ∝M. Hladina volného Zn²⁺ je však výrazně nižší, přibližně 200 nM (7). Většina je totiž vázána na albumin a α2 makroglobulin. Vedle toho se v buňkách koncentrace Zn²⁺ pohybuje v rozmezí 100-500 ∝M. Většina tohoto obsahu je asi 90 % vázána na proteiny pevně. Pouze 10 % funguje jako rezervní forma Zn²⁺, která je vázána na sloučeniny s nízkou molekulovou hmotností:

• metalothionein,
• aminokyseliny (cystein, histidin, prolin), a 
• organické kyseliny (citrát, oxalát) (5, 15).

Přibližně 30–40 % Zn²⁺ se vyskytuje v jádře, asi 50 % je v cytoplazmě a v konvenčních organelách (mitochondrie, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, endozomy a lysozomy) a zbytek je vázán na buněčné membrány (16).

Podobně jako jakýkoli jiný kov, vyšší hladiny Zn²⁺ mohou mít toxické účinky (14). Je proto nutná přesná regulace hladiny tohoto jinak esenciálního prvku. Tu na buněčné úrovni zajišťují zinkové přenašeče a zmíněné intracelulární Zn²⁺-vázajícími proteiny (Obr. 1). Klíčovým regulátorem jak přenašečů, tak Zn²⁺-vázajících proteinů je metal-responsive-element-binding transcription factor-1 (MTF-1). MTF-1 ovlivňuje expresi metalothioneinů a zinkových transportérů, zejména těch zodpovědných ze eflux (14). Mimoto má MTF-1 účinky nesouvisející s metabolismem Zn²⁺, a to především v molekulárních mechanismech odstraňujících toxicitu těžkých kovů a v reakcích souvisejících s oxidativním stresem (14). Zjednodušené schéma je ukázáno na obrázku 2.

Zinkové přenašeče

Za transmembránový přenos Zn²⁺ jsou zodpovědné dvě rodiny přenašečů:

• rodina „Zrt- Irt-like Protein“ (ZIP), a 
• rodina Zinc-transporter (ZnT).

ZIP přenašeče jsou zodpovědné za influx Zn²⁺ do cytoplazmy, tedy přesun z extracelulárního prostředí do cytoplazmy a z organel do cytoplazmy.

Transportéry CDF zodpovídají naopak za eflux Zn²⁺, tedy transport z cytoplazmy do extracelulárního prostředí a do organel (8). Metabolismus Zn²⁺ je regulován na úrovni transkripce těchto transportérů.

Zn²⁺ není jediným kovem, který může být těmito transportéry přenášen. ZIP přenašeče jsou v menší míře zodpovědné také za influx železa, manganu a kadmia do cytoplazmy. U lidí bylo popsáno 14 podtypů přenašečů této rodiny, nazývaných ZIP1–14 (17, 18). Jak mechanismus regulace jejich exprese, tak mechanismus transportu Zn²⁺ není zcela zřejmý. Exprese některých transportérů ZIP se zvyšuje při nedostatku Zn²⁺. Tak je tomu např. u přenašeče ZIP1, 2 a 4. Není jasné, zdali se tak děje cestou transkripční aktivace, nebo stabilizace mediátorové RNA (19).

Naopak, je-li Zn²⁺ nadbytek, dochází k inaktivaci transportérů. Ty jsou označeny ubiquitinem a degradovány ve vakuolách (20). Tento efekt byl popsán u kvasinek a podobný mechanismus se dá očekávat také u savčích buněk.

Rodina přenašečů ZnT zastává opačnou funkci oproti transportérům ZIP – transportují Zn²⁺ z cytoplazmy do extracelulárního prostředí a do organel. Chrání buňky před toxickými hladinami Zn²⁺. Dosud bylo popsáno devět lidských transportérů této rodiny, pojmenovaných Zn²⁺ transporter (ZnT-1–9). Také u této rodiny přenašečů není mechanismus aktivace a transportu zcela objasněn. Je ale zřejmé, že zinkové ionty mají na expresi těchto přenašečů opačný vliv proti rodině ZIP.

Vysoká hladina Zn²⁺ zvyšuje jejich expresi (8). Toto chování bylo popsáno u přenašečů ZnT-1 a 2. Kromě toho velmi vysoké hladiny Zn²⁺ také způsobují přesuny přenašečů ZnT-4 a 6 z perinukleární zóny do periferie buněk. Transportér (ZnT-1) je transportérem této rodiny vyskytujícím se na plazmatické membráně buněk (8). Je tedy jediným transportérem, zodpovědným za eflux Zn²⁺ z buněk. Chrání buňky před toxickými hladinami Zn²⁺. Vyskytuje se u mnoha druhů buněk a spolu s metalothioneiny hraje klíčovou roli v regulaci hladiny volného Zn²⁺ (21).

Přenašeč ZnT-2 zodpovídá za transport Zn²⁺ do endozomů (22). Velké množství mRNA tohoto přenašeče se nachází v laterálních a dorzálních lalocích prostaty, tedy v místech, kde epiteliální buňky akumulují velká množství zinku a produkují citrát. V těchto umístěních se nachází ve vezikulech a v lyzosomům podobných strukturách (23).

Metalothionein

Metalothioneiny náleží do rodiny metaloproteinů, které jsou široce rozšířeny v živočišné říši, nicméně podobné typy proteinů byly popsány i u bakterií, rostlin a hub. Metalothioneiny popsali poprvé Margoshes a Valee v roce 1957, kteří je izolovali z koňských ledvin (24). Existuje řada izoforem, ale strukturní rysy jsou v drtivé většině stejné. Jedná se o nízkomolekulární (6–10 kDa), na cysteiny bohaté proteiny, které neobsahují žádné aromatické aminokyseliny. Primární struktura je založena na repetici motivů, v nichž hlavní roli hraje aminokyselina cystein. Takto jsou vytvořena dvě rezidua, která vytváří cysteinové klastry. První z nich, β doména, má vazebné místo pro tři dvojmocné ionty kovů, a druhá αdoména potom až pro čtyři takové ionty. Celkově je tedy metalothionein schopen vázat až 7 dvojmocných nebo 12 jednomocných iontů (15).

Metalothionein se v organismech vyskytuje v několika izoformách:

• MT-1,
• MT-2,
• MT-3, a 
• MT-4 (25).

Široce rozšířené jsou především izoformy MT-1 a MT-2, přičemž zastoupení formy MT-2 ve tkáních je častější. Forma MT-3 je nejhojněji exprimována v mozkové tkáni (26). Nejméně prozkoumanou formou je MT-4. Exprese genů ukazuje na její výskyt v šupinkovém epitelu (27). In vitro bylo prokázáno, že buňky mají schopnost sekrece forem MT-1 a MT-2 (28).

Metalothionein hraje klíčovou roli v transportu těžkých kovů (tedy také Zn²⁺), jejich detoxikaci a v ochraně buněk před oxidativním stresem (29). Při toxických hladinách těžkých kovů dochází k jejich navázání na metalothionein a k jejich transportu do ledvin, kde jsou vylučovány. Antioxidační působení podmiňují cysteinové aminokyseliny v molekule metalothioneinu (Obr. 3). Kromě toho metalothioneiny mohou s dalšími thiolovými sloučeninami, jako je redukovaný glutation (GSH), snižovat hladinu volných radikálů (30). A navíc bylo pozorováno, že se metalothionein objevuje v prostředí se zvýšeným rizikem tvorby volných radikálů, v místech se zvýšenou buněčnou proliferací a přiembryonálním vývoji (30).

Řada nedávných studií poukazuje na zvýšené sérové hladiny metalothioneinu pacientů s karcinomem prostaty s velkou mírou specifity pro toto onemocnění. To staví metalothionein na pozici kandidáta nového markeru tohoto onemocnění (30–39).

Závěr

Zinek, významný esenciální prvek, je ve velkém množství akumulován prostatickými buňkami. V nich zasahuje do řady biochemických pochodů a ovlivňuje jejich chování prostřednictvím indukce apoptózy a regulace genové exprese a energetického metabolismu. Zn²⁺ také úzce souvisí s patogenezí karcinomu prostaty. Buňky karcinomu nemohou tyto ionty akumulovat, a nemohou se proto projevit fyziologické proapoptické mechanismy. Významnou měrou se na ztrátě schopnosti akumulovat Zn²⁺ podílí zinkové přenašeče, zejména přenašeč ZIP-1, jehož exprese je neznámými vlivy tlumena. Pochopení tohoto mechanismu, vedoucí k obnovení vysokých intracelulárních hladin Zn²⁺, má možná terapeutická uplatnění.

Alterovaný metabolismus Zn²⁺ se projevuje také změněnou sérovou hladinou Zn²⁺-vázajícího proteinu metalothioneinu. Metalothionein tak v budoucnu může být využit jako nový marker tohoto onemocnění stojící v diagnostickém algoritmu vedle současně široce používaného PSA.

Poděkování

Práce na tomto projektu byla podpořena projekty: Grantové Agentury Akademie věd ČR IAA401990701, Grantové agentury České republiky 301/09/P436, IGA MZ ČR č. 10200–3 a IGA VFU 9/2010/FaF.

Doc. Ing. René Kizek, Ph.D.
Laboratoř molekulární biochemie a bioelektrochemie, Ústav chemie a biochemie
Mendelova univerzita v Brně
Zemědělská 1
613 00 Brno
E-mail: kizek@sci.muni.cz