金屬硫蛋白在缺血性腦損傷過(guò)程中的調(diào)控作用

郭家彬，馮 敏，張 麗，彭雙清

(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院疾病預(yù)防控制所毒理學(xué)評(píng)價(jià)研究中心，北京　100071)

金屬硫蛋白在缺血性腦損傷過(guò)程中的調(diào)控作用

郭家彬，馮 敏，張 麗，彭雙清

(軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院疾病預(yù)防控制所毒理學(xué)評(píng)價(jià)研究中心，北京100071)

金屬硫蛋白(MT)是一類(lèi)富含半胱氨酸殘基的低分子量金屬連接蛋白。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要有MT-Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ亞型。MT可廣泛參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)、自主防御反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)和腦損傷修復(fù)等活動(dòng)。MT具有清除自由基、調(diào)節(jié)腦細(xì)胞離子穩(wěn)態(tài)、重金屬解毒、抗炎癥和抗細(xì)胞凋亡等多種重要生物學(xué)功能。腦缺血應(yīng)激可顯著誘導(dǎo)腦組織細(xì)胞MT的表達(dá)。近年來(lái)越來(lái)越多的研究表明,MT對(duì)腦缺血損傷具有重要保護(hù)作用,有可能成為預(yù)防和(或)治療腦缺血疾病的重要靶點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要綜述中樞神經(jīng)系統(tǒng)中MT的表達(dá)與調(diào)控特點(diǎn)以及腦缺血應(yīng)激對(duì)MT表達(dá)的影響,重點(diǎn)討論MT對(duì)腦缺血損傷的保護(hù)作用及其可能機(jī)制。

金屬硫蛋白；中樞神經(jīng)系統(tǒng)；腦缺血

金屬硫蛋白(metallothionein，MT)是一類(lèi)富含半胱氨酸殘基、低分子量(6～7 ku)的非酶類(lèi)金屬連接蛋白質(zhì)，1957年由哈佛大學(xué)的 Margoshes和Vallee博士在馬的腎皮質(zhì)中首次分離發(fā)現(xiàn)。在哺乳動(dòng)物中，MT主要由肝和腎合成，但其他多種器官和組織中也有廣泛分布。在人體中，MT主要由一類(lèi)位于染色體16p13的基因編碼，至少可能涉及10個(gè)已知的功能基因[1]。X射線衍射晶體分析法和NMR波譜法研究顯示，MT分子結(jié)構(gòu)中含2個(gè)不同的結(jié)構(gòu)簇，可通過(guò)結(jié)構(gòu)簇中的半胱氨酸殘基分別與3個(gè)和4個(gè)二價(jià)金屬離子結(jié)合，包括必需微量元素(Zn和Cu離子等)以及有毒重金屬(Cd和Hg離子等)[2]。生理?xiàng)l件下，MT主要與Zn離子結(jié)合，被稱為體內(nèi)組織細(xì)胞Zn離子的“貯庫(kù)”。

至今研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物體內(nèi)MT共有4種亞型，即MT-Ⅰ～MT-Ⅳ，其中以MT-Ⅰ和MT-Ⅱ?yàn)橹饕悩?gòu)形式(通常合稱為MT-Ⅰ/Ⅱ)。MT-Ⅰ又可進(jìn)一步分為MT-Ⅰa，MT-Ⅰb和MT-Ⅰc等多種亞亞型，MT-Ⅱ也同樣存在多種亞亞型[1]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中MT有 3種亞型，即 MT-Ⅰ/Ⅱ和 MT-Ⅲ。其中，MT-Ⅰ/Ⅱ在腦內(nèi)組織細(xì)胞有著廣泛表達(dá)，且主要分布在膠質(zhì)細(xì)胞，MT-Ⅲ主要分布在神經(jīng)元。MT可廣泛參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自主防御反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)和腦損傷修復(fù)等活動(dòng)，具有清除自由基、調(diào)節(jié)腦細(xì)胞離子穩(wěn)態(tài)、重金屬解毒、抗炎癥反應(yīng)和抗細(xì)胞凋亡等多種重要生物學(xué)功能[1－2]。近年來(lái)越來(lái)越多的研究表明，MT對(duì)腦缺血損傷具有重要保護(hù)作用，有可能成為預(yù)防和(或)治療腦缺血疾病的重要靶點(diǎn)[3－4]。腦缺血應(yīng)激可激活MT的表達(dá)，并由此產(chǎn)生自主保護(hù)作用。外源性MT誘導(dǎo)劑或MT可有效減輕腦缺血損傷，應(yīng)用MT-Ⅰ/Ⅱ或MT-Ⅲ轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型研究結(jié)果進(jìn)一步確證MT對(duì)缺血性腦損傷具有重要的保護(hù)作用[1，3]。MT抗腦缺血損傷的作用機(jī)制還不清楚，可能與清除自由基、維持金屬離子穩(wěn)態(tài)、線粒體功能調(diào)節(jié)和抗細(xì)胞凋亡等作用有關(guān)。本文簡(jiǎn)要綜述中樞神經(jīng)系統(tǒng)中MT的表達(dá)與調(diào)控特點(diǎn)以及腦缺血應(yīng)激對(duì)MT表達(dá)的影響，并討論MT對(duì)缺血性腦損傷的保護(hù)作用及其可能機(jī)制。

1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)中MT的表達(dá)與調(diào)控

生理?xiàng)l件下，MT-Ⅰ/Ⅱ在腦中的mRNA和蛋白表達(dá)水平均較低，而且在胚胎及新生腦中均有表達(dá)。隨著機(jī)體生長(zhǎng)，MT-Ⅰ/Ⅱ的表達(dá)也不斷增加，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的分布也越來(lái)越廣泛。MT-Ⅰ/Ⅱ是腦內(nèi)MT的主要亞型，在膠質(zhì)細(xì)胞、脈絡(luò)叢細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和腦膜細(xì)胞等腦細(xì)胞中有著廣泛表達(dá)。其中，星形膠質(zhì)細(xì)胞是腦內(nèi)MT-Ⅰ/Ⅱ的主要來(lái)源。神經(jīng)元細(xì)胞僅表達(dá)少量的MT-Ⅰ/Ⅱ。MT-Ⅲ是一種腦特異性MT，又稱為生長(zhǎng)抑制因子。MT-Ⅲ主要分布在海馬CA1～CA3區(qū)的神經(jīng)元細(xì)胞，在嗅球、大腦皮質(zhì)細(xì)胞和小腦的浦肯野細(xì)胞中也有少量分布。長(zhǎng)期以來(lái)，MT被認(rèn)為是一類(lèi)細(xì)胞內(nèi)蛋白，主要表達(dá)在細(xì)胞核，在細(xì)胞質(zhì)溶酶體和線粒體等細(xì)胞器中也有少量分布，這一特征與保護(hù)細(xì)胞核DNA和維持胞內(nèi)Zn離子穩(wěn)態(tài)密切相關(guān)[1]。近年來(lái)研究提示，MT在細(xì)胞內(nèi)外均有分布。細(xì)胞外的MT有可能作為一種重要的細(xì)胞通訊分子，在不同腦細(xì)胞之間的“對(duì)話”中發(fā)揮重要作用[5]。例如，Chung等[6]研究表明，腦損傷發(fā)生后星形膠質(zhì)細(xì)胞中MT-Ⅰ/Ⅱ的表達(dá)顯著增加，并將MT-Ⅰ/Ⅱ釋放至細(xì)胞外以抑制神經(jīng)元損傷。MT作為一種小分子蛋白，可穿過(guò)細(xì)胞核膜和細(xì)胞膜，容易在細(xì)胞核和線粒體等不同細(xì)胞器之間以及細(xì)胞與細(xì)胞之間實(shí)現(xiàn)穿梭轉(zhuǎn)位。MT在細(xì)胞核與胞漿之間的轉(zhuǎn)位依賴于特定的胞漿伴侶蛋白和核結(jié)合蛋白，MT本身也可以發(fā)生分子結(jié)構(gòu)改變，使其更容易穿過(guò)核孔復(fù)合體。

MT是一類(lèi)可誘導(dǎo)蛋白質(zhì)，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中亦是如此。大量研究表明，重金屬離子、腦缺血、低溫應(yīng)激、激素、谷氨酸鹽、藥物毒物作用以及電離輻射等因素，均可迅速活化MT-Ⅰ/Ⅱ的轉(zhuǎn)錄合成，從而增加腦組織細(xì)胞中MT-Ⅰ/Ⅱ的表達(dá)，這一反應(yīng)對(duì)于機(jī)體抑制炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激等有害效應(yīng)、發(fā)揮自主防御作用有著重要意義[1－2]。MT-Ⅲ同樣也可被誘導(dǎo)表達(dá)，但MT-Ⅲ和MT-Ⅰ/Ⅱ?qū)ν庠葱源碳ひ蛩氐姆磻?yīng)性可能存在較大差異。除缺氧應(yīng)激、細(xì)胞因子、腦損傷和多巴胺等因素外，大部分能誘導(dǎo)MT-Ⅰ/Ⅱ表達(dá)的因素卻不能有效誘導(dǎo)MT-Ⅲ表達(dá)。MT的表達(dá)調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，且通常依賴于一種協(xié)調(diào)方式。MT基因的啟動(dòng)子中存在針對(duì)不同轉(zhuǎn)錄因子的多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，包括金屬反應(yīng)元件，糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件和轉(zhuǎn)錄信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白和激活子等[7－8]。金屬轉(zhuǎn)錄因子-1(metal transcriptional factor-1，MTF-1)是一種復(fù)合型鋅指蛋白，與金屬反應(yīng)元件連接并發(fā)生相互作用。研究提示，MTF-1可能是調(diào)節(jié)MT基因表達(dá)的主要調(diào)控因子，在Zn等金屬離子誘導(dǎo)的MT表達(dá)中可能發(fā)揮關(guān)鍵作用，并介導(dǎo)氧化應(yīng)激和缺氧等外源性刺激對(duì)MT的誘導(dǎo)表達(dá)[8]。Zn是MT連接的主要金屬離子，也是調(diào)控MT表達(dá)的最重要的因素之一。Zn可與MTF-1連接，迅速啟動(dòng)MT基因的轉(zhuǎn)錄活化，從而增加MT的生物合成。而Zn缺失時(shí)，MTF-1可能與Zn反應(yīng)抑制劑形成一個(gè)復(fù)合物稱作MT轉(zhuǎn)錄抑制劑，從而阻止MTF-1和金屬反應(yīng)元件反應(yīng)并抑制MT-Ⅰ/Ⅱ基因的表達(dá)[7]。MT的表達(dá)同樣也存在轉(zhuǎn)錄后調(diào)控以及翻譯后修飾機(jī)制，其蛋白質(zhì)表達(dá)水平并不一定反映mRNA水平[9]。MT表達(dá)調(diào)控的具體機(jī)制還不十分清楚，不同因素對(duì)MT表達(dá)的調(diào)控可能涉及不同的作用機(jī)制。

2 腦缺血應(yīng)激對(duì)MT表達(dá)的影響

人們已經(jīng)應(yīng)用多種模型研究腦缺血應(yīng)激對(duì)MT表達(dá)的影響及其機(jī)制，包括大鼠、小鼠和犬等動(dòng)物模型以及體外培養(yǎng)的腦細(xì)胞模型。體內(nèi)外研究表明，腦缺血應(yīng)激可顯著誘導(dǎo)MT-Ⅰ/Ⅱ和MT-Ⅲ的表達(dá)發(fā)生改變，且MT的表達(dá)改變通常在腦缺血損傷之前就已經(jīng)發(fā)生。以小鼠腦中動(dòng)脈阻塞模型研究為例，Yousuf等[10]研究表明，大腦中動(dòng)脈阻塞(middle cerebral artery occlusion，MCAO)術(shù)后2 h可觀察到海馬組織中MT含量呈明顯增加。Wakida等[11]研究表明，MCAO后6 h可觀察到MT-Ⅰ和MT-Ⅱ的蛋白表達(dá)呈明顯增加，且以MCAO術(shù)后24 h MT-Ⅰ/Ⅱ增加最為顯著。MT-Ⅰ/Ⅱ的表達(dá)改變主要發(fā)生腦皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域，其中腦皮質(zhì)神經(jīng)膠質(zhì)原纖維在酸性蛋白陽(yáng)性細(xì)胞中MT表達(dá)改變最為明顯，腦血管中MT-Ⅰ/Ⅱ的表達(dá)也出現(xiàn)顯著增加。MT-Ⅰ/Ⅱ的基因表達(dá)對(duì)腦缺血應(yīng)激可能更為敏感，MCAO術(shù)后6 h可觀察到腦皮質(zhì)中MT-ⅠmRNA水平呈明顯上升，但隨后出現(xiàn)下降，而腦皮質(zhì)中MT-Ⅱ的mRNA水平則在MCAO術(shù)后一直呈時(shí)間相關(guān)性增加[11]。Yanagitani等[12]研究表明，腦缺血應(yīng)激同樣也可誘導(dǎo)MT-Ⅲ的表達(dá)增加，而且在腦缺血損傷早期和后期增加MT-Ⅲ的表達(dá)均能有效減輕腦缺血神經(jīng)損傷。這些研究提示，MT表達(dá)上調(diào)可抑制腦缺血損傷，但不同亞型的MT對(duì)腦缺血應(yīng)激可能存在不同的反應(yīng)性，腦組織不同區(qū)域MT對(duì)缺血應(yīng)激的敏感性也可能有所不同。腦細(xì)胞體外氧-糖剝奪培養(yǎng)是一種常用的模擬腦缺血應(yīng)激的體外模型。體外研究表明，氧-糖剝奪可誘導(dǎo)腦皮質(zhì)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元、腦血管內(nèi)皮細(xì)胞MT-Ⅰ/Ⅱ的表達(dá)改變，且MT-Ⅰ與MT-Ⅱ的改變程度存在著一定的差異[13－14]。

腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)MT表達(dá)的機(jī)制還不清楚，一些研究推測(cè)MT的表達(dá)上調(diào)可能與腦缺血應(yīng)激引起的腦組織細(xì)胞活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成增加有關(guān)。腦缺血條件下，腦組織細(xì)胞能量供應(yīng)不足，可導(dǎo)致腦細(xì)胞ATP合成障礙而ROS形成增加。氧-糖剝奪可迅速誘導(dǎo)神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和腦血管內(nèi)皮細(xì)胞等腦細(xì)胞ROS形成增加。ROS可促進(jìn)金屬反應(yīng)元件與MT啟動(dòng)子的結(jié)合，進(jìn)而激活MT-Ⅰ/Ⅱ基因的轉(zhuǎn)錄及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，增加MT的生物合成[15]。另有研究表明，缺血應(yīng)激可促進(jìn)腦細(xì)胞外Zn離子向胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，而Zn離子是誘導(dǎo)MT表達(dá)的最有效的因素[7，16]。然而，細(xì)胞內(nèi)過(guò)量的Zn離子蓄積則可能引起細(xì)胞毒性改變，甚至引起神經(jīng)細(xì)胞死亡。此外，腦缺血應(yīng)激還可導(dǎo)致細(xì)胞釋放大量的谷氨酸鹽以及腫瘤壞死因子和白介素6等細(xì)胞因子，進(jìn)而誘導(dǎo)MT的表達(dá)增加[3－4]。

3 MT對(duì)腦缺血損傷的神經(jīng)保護(hù)作用

近年來(lái)越來(lái)越多的研究證實(shí)，MT對(duì)腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)的腦損傷具有明顯的保護(hù)作用。盡管在生理狀態(tài)下，MT-Ⅰ/Ⅱ或MT-Ⅲ敲除對(duì)動(dòng)物功能和神經(jīng)行為等生理指標(biāo)沒(méi)有明顯影響，但MT-Ⅰ/Ⅱ和(或) MT-Ⅲ敲除動(dòng)物對(duì)腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)的損傷卻更為敏感[10－12，17]。不管是在小鼠局灶性腦缺血模型或永久性腦缺血模型，還是在暫時(shí)性腦缺血或腦缺血再灌注模型中，均發(fā)現(xiàn)MT-Ⅰ/Ⅱ小鼠腦缺血損傷更為嚴(yán)重[10－11，17]，而MT-Ⅰ基因過(guò)表達(dá)小鼠則對(duì)腦缺血應(yīng)激更為耐受[18]，這些研究提示MT-Ⅰ/Ⅱ具有明顯的神經(jīng)保護(hù)作用。類(lèi)似的研究發(fā)現(xiàn)，MT-Ⅲ敲除小鼠同樣對(duì)腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞凋亡和氧化損傷敏感[19]。采用體內(nèi)和(或)體外研究表明，白藜蘆醇、西洛他唑、紅細(xì)胞生成素、二異丙酚和低溫應(yīng)激可誘導(dǎo)MT-Ⅰ/Ⅱ或MT-Ⅲ的表達(dá)并抑制腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)的腦組織或腦細(xì)胞損傷，而將MT-Ⅰ/Ⅱ或MT-Ⅲ基因敲除或敲低則可明顯降低這些保護(hù)劑對(duì)腦缺血損傷的神經(jīng)保護(hù)作用，從而進(jìn)一步確證MT對(duì)腦缺血神經(jīng)損傷的保護(hù)作用[10－11，13－14，17，20]。最近研究表明，外源性給予MT-Ⅱ可顯著抑制暫時(shí)性腦缺血引起的大鼠神經(jīng)行為學(xué)改變和腦組織氧化損傷[21]。Sohn等[22]研究表明，將外源性MT-Ⅲ導(dǎo)入腦細(xì)胞表達(dá)也可有效抑制海馬CA1區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞死亡。這些研究證實(shí)，內(nèi)外源性或外源性MT-Ⅰ/Ⅱ或MT-Ⅲ均可具有較好的抗腦缺血損傷神經(jīng)保護(hù)作用。值得注意的是，McAuliffe等[23]研究表明，新生MT-Ⅰ/Ⅱ敲除小鼠對(duì)腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)的神經(jīng)損傷更為敏感，但其神經(jīng)行為學(xué)改變與野生型小鼠卻并沒(méi)有明顯差異。這一研究提示機(jī)體對(duì)MT-Ⅰ/Ⅱ的缺失存在一定的行為學(xué)代償機(jī)制，以保護(hù)腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)的神經(jīng)行為學(xué)改變。

4 MT抗腦缺血損傷的可能作用機(jī)制

4.1 清除自由基與抗氧化作用

自由基誘導(dǎo)的氧化損傷是腦缺血損傷的重要特征。大量研究表明，腦缺血應(yīng)激可誘導(dǎo)腦細(xì)胞產(chǎn)生多種自由基，包括超氧陰離子、過(guò)氧化氫(H2O2)、羥自由基(·OH)等ROS和一氧化氮(NO)等活性氮自由基[24]。過(guò)量的自由基可攻擊腦組織細(xì)胞的成分，如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA等，引起脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)羰基化和DNA氧化損傷等。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，MT-Ⅰ/Ⅱ或MT-Ⅲ敲除小鼠對(duì)腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)的氧化損傷更為敏感，而外源性給予MT-Ⅱ或MT-Ⅲ則能有效減輕腦組織氧化損傷[10－11，19－23]。 這些研究提示，清除自由基、抗氧化可能是MT發(fā)揮抗腦缺血神經(jīng)保護(hù)作用的重要機(jī)制。MT分子結(jié)構(gòu)中富含巰基，其清除自由基、抗氧化作用已受到廣泛關(guān)注。體外實(shí)驗(yàn)研究表明，MT是一種高效的自由基清除劑，其分子中的20個(gè)巰基殘基均可參與自由基的清除反應(yīng)。MT在細(xì)胞漿及細(xì)胞核內(nèi)均有分布，能與包括各種ROS以及氮自由基在內(nèi)的多種自由基發(fā)生反應(yīng)并有效地對(duì)其進(jìn)行清除。Quesada等[25]體外實(shí)驗(yàn)研究表明，MT可作為H2O2的首要攻擊靶標(biāo)，其分子中的巰基殘基可先于谷胱甘肽及其他蛋白中的巰基殘基與H2O2直接發(fā)生反應(yīng)。體外·OH清除動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明，MT對(duì)·OH的清除效率是谷胱甘肽的340倍，是超氧化物歧化酶的800倍，是谷胱甘肽過(guò)氧化物酶的1000倍[25]。MT基因表達(dá)調(diào)控的分子規(guī)律研究表明，MT結(jié)構(gòu)基因上游區(qū)域存在抗氧化反應(yīng)元件及金屬反應(yīng)元件(可能作為調(diào)控MT基因表達(dá)的增強(qiáng)子)[15]。氧化應(yīng)激狀態(tài)下，MT基因上游的ARE和MRE可迅速活化MT的轉(zhuǎn)錄，同時(shí)激活MT與氧自由基的清除反應(yīng)[1，5]。然而，MT清除自由基的具體作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

4.2 Zn離子穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)

哺乳動(dòng)物腦內(nèi)含有大量Zn離子，主要分布在海馬、皮質(zhì)、杏仁體和紋狀體等組織。胞內(nèi)Zn離子主要聚集在突觸小泡內(nèi)，其濃度可高達(dá)毫摩爾水平。生理?xiàng)l件下，Zn離子在神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、突觸傳遞、腦內(nèi)金屬離子穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)以及神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)和死亡調(diào)控等活動(dòng)中具有重要作用[8]。腦缺血應(yīng)激條件下，Zn離子作為一種內(nèi)源性的神經(jīng)遞質(zhì)從神經(jīng)末梢釋放出來(lái)，容易在突觸間隙內(nèi)聚集，引起腦內(nèi)Zn離子穩(wěn)態(tài)失調(diào)[7]。游離型Zn離子大量增加是介導(dǎo)腦缺血神經(jīng)細(xì)胞死亡的重要原因。MT是與Zn離子螯合的主要蛋白，其分子結(jié)構(gòu)中含多個(gè)可與Zn離子相連的結(jié)構(gòu)域。通常1分子MT可與7分子Zn離子螯合，為調(diào)節(jié)腦內(nèi)Zn離子濃度穩(wěn)態(tài)提供強(qiáng)大的緩沖作用。Zn離子濃度升高可迅速誘導(dǎo)MT表達(dá)，這可能部分解釋了腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)MT表達(dá)增加的原因。與此同時(shí)，MT通過(guò)增加對(duì)Zn離子的螯合并形成Zn-MT復(fù)合物，從而降低游離型的Zn離子、維持腦內(nèi)Zn離子穩(wěn)態(tài)，最終減輕Zn離子介導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞死亡[7]。

4.3 線粒體功能調(diào)節(jié)

線粒體是細(xì)胞能量代謝的主要場(chǎng)所，為細(xì)胞提供超過(guò)90%的ATP。同時(shí)，線粒體在細(xì)胞生長(zhǎng)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和死亡調(diào)控等生命活動(dòng)中也發(fā)揮著十分重要的作用。近年來(lái)越來(lái)越多的研究提示，MT的神經(jīng)保護(hù)作用與調(diào)節(jié)腦細(xì)胞線粒體功能密切相關(guān)[26]。腦細(xì)胞屬高耗能細(xì)胞，含豐富的線粒體，其能量代謝和生物合成等非?；钴S，這對(duì)于維持腦細(xì)胞的能量需求與正常生理功能有著重要意義。線粒體是細(xì)胞內(nèi)ROS生成的主要場(chǎng)所，同時(shí)也是ROS攻擊的主要靶標(biāo)。MT一方面有可能通過(guò)清除自由基而減輕腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)的ROS生成增加和氧化損傷；另一方面也可能通過(guò)穩(wěn)定線粒體膜電位和鈣離子穩(wěn)態(tài)等作用，從而抑制腦缺血應(yīng)激引起的線粒體功能紊亂。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，白藜蘆醇有可能通過(guò)上調(diào)MT的表達(dá)、進(jìn)而抑制腦缺血引起的線粒體功能紊亂，最終抑制腦缺血應(yīng)激誘導(dǎo)的神經(jīng)損傷[10]。研究提示MT也有可能通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體生成功能而發(fā)揮其神經(jīng)保護(hù)作用[27－28]。線粒體生成功能是修復(fù)神經(jīng)損傷的重要機(jī)制。腦缺血應(yīng)激可迅速激活腦組織細(xì)胞線粒體生成功能，以促進(jìn)腦組織細(xì)胞損傷修復(fù)[29－30]。我們研究表明，盡管生理狀態(tài)下，MT敲除小鼠生理功能與野生型小鼠沒(méi)有明顯差異，但在MT缺失小鼠及其來(lái)源的神經(jīng)細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體功能破壞卻更為敏感，提示MT的保護(hù)作用與調(diào)節(jié)線粒體生成功能密切相關(guān)[27，31]。此外，MT還有可能通過(guò)調(diào)節(jié)線粒體自噬以發(fā)揮其神經(jīng)保護(hù)作用[32]。

4.4 抗神經(jīng)興奮性毒性效應(yīng)

腦缺血可導(dǎo)致細(xì)胞釋放大量的興奮性遞質(zhì)，引起興奮性毒性而導(dǎo)致腦細(xì)胞死亡。谷氨酸是一種常見(jiàn)的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，腦缺血應(yīng)激可導(dǎo)致神經(jīng)元的谷氨酸能神經(jīng)末梢囊泡釋放增加，同時(shí)促進(jìn)谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體的逆轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞胞外谷氨酸濃度升高[33]。此外，腦缺血應(yīng)激狀態(tài)下一些死亡細(xì)胞可出現(xiàn)崩解，使胞質(zhì)中的谷氨酸釋放，進(jìn)一步加劇谷氨酸濃度的增加。谷氨酸的釋放可激活N-甲基-D-天冬氨酸受體等突觸后的相應(yīng)受體，進(jìn)而誘導(dǎo)Na/Ca離子內(nèi)流以及質(zhì)膜去極化，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[33]。星形膠質(zhì)細(xì)胞是腦內(nèi)表達(dá)MT的主要細(xì)胞，它可通過(guò)“谷氨酸-谷氨酰胺”循環(huán)有效減少腦細(xì)胞外谷氨酸的濃度，這一功能與其富含MT密切相關(guān)[34－35]。應(yīng)用MT轉(zhuǎn)基因動(dòng)物結(jié)果表明，MT敲除小鼠來(lái)源的神經(jīng)元/星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)N-甲基-D-天冬氨酸受體引起的興奮性毒性更為敏感，提示MT對(duì)神經(jīng)興奮性毒性效應(yīng)具有明顯的保護(hù)作用[31]。

越來(lái)越多的研究證實(shí)，MT是一種具有神經(jīng)保護(hù)作用的多效應(yīng)蛋白。除上述機(jī)制外，MT抗腦缺血損傷作用還可能與調(diào)節(jié)腦組織細(xì)胞炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng)、調(diào)節(jié)鈣離子穩(wěn)態(tài)和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子表達(dá)以及抑制腦細(xì)胞凋亡有關(guān)[5，35]。MT的神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)可能是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，其具體作用機(jī)制還有待進(jìn)一步的廣泛研究。

5 展望

MT作為一種具有多種生物學(xué)功能的金屬結(jié)合蛋白，在腦缺血損傷的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。深入認(rèn)識(shí)MT在腦缺血損傷中的作用，對(duì)于闡明腦缺血損傷的作用機(jī)制、開(kāi)發(fā)相關(guān)保護(hù)作用具有重要的意義?；谀X內(nèi)MT的表達(dá)與調(diào)控特征以及腦缺血應(yīng)激對(duì)MT表達(dá)的影響，提示MT有可能作為一種表征腦缺血損傷的重要標(biāo)志物。在腦缺血發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，MT的表達(dá)水平以及分布改變均可能具有重要臨床意義。通過(guò)合適的藥理學(xué)干預(yù)措施誘導(dǎo)內(nèi)源性的MT的表達(dá)或給予外源性MT，可有效減輕腦缺血損傷，提示MT有可能成為預(yù)防和(或)治療腦缺血損傷的潛在靶點(diǎn)。然而，由于MT在機(jī)體多種組織器官均有表達(dá)，且易受多種因素影響而出現(xiàn)表達(dá)改變，目前還沒(méi)有MT特異性的誘導(dǎo)劑。特別是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，受血腦屏障和MT本身表達(dá)復(fù)雜性等因素的影響，MT的抗腦缺血損傷作用向臨床轉(zhuǎn)化還存在一定的困難。近年來(lái)，組織特異性MT表達(dá)和靶向給藥技術(shù)的發(fā)展為進(jìn)一步了解MT在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用提供了有力工具，將有可能成為MT抗腦缺血作用的重要方向。

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ReguIatory roIe of metaIIothionein in process of ischemic brain injury

GUO Jia-bin，F(xiàn)ENG Min，ZHANG Li，PENG Shuang-qing
(Evaluation and Resarch Center for Toxicology，Institute of Disease Control and Prevention，Academy of Military Medical Sciences，Beijing100071，China)

Metallothionein(MT)is a cysteine-rich and low-molecular metal binding protein.Three isoforms of MT have been found in the central nervous system，including MT-Ⅰ，Ⅱ，andⅢ.MT is widely involved in many critical activities in the central nervous system，such as neuronal growth，autodefensive reaction，immune-regulation，and repair of cerebral injury.MT exerts many important biological functions like scavenging of free radicals，regulation of ion homeostasis in brain cells，detoxification of heavy metals，anti-inflammation，and anti-apoptosis.Recently，MT has been increasingly shown to have protective effects against cerebral ischemia.MT promises to be an important target for prevention and/or treatment of cerebral ischemic disease.In this review，the expression and regulation characteristics，and the effect of cerebral ischemic stress on MT expression have been summarized，with focus on the neuroprotective effect of MT and its possible underlying mechanisms.

metallothionein；central nervous system；brain ischemia

PENG Shuang-qing，Tel:(010)66948462，E-mail:pengsq＠hotmail.com

R963

:A

:1000-3002(2014)06-0898-06

10.3867/j.issn.1000-3002.2014.06.013

Foundation item:The project supported by National Natural Science Foundation of China(81102424)；National Science and Technology Major Project(2009ZX09501-034)；and National Science and Technology Major Project (2012ZX09J12203)

2014-07-04 接受日期:2014-10-30)

(本文編輯:喬 虹)

國(guó)家自然科學(xué)基金(81102424)；國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2009ZX09501-034)；國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012ZX09J12203)

郭家彬，男，博士，主要從事心腦血管藥理毒理學(xué)與藥物毒理學(xué)研究，E-mail:gjb321＠163.com

彭雙清，Tel:(010)66948462，E-mail: pengsq＠hotmail.com