金屬硫蛋白2A生物功能及其在臨床中的作用研究*

蔣仕秋，曾江華，劉海榮，劉月明△

1.成都醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 燒傷整形科(成都 610500)；2.遂寧市第一人民醫(yī)院 骨科(遂寧 629000)；3.成都醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 科研中心(成都 610500)

金屬硫蛋白(metallothioneins,MTs)是在1957年由哈佛大學(xué)Margoshes和Vallee在馬腎中發(fā)現(xiàn)，是一類(lèi)廣泛存在于生物界，分子量低(6～7 kDa)，富含半胱氨酸的金屬結(jié)合蛋白[1]。人類(lèi)MTs包含11種功能性亞型：MT-1(A、B、E、F、G、H、M和X)，MT-2(MT2A)，MT-3和MT-4，其中，MT-1和MT2A在人體各細(xì)胞、組織均有表達(dá)，以肝、腎最為豐富，而MT-3主要在腦組織和男性生殖系統(tǒng)中表達(dá)，MT-4僅在某些層狀上皮組織中表達(dá)較高[2]。MT2A作為金屬硫蛋白家族中的重要成員，由61個(gè)氨基酸組成，分子量低(7 kDa)，半胱氨酸含量高(30%)，缺乏芳香族氨基酸，通過(guò)半胱氨酸巰基結(jié)合金屬離子存在于呈啞鈴狀的α結(jié)構(gòu)域、β結(jié)構(gòu)域中，具有較強(qiáng)的耐熱性及抗酶降解性[3]。通過(guò)60多年國(guó)內(nèi)外研究者的不斷努力，MT2A的參與機(jī)體金屬離子代謝平衡調(diào)節(jié)、抗氧化應(yīng)激損傷、調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和分化等生物學(xué)功能逐漸明確，并與心血管系統(tǒng)疾病、肝臟疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腫瘤等密切相關(guān)。本文對(duì)MT2A的生物學(xué)功能及其在某些臨床疾病中的作用研究進(jìn)行綜述。

1 MT2A的生物功能

1.1 微量元素代謝、運(yùn)輸及重金屬解毒

鋅存在于超過(guò)2 700種酶的結(jié)構(gòu)中(如水解酶、轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶、連接酶、異構(gòu)酶和裂解酶等)，是生物體生長(zhǎng)發(fā)育、DNA合成、免疫、酶系統(tǒng)輔助因子的重要微量元素之一。MTs以高親和力結(jié)合鋅并作細(xì)胞內(nèi)鋅的儲(chǔ)庫(kù)，參與鋅的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及生物利用。研究[4]發(fā)現(xiàn)，MTs的缺乏減少機(jī)體對(duì)鋅的吸收。鋅通過(guò)金屬反轉(zhuǎn)錄因子-1(metalrespon-sivetranscriptionfactor-1，MTF-1)與MT基因啟動(dòng)子上的金屬反應(yīng)元件(metalresponsiveelements，MRE)的相互作用誘導(dǎo)金屬硫蛋白轉(zhuǎn)錄的上調(diào)[5]。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)MTs濃度增高時(shí)，通過(guò)結(jié)合細(xì)胞內(nèi)鋅離子，降低細(xì)胞內(nèi)的鋅離子濃度，形成負(fù)反饋效應(yīng)。MTs作為富含半胱氨酸的金屬結(jié)合蛋白，結(jié)構(gòu)中的巰基(SH)與金屬離子具有很強(qiáng)的螯合力，通過(guò)與有毒金屬結(jié)合排除體外，實(shí)現(xiàn)解毒作用。Saito等[6]通過(guò)研究重金屬對(duì)腎毒性作用發(fā)現(xiàn),大鼠腎細(xì)胞溶質(zhì)中重金屬含量與MT2含量之間存在密切關(guān)系，MT2對(duì)腎臟具有保護(hù)作用，MT2對(duì)一些金屬解毒能力順序?yàn)?:Cd> Zn> Cu≈As> Hg。

1.2 炎癥及氧化應(yīng)激

1.3 抗凋亡

各種不良刺激，如氧化應(yīng)激、炎癥等均可能導(dǎo)致程序性細(xì)胞死亡。研究[12]發(fā)現(xiàn)，MT2A可通過(guò)抑制 Jun-氨基末端激酶(jun N-terminal kinase，JNK) 信號(hào)通路，抑制氧化應(yīng)激介導(dǎo)的線(xiàn)粒體細(xì)胞色素c釋放和活化的caspase-3減少阿霉素誘導(dǎo)的心肌損傷，減少程序性細(xì)胞死亡。此外，Ma等[13]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核中MTs含量與轉(zhuǎn)錄因子對(duì)Zn的需求有關(guān),敲除MT可以下調(diào)鋅水平并促進(jìn)程序性細(xì)胞死亡，MT2A是通過(guò)下調(diào)Bax、caspase-3、caspase-9和caspase-12的表達(dá)來(lái)抑制細(xì)胞凋亡的保護(hù)性蛋白，具有保護(hù)細(xì)胞DNA和阻止程序性細(xì)胞死亡的作用。

1.4 免疫調(diào)節(jié)

在生理、病理或應(yīng)激狀態(tài)下可增加MT mRNA的轉(zhuǎn)錄,同時(shí)伴有血漿鋅濃度的下降。MTs在免疫細(xì)胞中的基礎(chǔ)和誘導(dǎo)表達(dá)依賴(lài)于細(xì)胞類(lèi)型，單核細(xì)胞MT表達(dá)比淋巴細(xì)胞和粒細(xì)胞更多，通過(guò)特異性抗體和流式細(xì)胞儀測(cè)定鎘誘導(dǎo)的MT水平在 CD4+和CD8+T細(xì)胞比B細(xì)胞和自然殺傷(NK)細(xì)胞高[14]。外源性apo-MT-1/2在體外調(diào)節(jié)細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞的分化，從而明顯降低對(duì)效應(yīng)細(xì)胞的活性。相反，外源性MT-1/2增強(qiáng)同種異體和自體混合白細(xì)胞反應(yīng)中的增殖反應(yīng)和IL-2R表達(dá)，同時(shí)伴隨著CD8和MHCI陽(yáng)性細(xì)胞的明顯減少[15]。

1.5 其它作用

MT2還可抵抗電離輻射或紫外線(xiàn)引起細(xì)胞損傷,具有修復(fù)細(xì)胞損傷功能[16]。MT2A與SOD相比，清除羥自由基能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性高、半衰期長(zhǎng)、易被機(jī)體吸收等特點(diǎn)，MT作為化妝品的添加劑，具有抗衰老等作用[17]。

2 MT2A與臨床疾病

2.1 心血管系統(tǒng)疾病

研究[18]表明，MT2A對(duì)高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、缺血性心臟病、心力衰竭等心血管系統(tǒng)疾病具有十分重要的保護(hù)重要。氧化應(yīng)激是心肌缺血再灌注期間心肌損傷的關(guān)鍵介質(zhì)[19]。Kang等[20]使用MT2高表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠研究發(fā)現(xiàn), MT2在高表達(dá)狀態(tài)下可使缺血再灌注損傷造成的血漿肌酸激酶含量升高降低、心肌壞死范圍縮小、心肌收縮力增強(qiáng),表明MT2對(duì)缺血再灌注損傷具有保護(hù)作用。作為內(nèi)源性細(xì)胞保護(hù)劑，MT2A可能通過(guò)清除氧自由基和抑制脂質(zhì)過(guò)氧化，在心血管保護(hù)中發(fā)揮作用抗氧化損傷作用。自由基氧化應(yīng)激損傷是導(dǎo)致心力衰竭發(fā)生的重要因素之一[21]。在糖尿病性心肌病進(jìn)展過(guò)程中,心肌組織中生成大量的超氧陰離子和硝基(ONOO-)等，Xue等[22]發(fā)現(xiàn)MT2A對(duì)糖尿病心肌病的保護(hù)作用可能是通過(guò)MT2A對(duì)超氧陰離子和硝基(ONOO-)的清除作用。研究證實(shí)，氧化應(yīng)激和氧化低密度脂蛋白對(duì)血管內(nèi)膜損傷與動(dòng)脈粥樣硬化具有密切關(guān)系[23]。在低密度脂蛋白(LDL)氧化的病理過(guò)程，MT2A可通過(guò)調(diào)節(jié)鋅在氧化條件下釋放，鋅的釋放有助于抑制氧化修飾，防止脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物進(jìn)入巨噬細(xì)胞，減少血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷[24]。Giacconi等[25]發(fā)現(xiàn)MT2A可通過(guò)調(diào)節(jié)炎性細(xì)胞因子、凝血因素、鋅離子活性、NK細(xì)胞毒性和微量元素代謝減輕頸動(dòng)脈粥樣硬化。

2.2 肝臟疾病

氧化應(yīng)激及炎性介質(zhì)激活誘導(dǎo)肝星狀細(xì)胞(HSCs)的增殖、遷移及膠原蛋白的聚集是肝纖維化發(fā)展的重要原因[26].Xu等[27]通過(guò)在活化的HSC中轉(zhuǎn)染含有人MT2A基因的質(zhì)粒有效地提高了MTs的蛋白質(zhì)水平，MT的表達(dá)增高伴隨著α-SMA和I型膠原蛋白水平的降低以及它們的mRNA水平的降低。MTs作為一種自由基清除劑和抗氧化調(diào)節(jié)劑，其結(jié)構(gòu)中含大量處于還原狀態(tài)的巰基，是其發(fā)揮抗氧化作用的活性中心，其清除自由基能力約是谷胱甘肽(glutathione，GSH)的100倍，可通過(guò)穩(wěn)定溶酶體膜，降低溶酶體酶溢出；對(duì)抗自由基對(duì)線(xiàn)粒體Ca2+-Mg2+-ATPase活性的抑制作用[28]；抑制細(xì)胞核內(nèi)DNA斷裂，減少肝細(xì)胞凋亡，抑制肝星狀細(xì)胞(HSC)激活減輕肝纖維化。Lian等[29]使用MT-Ⅰ/Ⅱ缺陷小鼠模型(MT-/-)來(lái)確定富含半胱氨酸的抗氧化劑MTs是否可以預(yù)防異煙肼(INH)誘導(dǎo)的肝損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MTs通過(guò)抗氧化和亞硝化應(yīng)激損傷，增加的GSH含量和SOD活性升高，降低肝臟MDA水平和促進(jìn)3-硝基酪氨酸(3-NT)表達(dá)，減輕肝細(xì)胞空泡變性及損傷。在由鎘、四氯化碳或?qū)σ阴０被右鸬募毙愿味拘灾?，MTs可通過(guò)清除氧自由基對(duì)肝臟起到保護(hù)作用[30]。

2.3 神經(jīng)系統(tǒng)疾病

MTs在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞生長(zhǎng)、腦損傷修復(fù)、自主防御反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)等活動(dòng)中具有重要作用[31]，多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病與MT2A密切相關(guān)。帕金森病是最常見(jiàn)的進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病之一，星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放的MTs可以保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元免受氧化應(yīng)激損傷[32]。Murakami等[33]通過(guò)小鼠皮下注射魚(yú)藤酮引起神經(jīng)變性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MT缺乏使星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化減少和氧化應(yīng)激損傷增強(qiáng)，出現(xiàn)更嚴(yán)重的肌間神經(jīng)元損傷，這些結(jié)果也表明MT保護(hù)神經(jīng)元免受魚(yú)藤酮誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性。阿爾茨海默病以不溶性細(xì)胞外β-淀粉樣蛋白(Ab)斑塊的沉積和神經(jīng)元纖維纏結(jié)為主要病理特征[34]。Chung等[35]研究發(fā)現(xiàn)MT2A可通過(guò)Zn7MT-2A和Cu(II)-Ab～的金屬交換阻滯銅誘導(dǎo)的Ab聚集和神經(jīng)毒性治療阿爾茨海默病。腦缺血缺氧可導(dǎo)致大量自由基的產(chǎn)生，造成神經(jīng)元壞死，加重腦損傷，研究者[36]通過(guò)模擬小鼠短暫性大腦中動(dòng)脈閉塞(MCAO)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腹腔注射MT2改善了MCAO后小鼠的存活率，抑制缺血腦組織中TNF-αmRNA的表達(dá)，同時(shí)在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)MT2可保護(hù)原代神經(jīng)細(xì)胞免受氧-葡萄糖剝奪。因此，MT2具有減輕腦缺血性損傷的作用。在自身免疫性腦脊髓炎疾病，MT2A也在參與細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖以及維持免疫穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)蛋白起重要作用[37]。

2.4 腫瘤性疾病

MT2A是多種癌癥標(biāo)記物并參與調(diào)控腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。在健康細(xì)胞中MT2A具有抗炎、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)等多種保護(hù)功能，然而，在MT2A在致癌作用方面是雙刃劍，在腫瘤細(xì)胞中高M(jìn)Ts含量會(huì)增加腫瘤的惡性程度、促進(jìn)增殖、抗凋亡。同時(shí)，MT2A對(duì)ROS清除作用有益于腫瘤細(xì)胞生存及對(duì)抗機(jī)體的免疫系統(tǒng)防御。MT-1/2的缺乏使在鉛暴露環(huán)境下生活的小鼠對(duì)患睪丸腫瘤、腎和膀胱癌前病變更敏感[38]。Werynska等[39]發(fā)現(xiàn)在肺癌中MT2A可誘導(dǎo)促血管生成因子(如成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(TGF-β)、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子A(VEGF-A))的表達(dá)促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)。Pan等[40]通過(guò)檢測(cè)973例胃標(biāo)本研究發(fā)現(xiàn)胃原發(fā)性腫瘤中檢測(cè)到MT2A表達(dá)下降,同時(shí)發(fā)現(xiàn)MT2A細(xì)胞凋亡和阻滯G2/M抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，通過(guò)上調(diào)IκB-α和下調(diào)p-IκB-α及cyclin D1表達(dá)來(lái)負(fù)調(diào)節(jié)NF-κB信號(hào)通路抑制腫瘤活性。研究[41]發(fā)現(xiàn)，MT2A可增加骨肉瘤化療的耐藥性。此外，MT2A預(yù)測(cè)肝癌存活率具有較高得價(jià)值[42]，但預(yù)測(cè)多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的存活率較低[43]。

2.5 其它重大疾病

MT2A還參與呼吸系統(tǒng)疾病、糖尿病等多種疾病病理生理過(guò)程。Ren等[44]使用百草枯(PQ)誘導(dǎo)急性肺損傷模型發(fā)現(xiàn)，MT2-/-小鼠肺中抗氧化酶活性降低、丙二醛(MDA)含量增高，表現(xiàn)出更嚴(yán)重的病理組織學(xué)損傷，同時(shí)，PQ還誘導(dǎo)MT2-/-小鼠肺細(xì)胞凋亡增加，凋亡相關(guān)蛋白Bax、Bcl-2、cleaved-caspase-3的表達(dá)和Bax/Bcl-2的比值均明顯增加。這表明MT2通過(guò)抗氧化和抗凋亡的機(jī)制對(duì)急性肺損傷起保護(hù)作用。在糖尿病中，MT2A通過(guò)抗氧化作用調(diào)節(jié)谷胱甘肽，促進(jìn)胰島素受體的磷酸化增強(qiáng)葡萄糖向細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)[45]。MT2A還可通過(guò)減輕氧化應(yīng)激，保護(hù)胰腺β細(xì)胞免受自由基損傷，維持正常胰島素的分泌，預(yù)防或延緩糖尿病及相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生[46]。

3 小結(jié)與展望

經(jīng)過(guò)60多年的研究，對(duì)MTs的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能已經(jīng)有了較為清晰的認(rèn)識(shí)。MT2A與金屬離子螯合并維持體內(nèi)一些必需金屬離子代謝的相對(duì)平衡，并對(duì)Cd等重金屬具有解毒作用。T2A通過(guò)抗炎、抗氧化應(yīng)激損傷、穩(wěn)定溶酶體膜維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。

綜上所述，MT2A參與腫瘤細(xì)胞的增殖、分化、凋亡等過(guò)程，可為腫瘤的治療提供新思路。此外，MT2A具有強(qiáng)清除羥自由基能力，可作為某些化妝品的添加劑。通過(guò)對(duì)MT2A研究的不斷深入，這一體內(nèi)活性蛋白必將在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。