金屬硫蛋白的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

何婧雯，熊海容，王 靖，覃 瑞，趙 平

（1.中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074；2.農(nóng)業(yè)部食品與營(yíng)養(yǎng)發(fā)展研究所，北京 100081）

0 引言

金屬硫蛋白（Metallothionein，MT） 是一類(lèi)存在于動(dòng)植物及微生物中低分子量，富含半胱氨酸、不含芳香氨基酸的金屬結(jié)合蛋白質(zhì)[1]。最早發(fā)現(xiàn)于1957，由李守明等人[2]在馬腎臟皮質(zhì)細(xì)胞中分離出鎘結(jié)合的金屬硫蛋白。之后人類(lèi)從植物、無(wú)脊椎動(dòng)物、真菌、原核生物等分離出各種金屬硫蛋白[3]?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)MT具有清除自由基、重金屬解毒、應(yīng)對(duì)應(yīng)激反應(yīng)、防輻射、防護(hù)DNA損傷、控制細(xì)胞代謝、增強(qiáng)機(jī)體免疫力等功能，在醫(yī)藥、食品、生物檢測(cè)、養(yǎng)殖業(yè)、保健品、化妝品等有著廣泛的應(yīng)用前景[4]。

1 金屬硫蛋白的結(jié)構(gòu)及功能

1.1 金屬硫蛋白的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)

哺乳動(dòng)物的MT大小為6～7 kD，由61～68個(gè)氨基酸殘基組成，其中有20多個(gè)半胱氨酸。對(duì)金屬硫蛋白進(jìn)行測(cè)序，金屬硫蛋白多肽鏈的Cys殘基有多種排列方式，Cys殘基位于N端和C端，Cys-NCys，Cys-N-N-Cys和Cys-Cys，其中“N”表示除半胱氨酸殘基以外的其他氨基酸殘基。一些植物的金屬硫蛋白的半胱氨酸則分布在整個(gè)氨基酸序列中[3]。

MT的種類(lèi)及分布情況見(jiàn)表1。

表1 MT的種類(lèi)及分布情況

MT的三級(jí)結(jié)構(gòu)呈啞鈴型，由2個(gè)大小相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)域α和β，其分子中不含α-螺旋和β-折疊[4]。人的MT-2的結(jié)構(gòu)，其中I類(lèi)MT-2含有2個(gè)金屬結(jié)合結(jié)構(gòu)域：4個(gè)二價(jià)離子在α-結(jié)構(gòu)域的簇A內(nèi)螯合，并通過(guò)半胱氨酸硫醇鹽橋連接至11個(gè)半胱氨酸配體。簇B（β-結(jié)構(gòu)域內(nèi)的相應(yīng)區(qū)域） 可以將3個(gè)二價(jià)離子連接至9個(gè)半胱氨酸。三維結(jié)構(gòu)表明，簇A可以結(jié)合3個(gè)金屬離子（Cd2+），簇B可以分別結(jié)合4個(gè)金屬離子（Cd2+）[5]。

1.2 金屬硫蛋白生理功能

1.2.1 重金屬的解毒作用

MT很重要的一個(gè)生理功能就是能解除重金屬的毒害作用。在現(xiàn)代社會(huì)中，化工廠污水的隨意排放，導(dǎo)致水源、植被、動(dòng)物等受到了污水中重金屬的毒害。因此，解除重金屬的毒害作用顯得極其重要。MT的結(jié)構(gòu)域上至少有7個(gè)金屬離子結(jié)合位點(diǎn)，能與18種金屬離子結(jié)合，將金屬離子帶出體外，避免機(jī)體受到重金屬的毒害作用[5]。但MT與各金屬離子的結(jié) 合 能 力 存 在 著 差 異 ， Hg2+＞Cu2+， Ag+， Bi3+≥Cd2+＞Pb2+＞Zn2+＞Co2+。而且并不是能誘導(dǎo) MT 表達(dá)的金屬離子就能被MT解毒這可能是這些金屬離子與MT結(jié)合不能形成穩(wěn)定的復(fù)合物，因此這種復(fù)合物又很快地被降解[1]。

1.2.2 清除自由基，參與應(yīng)激反應(yīng)

過(guò)多的自由基會(huì)損害機(jī)體，還會(huì)造成DNA及RNA結(jié)構(gòu)的改變和生物膜脂質(zhì)過(guò)氧化等損害，最后導(dǎo)致各種疾病的產(chǎn)生。而MT可以清除自由基、抑制脂質(zhì)過(guò)氧化、促進(jìn)細(xì)胞代謝和增強(qiáng)免疫，從而提高機(jī)體的自我保護(hù)和修復(fù)能力，是已知的內(nèi)源性自由基清除劑中最強(qiáng)的一種[6]。其清除OH-的能力是超氧化物歧化酶的1萬(wàn)倍，清除O2-的能力是谷胱甘肽的25 倍[7]。

1.2.3 其他功能

除上述功能外，還能維持生物體內(nèi)微量元素的動(dòng)態(tài)平衡、抗輻射等。動(dòng)物體內(nèi)的MT還具有抗炎和促進(jìn)修復(fù)的作用，而植物中的MT還參與金屬離子的運(yùn)輸、供給等。其中MT-2A能調(diào)節(jié)金屬穩(wěn)態(tài)、解毒、氧化應(yīng)激、免疫防御、細(xì)胞周期進(jìn)展、細(xì)胞增殖分化和血管生成[4]。

2 金屬硫蛋白與疾病

2.1 MT與心血管疾病

金屬硫蛋白（MT） 可以抑制Dox（阿霉素） 誘導(dǎo)的心臟毒性[8]。MT-2A在心臟中是一個(gè)有效的抗氧化劑?？寡趸瘎┰诟哐獕?、動(dòng)脈粥樣硬化、缺血性心臟疾病、心肌病和充血性心臟衰竭能等方面發(fā)揮有益作用[9]。MT-2A可能通過(guò)自由基清除活動(dòng)和抑制脂質(zhì)過(guò)氧化作用在心血管保護(hù)中發(fā)揮作用[10]。ERS（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)）直接觸發(fā)心肌細(xì)胞功能障礙，MT可通過(guò)上調(diào)JNK（c-Jun氨基末端激酶） 磷酸化水平來(lái)消除這一過(guò)程。ERS抑制劑?；敲撗跄懰峥赡孓D(zhuǎn)該過(guò)程。此外，MT能夠通過(guò)恢復(fù)高血壓性心臟病的自噬來(lái)預(yù)防心肌異常[11]。

2.2 MT與皮膚疾病

光化性角化?。ˋK）被認(rèn)為是可演進(jìn)到鱗狀細(xì)胞癌（SCC） 的一種病癥[12]。觀察正常皮膚，AK病例的皮膚和SCC病例的皮膚中MT-3表達(dá)的變化，表明該蛋白質(zhì)與皮膚癌的發(fā)生有潛在的作用。AK病例表現(xiàn)出MT-3表達(dá)，其與正常皮膚表皮中所見(jiàn)的相比更高，但與SCC癌細(xì)胞相比更低。該觀察結(jié)果可能表明MT-3在SCC發(fā)展中的作用。在基底細(xì)胞癌（BCC）和SCC的病例中觀察到其表達(dá)強(qiáng)度的不同，在SCC的病例中觀察到更高的MT-3表達(dá)。該觀察結(jié)果也與健康皮膚和AK病變中記錄的MT-3表達(dá)模式一致，其中在基底細(xì)胞中只有微弱的表達(dá)。MT-3在BCC和基礎(chǔ)細(xì)胞中的表達(dá)可能是基于DNA甲基化的類(lèi)似調(diào)控過(guò)程的結(jié)果[13]。

2.3 MT與糖尿病

糖尿病和人類(lèi)基因多態(tài)性控制鋅離子的細(xì)胞可利用性。ZnT-8是一種鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，它為胰腺β細(xì)胞提供鋅，另一種是MT-1A，它是連接鋅和氧化還原代謝的蛋白質(zhì)家族的成員。鋅離子可用性的變化調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)傳導(dǎo)和氧化還原過(guò)程。鋅和MT均可保護(hù)細(xì)胞免受糖尿病中發(fā)生的氧化還原應(yīng)激的影響，并防止其進(jìn)展出并發(fā)癥，包括心臟病、肝損傷、腎病等[14]。通過(guò)鋅處理有效調(diào)節(jié)鋅外排蛋白和流入蛋白的表達(dá)水平，鋅處理也誘導(dǎo)組織中的金屬硫蛋白表達(dá)以減輕氧化應(yīng)激。因此，鋅補(bǔ)充劑在控制糖尿病期間的鋅通量方面具有顯著的好處，通過(guò)對(duì)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和金屬硫蛋白表達(dá)調(diào)節(jié)的保護(hù)性影響而發(fā)揮作用[15]。

2.4 MT與神經(jīng)退行性疾病

淀粉樣蛋白參與阿爾茨海默?。ˋD）、帕金森?。≒D）、肌肉萎縮性側(cè)面硬化病（ALS） 和朊病毒（CJD）等影響動(dòng)物和人的神經(jīng)退行性疾病的形成。在這些疾病中，金屬離子，尤其是銅和鋅的作用是深入研究的主題。它們參與蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊，聚集和活性氧物質(zhì)的產(chǎn)生。這些金屬離子不僅與具有高親和力的疾病特異性淀粉樣蛋白形成肽或蛋白質(zhì)結(jié)合，而且還改變其生化特性，使其成為疾病進(jìn)展中的重要參與者。MT-3對(duì)銅毒性的保護(hù)作用在AD，PD和朊病毒疾病已經(jīng)被證實(shí)[16]。MT-3可以防止ALS模型小鼠運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的損失并延長(zhǎng)壽命[17]。

2.5 MT與肝臟

研究表明，離子態(tài)汞（Hg2+）易與體內(nèi)巰基（-SH）結(jié)合，使以巰基為活性中心的蛋白質(zhì)失活，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，引起肝臟、腎臟等組織產(chǎn)生退行性病變及炎癥損傷，導(dǎo)致組織細(xì)胞正常生物活性及代謝功能異常，最終導(dǎo)致組細(xì)胞代謝性死亡，組織功能性喪失[18]。

王欣卉等人[19]發(fā)現(xiàn)酵母源金屬硫蛋白（MT-2）能修復(fù)小鼠慢性汞中毒引起的肝損傷，并且高劑量酵母源MT-2對(duì)汞中毒小鼠肝臟損傷的修復(fù)效果明顯優(yōu)于對(duì)照二巰基丙磺酸鈉（DMPS）。

異煙肼（INH） 是一種廣泛用于治療結(jié)核病（TB）的一線(xiàn)藥物。然而，INH治療與嚴(yán)重的肝毒性甚至致命的肝衰竭有關(guān)。Lian Y等人[20]研究發(fā)現(xiàn)金屬硫蛋白通過(guò)抑制小鼠CYP2E1（細(xì)胞色素 P4502E1）依賴(lài)性氧化和亞硝化損傷來(lái)預(yù)防異煙肼誘導(dǎo)的肝損傷。有研究發(fā)現(xiàn)MT可以有效抑制藥物和化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)的心臟、肝臟、腎和肺的氧化損傷，主要通過(guò)其抗氧化和清除自由基的活性。

2.6 MT與腫瘤

根據(jù)組織的類(lèi)型和癌的分類(lèi)，觀察到MT表達(dá)與腫瘤類(lèi)型、分期、分級(jí)，預(yù)后不良和身體對(duì)放療和化療的抵抗之間的關(guān)系。腫瘤細(xì)胞中的MT通過(guò)抑制導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的過(guò)程在防御輻射作用的機(jī)制中起重要作用。許多研究表明，在喉癌、胰腺癌、腎癌、子宮癌和乳腺癌的各種人類(lèi)腫瘤中MT的表達(dá)增加，而在肝臟腫瘤中檢測(cè)到較低的MT表達(dá)。在甲狀腺、前列腺、肺、胃和中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的情況下檢測(cè)到MT表達(dá)是可變的。同時(shí)，MT在細(xì)胞治療中起著至關(guān)重要的作用。MT可以結(jié)合順式鉑化合物并將其從細(xì)胞中除去，這可能導(dǎo)致多藥耐藥性。然而，MT可防止化學(xué)治療的負(fù)面影響。分析腫瘤細(xì)胞中MT的表達(dá)可能有助于選擇治療方法。但很難確定MT表達(dá)增加是否只是腫瘤發(fā)生、惡性程度和多藥耐藥性發(fā)展的誘導(dǎo)因素，或者是否是抑制腫瘤誘導(dǎo)和發(fā)展的因素[21]。

3 金屬硫蛋白的開(kāi)發(fā)利用

研究表明，許多疾病都與MT的表達(dá)密切相關(guān)。如腫瘤、心血管、肝腎臟的損傷和神經(jīng)系統(tǒng)等疾病都與MT有關(guān)。導(dǎo)致這些疾病發(fā)生的重要誘因是脂質(zhì)過(guò)氧化過(guò)高，致使各器官氧化損傷。MT則有清除自由基、抑制脂質(zhì)過(guò)氧化、促進(jìn)細(xì)胞代謝和增強(qiáng)免疫的功能，從而提高機(jī)體的自我保護(hù)和修復(fù)能力。重金屬的中毒也會(huì)導(dǎo)致器官的損傷，MT能對(duì)重金屬和氧化損傷引起的器官損傷有很好的修復(fù)作用。MT在抗凋亡、抗發(fā)炎、抗感染等也有積極的作用。因此可以在醫(yī)藥方面開(kāi)發(fā)利用。

空氣污染、飲食不規(guī)律、作息的不規(guī)律、電腦手機(jī)的輻射給現(xiàn)代人的皮膚帶來(lái)各種問(wèn)題，如油脂分泌旺盛、皮膚的加速老化等。要想解決皮膚根本問(wèn)題還要從細(xì)胞代謝下手。市面上很多主打抗氧化、防衰老的護(hù)膚品中添加了SOD超氧化物歧化酶。而研究表明MT有著清除自由基和抗氧化等功能。MT與SOD比清除自由基能力更強(qiáng)，且MT有著熱穩(wěn)定性高、分子量小易被機(jī)體吸收、半衰期長(zhǎng)、抗輻射等功能。并且MT為內(nèi)源性蛋白，安全性高，因此可將其作為護(hù)膚品和化妝品有效成分，起到抗氧化、防衰老、防輻射，還可以減輕有些化妝品中重金屬的毒害作用[22]。

隨著生活品質(zhì)的提高，人們對(duì)健康的意識(shí)逐漸提高，因此保健品行業(yè)盛行。MT不僅可以作為藥品治療疾病，還可以制成膠囊功能飲料等直接食用的保健產(chǎn)品。可以起到抗氧化、延緩衰老、修護(hù)氧化損傷、防輻射、增強(qiáng)免疫力等功效。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)農(nóng)作物的出產(chǎn)要嚴(yán)格把關(guān)。種植農(nóng)作物的土壤中可能存在一些重金屬離子，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不良的影響，并且人體攝入后對(duì)機(jī)體將會(huì)產(chǎn)生副作用?？梢岳没蚬こ痰氖址▉?lái)增加MT的表達(dá)量，從而使作物產(chǎn)生金屬離子耐受。對(duì)于畜牧業(yè)，因?yàn)镸T還有增強(qiáng)免疫等功能，因此可以加入飼料中，提高動(dòng)物的免疫力等。

MT可作為生態(tài)環(huán)境重金屬污染檢測(cè)的指標(biāo)，但MT的表達(dá)量和其他因素也有關(guān)，如溫度、金屬離子、O2和pH值等。因此，還需將這些因素考慮進(jìn)去，才能更精準(zhǔn)的檢測(cè)出重金屬含量。這對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有重要意義[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

MT具有重金屬解毒、參與氧化應(yīng)激、維持生物體內(nèi)微量元素的動(dòng)態(tài)平衡、防輻射、抗炎、抗感染、增強(qiáng)免疫力等功能。對(duì)MT的開(kāi)發(fā)利用涉及到醫(yī)藥、保健品、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)，美容及生物化工等領(lǐng)域。目前，有關(guān)MT的研究很多，涉及到結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)等但其中很多機(jī)制尚未明確，因此對(duì)各個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)程度較低，還需進(jìn)一步研究。因MT是內(nèi)源性蛋白，所以安全性很高，在食品、保健品等領(lǐng)域有很大的前景，但作為食品還需明確各種機(jī)制才可投入生產(chǎn)。在生物檢測(cè)方面也還要繼續(xù)研究其他因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。相信未來(lái)，MT將被廣泛利用，造福人類(lèi)。