金屬硫蛋白在細胞生理過程和疾病發(fā)生發(fā)展中的多功能調(diào)控作用

韋淑丹 黃波

【摘要】金屬硫蛋白（Metallothionein，MT）是一類廣泛存在、結(jié)構(gòu)高度保守的抗氧化應(yīng)激分子，參與重金屬解毒、氧化損傷解毒、儲存金屬及調(diào)節(jié)代謝。MT與疾病發(fā)病過程密切相關(guān)。MT基因表達調(diào)控通過轉(zhuǎn)錄水平上進行，與金屬、糖皮質(zhì)激素及血清反應(yīng)元素順式作用，與金屬調(diào)節(jié)蛋白反式作用達到調(diào)節(jié)作用。文章就結(jié)合臨床相關(guān)文獻研究進行以下總結(jié)，以期后續(xù)學(xué)者深入分析提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】金屬硫蛋白;細胞生理;疾病;多功能調(diào)控

課題名稱：“基于出生隊列的環(huán)境-遺傳交互作用對妊娠與出生結(jié)局影響的研究”

項目批準號：2018AB62004，2019.9-2021.12，主持，廣西重點研發(fā)項目

金屬硫蛋白（Metallothionein，MT）是一類可與金屬結(jié)合、富含半胱氨酸（約占總氨基酸殘基30%）和低分子量（0.5-15 kDa）的蛋白質(zhì)。MT最早在馬的腎皮質(zhì)中被分離提純，隨后發(fā)現(xiàn)MT存在于各種屬及各組織臟器中，呈現(xiàn)高度的進化保守性。雖然已有證據(jù)提示MT涉及金屬代謝、解毒、維護氧化還原穩(wěn)態(tài)、細胞存活于分化、抗炎和免疫反應(yīng)等[3]，但其確切生理功能和病理學(xué)作用尚未完全闡明。為增加對MT的認識，本文對MT在細胞生理過程和疾病發(fā)生發(fā)展中的多功能調(diào)控作用做一綜述。

1 金屬硫蛋白的表達

MT可分為MT1、MT2、MT3和MT4等四個亞家族，廣泛存在于動植物。其中人MT共有11種功能性亞型，即MT-1A、B、E、F、G、H、M和X、MT2A、MT-3和MT-4，以及7個非功能亞型（MT1C、MT1D、MT1I、MT1J、MT1L、MT1P和MT2B）。MT-1和MT-2基因的啟動子中含有調(diào)控其表達的TATA盒、GC盒和基礎(chǔ)水平元件（BLE），此外還含有幾個特異性調(diào)控元件如金屬應(yīng)答元件（MRE）、抗氧化物應(yīng)答元件（ARE）、糖皮質(zhì)激素應(yīng)答元件（GRE）和甲狀腺素應(yīng)答元件（TRE），一些應(yīng)激因素（金屬、激素、缺氧、炎癥等）可通過介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子與上述MT基因啟動子的應(yīng)答元件結(jié)合，在轉(zhuǎn)錄水平上誘導(dǎo)MT的合成并受啟動子區(qū)域CpG甲基化的調(diào)控。在MT1表達水平低的細胞中，MT1啟動子某些區(qū)域CpG位點趨向于甲基化，而在高表達MT1的細胞中，MRE區(qū)域的CpG位點完全去甲基化。在胃癌組織中，MT3表達顯著降低與MT3內(nèi)含子1的CpG島高度甲基化有關(guān)。

2. MT在病理學(xué)過程的作用

2.1 MT與心血管疾病的關(guān)系

心血管疾病的發(fā)生發(fā)展與氧化應(yīng)激和慢性炎性有關(guān)，MT高水平表達可改善心肌收縮功能，并減少心肌梗死面積。研究發(fā)現(xiàn)，MT-2A可通過上調(diào)JNK磷酸化水平從而消除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ERS）引起的心肌細胞功能障礙，減弱ERS對心臟收縮的抑制和左心室擴張。還可以通過抑制CCAAT/增強子結(jié)合蛋白同源蛋白的表達，增強心肌細胞活力，抑制細胞凋亡，從而預(yù)防心肌細胞損傷。在經(jīng)L-NAME誘導(dǎo)的高血壓實驗中，MT高表達的轉(zhuǎn)基因小鼠雖然不能改變自噬標志物L(fēng)C3B、p62的蛋白表達水平和自噬信號分子AMPKα的磷酸化水平，但是與非轉(zhuǎn)基因小鼠相比，MT顯著減弱了自噬和自噬調(diào)節(jié)蛋白的變化，并且能對抗高血壓引起的氧化應(yīng)激，改善心肌細胞的收縮能力。

2.2 MT與阿爾茨海默?。ˋD）的關(guān)系

AD突出的病理特征是β-淀粉樣蛋白（Aβ）在神經(jīng)細胞外沉積，從而損壞周圍神經(jīng)細胞膜和線粒體膜，導(dǎo)致神經(jīng)細胞的損傷。使用小動物滲透泵和大腦輸液設(shè)備將Zn7MT-3作用于APP/PS1小鼠模型中樞神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)Zn7MT-3可通過調(diào)節(jié)金屬穩(wěn)態(tài)，消除Aβ斑塊負荷，減少氧化應(yīng)激和神經(jīng)元細胞凋亡，從而顯著改善海馬形態(tài)和功能，提高轉(zhuǎn)基因小鼠的認知功能。Zn3-βMT-3對Aβ有特異性的親和力，通過二者的相互作用，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的Zn-MT-3/ a β復(fù)合物，有效地阻止高粘度體液中Cu-Aβ蛋白的形成，降低Cu2+誘導(dǎo)的Aβ神經(jīng)毒性，減少活性氧的產(chǎn)生，減緩AD的發(fā)展，這對于研究制定MT3相關(guān)的AD治療策略有重要的意義。

2.3 MT與糖尿病的關(guān)系

II型糖尿?。═2D）是由于機體對胰島素抵抗（IR）所引起的全身性代謝性疾病，高水平的血糖可誘導(dǎo)ROS過度產(chǎn)生而導(dǎo)致氧化應(yīng)激（OS）。MT可能通過抑制ROS/RNS對NF-κB信號通路的激活，降低一氧化氮合酶的活性，減少一氧化氮的產(chǎn)生，從而調(diào)控高血糖、高血脂引發(fā)的細胞死亡、炎癥反應(yīng)和纖維化，阻止糖尿病心肌病的發(fā)展。在糖尿病動脈粥樣硬化患者中，MT2A基因中 rs 1610216基因AA基因型攜帶者血糖、糖化血糖蛋白、IL-6明顯升高，Zn濃度降低，Zn濃度和血糖與糖尿病動脈粥樣硬化存在顯著相關(guān)，提示MT2A在-209 A / G位點的變異與鋅濃度相關(guān)，并且影響炎癥的發(fā)生，高血糖和糖化血紅蛋白，增加動脈粥樣硬化的風(fēng)險。給予糖尿病模型動物補充鋅誘導(dǎo)MT的表達，發(fā)現(xiàn)超氧化物歧化酶的活性增加，血清中谷胱甘肽濃度增加，丙二醛的濃度降低，脂質(zhì)過氧化降低，保護肝臟免受氧化損傷。

2.4 MT與腫瘤的關(guān)系

MT的表達水平依不同腫瘤類型而不同，在乳腺癌、鼻咽癌、卵巢癌、膀胱癌、黑色素瘤中MT表達上調(diào)，而在其他癌癥如肝細胞癌、前列腺癌、甲狀腺乳頭狀癌中MT表達下調(diào)。在肺癌亞型中，MT在鱗狀細胞肺癌和腺癌中表達水平較高，而在小細胞肺癌中不表達。MT的表達與多種腫瘤發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。MT-1F可以通過與轉(zhuǎn)錄激活因子SP1競爭性結(jié)合GCE啟動子區(qū)重疊的結(jié)合基序，破壞SP1的功能，引起下游基因的轉(zhuǎn)錄抑制和腫瘤生長抑制。在人肝癌細胞系HepG2 中高水平表達MT-1F，轉(zhuǎn)染的細胞生長速度變慢，細胞集落形成緩慢，生長能力下降。將轉(zhuǎn)染的細胞注入小鼠體內(nèi)，小鼠腫瘤開始生長時間和生長速度均慢于注射HepG2小鼠，且肝細胞癌MT-1F的基因表達低于癌旁組織及正常組織。有研究發(fā)現(xiàn)，MT2A通過增加MCF-7乳腺癌細胞中NF-κB 和 AP-1轉(zhuǎn)錄活性，誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶-9上調(diào)，增強乳腺癌細胞遷移和侵襲能力，而在沉默MT-2A基因的乳腺癌細胞則發(fā)生凋亡及生長停滯[11]。MT亞型的不同作用、MT在不同癌癥類型的表達水平的不同，使MT成為潛在生物標志物的豐富來源。

2.5 MT與妊娠的可能關(guān)系

妊娠實質(zhì)是一種半同種移植現(xiàn)象，其成功有賴于母-胎免疫平衡，鑒于MT抗氧化和免疫調(diào)控的生理功能特性，MT可能與妊娠、妊娠并發(fā)癥存在一定的關(guān)聯(lián)。子宮內(nèi)膜的MT可能參與免疫介導(dǎo)的細胞凋亡，在輸卵管妊娠孕婦的子宮內(nèi)膜中可觀察到MT免疫組化呈強免疫反應(yīng)及CD3+細胞數(shù)量增加，并且免疫細胞浸潤下降MT也會下降，而非孕婦的輸卵管粘膜中沒有發(fā)現(xiàn)MT介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。妊娠過程中氧化-抗氧化失衡，會導(dǎo)致母體ROS/RNS過量，并最終損傷血管內(nèi)皮而可能發(fā)展為妊娠高血壓或子癇前期等并發(fā)癥。研究發(fā)現(xiàn)，孕婦吸煙攝入Cd可增加胎盤MT的量，這可能由通過胎盤屏障的Cd誘導(dǎo)產(chǎn)生，也可能來源于母體肝臟或腎臟已生成的Cd-MT再分布，并增加機體對ROS/RNS的清除，這可能是吸煙可降低子癇前期發(fā)生風(fēng)險的原因之一。妊娠期間在孕激素的誘導(dǎo)下MT水平增加，儲備鋅以確保胎兒發(fā)育充分和保護胎兒免受重金屬潛在暴露所產(chǎn)生的毒作用。在Cd暴露孕婦體內(nèi)孕激素水平受干擾，可導(dǎo)致孕晚期MT水平下降而可能誘發(fā)妊娠高血壓。此外，MT還可能通過直接清除有害物質(zhì)以及釋放鋅離子拮抗毒物暴露所誘導(dǎo)的滋養(yǎng)細胞凋亡。

3. 小結(jié)與展望

半個多世紀以來人們對MT開展了廣泛的研究，然而對MT生理學(xué)功能的了解仍遠未清楚。MT涉及必需元素的代謝、細胞分化和存活及維持細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)作用以及多種重大疾病體現(xiàn)了MT在細胞生理過程和疾病發(fā)生發(fā)展中的多功能調(diào)控作用。多種應(yīng)激和致病因素可誘導(dǎo)MT的特性使將MT發(fā)展為相關(guān)疾病的生物標志成為可能，進一步研究MT各亞型的表達調(diào)控、細胞定位及其與各種疾病的關(guān)系將有助于了解MT的生理和病理學(xué)功能。

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通訊作者：黃波，桂林醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院，2559341252@qq.com