半胱氨酸參與生物體重金屬抗性的研究進展

張禮孫堆王曉鄭春麗，2

（1. 內蒙古科技大學生命科學與技術學院，包頭 014010；2. 白云鄂博多金屬資源綜合利用省部共建國家重點實驗室，包頭 014010）

半胱氨酸參與生物體重金屬抗性的研究進展

張禮1孫堆1王曉1鄭春麗1，2

（1. 內蒙古科技大學生命科學與技術學院，包頭 014010；2. 白云鄂博多金屬資源綜合利用省部共建國家重點實驗室，包頭 014010）

半胱氨酸（Cys）是生物體硫酸鹽同化途徑的終產物，廣泛存在于生物體內。生物體將氧化態硫吸收并還原后固定到半胱氨酸分子中，使其能夠順利參與生物體的其他代謝途徑。因半胱氨酸結構中含有巰基，使得其能與重金屬離子特異性結合，并直接或間接地參與生物體的重金屬抗性。由于生物細胞是在異相條件下進行系列的、有序的生理生化過程，進一步研究Cys及其金屬離子配合物在分子水平上的結構特征，對于在分子水平上研究Cys及其與金屬離子的生理行為有重要的參考價值。近年來，新技術（如原子力顯微鏡）在生物科學方面的應用使得這一研究成為可能。對半胱氨酸的基本特性、生物合成途徑及其參與生物體重金屬抗性的研究進展進行了綜述，旨為研究Cys在生物體重金屬抗性過程中的解毒機制提供一定的科學理論依據。

半胱氨酸；生物合成途徑；重金屬抗性

半胱氨酸（Cysteine，Cys）是生物體硫酸鹽同化途徑中的終產物，是無機硫元素最終轉變為有機硫并參與生物體代謝的中間載體。Cys是一種含有巰基（-SH）的水溶性氨基酸，近年來備受關注，尤其是在生物體重金屬抗性方面。Cys能與許多重金屬離子發生特異性結合，從而直接或間接地參與生物體的金屬離子解毒作用。許多研究發現［1，2，23］，在重金屬離子的作用下，生物體細胞內的Cys水平會產生相應的變化。Cys能夠與多種重金屬離子形成穩定的絡合物［4-7］。在分子水平上，研究Cys-M（M表示金屬離子）配合物的結構特征，對于研究Cys與金屬離子的生理行為有重要的參考價值，對于探索生物體重金屬抗性機制具有重要的意義。近年來，隨著科技的不斷進步，新技術（如原子力顯微鏡）在生物科學方面的應用使得這一研究成為可能。本文對半胱氨酸的基本特性、生物合成途徑及其參與生物體重金屬抗性的研究進展進行了綜述，為研究Cys在生物體重金屬抗性過程中的解毒機制提供一定的科學理論依據。

1 半胱氨酸的基本特性

半胱氨酸學名為2-氨基-3-巰基丙酸，分子式為C3H7NO2S，相對分子質量為121.15，熔點220℃，在25℃水中的溶解度為277.433 g/L，有刺激性，易溶于稀無機酸和堿性溶液，不易溶于水，難溶于乙醇，不溶于氯仿和醚。根據半胱氨酸分子空間構型的不同分為3種構型：L型，D型和 DL型，在生物體內只存在L-半胱氨酸［8］，化學結構式如圖1所示。半胱氨酸是一種含巰基（-SH）的極性α-氨基酸，可以與硝普鹽發生反應呈現紫色。Cys存在于許多蛋白質、谷胱甘肽中，能與許多金屬離子作用形成不溶性的硫醇鹽。Cys在酸性溶液中穩定，在中性或堿性溶液中不穩定，容易被氧化成胱氨酸，二者可以相互轉換。Cys是一種還原劑，它可以促進面筋的形成，減少混合所需的時間和所需要用的能量。Cys能夠通過改變蛋白質分子內部活分子之間的二硫鍵，從而改變蛋白質的結構并使其延伸開來。厭氧條件下，Cys在脫硫氫酶的作用下易被分解成硫化氫、氨和丙酮酸，或是在轉氨酶作用下被分解成為丙酮酸和亞硫酸，或是被脫羧酶分解成為亞牛磺酸、牛磺酸等。Cys還可與有毒的芳香族化合物縮合成硫醚氨酸（Mercapturic acid）而起解毒作用。除此之外，Cys還具有抗衰老、美白、消炎、止痛、抑制細菌和癌細胞生長等生理功能，廣泛應用于醫學領域。

圖1 L-半胱氨酸和D-半胱氨酸的化學結構式

2 半胱氨酸的生物合成途徑

Cys在生物體內發揮的作用十分重要［9-12］，首先它是甲硫氨酸合成的起始物質，同時又參與生物素、硫胺素、硫辛酸、輔酶M及輔酶A的形成；生物體內鐵硫簇是許多酶的作用位點，Cys在鐵硫簇生物合成的過程中起到了重要的作用，通過形成二硫鍵來實現蛋白質的加工修飾。在生物體中，Cys參與硫氧還蛋白及谷胱甘肽（Glutathione，GSH）的合成，其中，Cys還是合成GSH的前體物質，二者是生物體抗氧化的重要物質。Cys是許多生物體硫酸鹽同化途徑中的終產物。硫酸鹽從體外被膜轉運蛋白運輸到體內后，首先被ATP硫酸化酶活化為5'-腺苷酰硫酸（APS）或3'-磷酸腺苷-5'磷酰硫酸（PAPS），然后其被相應的還原酶還原為亞硫酸鹽，亞硫酸鹽又被亞硫酸鹽還原酶還原為硫化物，最后硫化物與O-乙酰-L-絲氨酸在O-乙酰還原酶的作用下生成Cys［10］。無機硫元素最后被固定到半胱氨酸骨架中，從而實現向有機硫元素的轉變。然后Cys再進一步參與生物體細胞內其他的代謝途徑。在細菌、真菌、植物等硫的新陳代謝調控途徑中，Cys是主要的低分子量調節器［11］。在合成半胱氨酸過程中，硫化物能通過兩種不同的方式被整合入半胱氨酸骨架：一種路徑是SAT路徑；另一種是CT路徑［11-13］。

2.1 SAT合成路徑

在生物體硫酸鹽同化途徑中，硫化物能通過兩種不同的方式被整合入半胱氨酸骨架：第一種合成途徑稱為SAT路徑，首先絲氨酸與乙酰輔酶A被絲氨酸乙酰轉移酶（SATase）催化生成O-乙酰絲氨酸（OAS），而后由O-乙酰絲氨酸裂解酶（OAS-TL，又稱為半胱氨酸合成酶）催化OAS與硫化物反應生成Cys，此路徑被稱為SAT路徑［13，14］。許多植物和細菌就是利用該路徑合成Cys的，如大腸桿菌等。結合我們近幾年的實驗［15-20］，通過對嗜酸氧化亞鐵硫桿菌硫酸鹽同化途徑中的幾個相關基因進行表達、鑒定與分析表明，嗜酸氧化亞鐵硫桿菌也是采用SAT路徑合成半胱氨酸的。

2.2 CT合成路徑

另外，OAS-TL還參與半胱氨酸合成的第二條途徑。O-乙酰高絲氨酸與硫化物在OAS-TL催化作用下生成高絲氨酸，高絲氨酸隨后在胱硫醚-β-合酶（β-CTSase）催化作用下合成胱硫醚（CT），胱硫醚最后在胱硫醚-γ-裂解酶的催化作用下被分解為半胱氨酸和α-酮丁酸，此合成路徑被稱為CT路徑［11-13，21］。一些真菌如亞羅酵母菌、脈孢菌和一些原生生物可采用上述兩種方式合成半胱氨酸［5］。兩種合成途徑如圖2。

圖2 SAT合成路徑和CT合成路徑［8］

3 半胱氨酸與重金屬抗性

生物體為了適應外界的不利環境，自身產生了一系列的抗性與解毒機制。其中，半胱氨酸直接與多種重金屬離子發生特異性結合，或是通過其代謝衍生物間接參與生物體重金屬抗性。半胱氨酸參與生物體重金屬離子的解毒作用越來越受到關注。

3.1 半胱氨酸與重金屬離子的直接作用

半胱氨酸的巰基與Hg2+、Cu2+和Ag+等重金屬離子之間有著不同的結合能力，這種結合力的強弱順序為：Hg2+＞Cu2+～Ag+，結合后以R-S-M'或R-SM''-S-R（M'、M''各為1價、2價金屬）的形式形成不溶性的硫醇鹽［22］。還有文獻報道，半胱氨酸能與弱氧化性的Cu2+發生氧化還原反應，半胱氨酸被氧化成胱氨酸（形成二硫鍵），而銅離子則被還原成亞銅離子［23，24］。張貴珠等［4］探究了在堿性、中性、酸性等介質中半胱氨酸與金屬離子的相互作用，發現半胱氨酸與Co2+僅在強堿性介質中能夠反應，并且生成穩定性較好的高靈敏度絡合物，最終形成了以鈷離子為探針對半胱氨酸進行測定的方法。Yang等［5］在研究Zn2+在L-cysteine金電極上的電化學行為發現，L-cysteine能夠與Zn2+相互作用形成一種復雜的絡合物。劉文涵等［6］利用原子吸收硫化鋅法間接測定半胱氨酸絡合反應的機理研究發現，在堿性條件下，半胱氨酸以半胱氨酸基（Cys-）的形態和ZnS解離出的Zn2+反應生成的更加穩定可溶性絡合物［HS-CH2CH（NH2）-COO］2Zn（OH）2，該絡合物的結構式如圖3。

圖3 ［HS-CH2CH（NH2）-COO］2Zn（OH）2絡合物的結構式［6］

本實驗近期研究發現，使用不同濃度Cd2+的脅迫野生型BL21（E. coli DH5α）和pCmtR-BL21（細胞中含有重組質粒pCmtR）和pCysE-BL21（細胞中含有重組質粒pCysE），與對照組相比，實驗組菌體的生物量變化不明顯，但是其細胞內Cys和GSH的水平卻是上升的。這一現象與Ilyas等發現假絲酵母在重金屬脅迫下細胞內的Cys和GSH水平是上升的現象基本一致［3］；同時測得菌體細胞內的Cd2+含量也明顯增加。推測菌體內的金屬離子可能是與Cys和GSH形成了絡合物［25-29］，尤其是GSH影響了細胞對于Cd2+吸收［30］，進而增加了其對Cd2+的抗性［3，6，25-29］。Ghiamati等［7］在室溫下成功合成了穩定的、有選擇性的、反應靈敏的Cd-Cysteine復合納米棒（Cd-Cysteine Nanorods，Cd-Cys NRs），并將其作為納米熒光傳感器應用于測定含有微摩爾每升的Fe（Ⅲ）樣品。Cd-Cys NRs的形成過程如圖4。Domínguez-Solís等［31］在研究擬南芥對Cd2+的抗性時發現，在葉子毛狀體中，增加Cys的有效的生物合成量可以增強擬南芥對Cd2+的耐受性和積累。在植物修復過程中，半胱氨酸生物合成途徑的分子工程研究和增加葉子毛狀體數量將在增強植物對重金屬離子的抗性方面重要作用［31-34］。

圖4 Cd-Cys NRs的形成過程［7］

3.2 半胱氨酸與重金屬離子的間接作用

半胱氨酸與重金屬離子的間接作用研究較多的主要集中體現在金屬硫蛋白（MT）與重金屬離子相互作用和谷胱甘肽與金屬離子相互作用。

3.2.1 金屬硫蛋白與重金屬離子相互作用 金屬硫蛋白（Metallothionein，MT）是一類無芳香氨基酸、無組氨酸、低分子量、高金屬含量、富含半胱氨酸的具有高誘導特性和結合金屬能力的蛋白質，廣泛存在于生物體內［35-51］。Cys以比較保守的序列形式CysXCys、CysXyCys和CysCys（X代表其他氨基酸）存在于MT中［37］，因此MT能夠通過巰基與金屬離子結合形成具有特殊光譜學特征的金屬-巰基簇（如Cd-MT，Cu-MT等），這些金屬-巰基簇具有特征吸收峰：Cu-MT為250 nm，Cd-MT為275 nm，Zn-MT為220 nm，Hg-MT為300 nm。Haq等［38］利用2DNMR及X-射線晶體衍射法測定發現，金屬硫蛋白的三級結構呈亞鈴狀，不含α螺旋和β折疊，有兩個大小相當的結構域（直徑1.5-2 nm）構成，即α結構域和β結構域。這兩個結構域結合金屬元素的能力不同，C端的α結構域中含11個Cys，N端的β結構域中含9個Cys，這20個Cys能夠結合7個Zn2+或Cd2+，或多達12個Cu2+［39］。Li等［40］研究大棗（Ziziphus jujuba）的1型金屬硫蛋白（ZjMT）發現，在該金屬硫蛋白的氮末端含有6個Cys，其結構為CXCXXXCXCXXXCXC（C=Cys），碳末端也含有六個Cys，其結構為CXCXXXCXCXXCXC（C=Cys）。ZjMT對金屬離子的吸附能力強弱順序為：Cu2+＞ Cr3+＞ Mn2+＞ Cd2+＞Zn2+＞ Ni2+。推測ZjMT中的半胱氨酸殘基可能對金屬離子具有束縛和隔離能力［41-43］。Kassim等［44］通過量子理論分析Zn2+與金屬硫蛋白（MT）相互作用，并預測了［（Zn）3（MeS）9］3-（Me表示甲硫醇）氧化模型系統。［（Zn）3（MeS）9］3-的結構模型如圖5。有許多研究表明，水生植物在受金屬離子污染的環境中，MT會被誘導表達［45-48］，編碼MTs的基因在植物細胞中廣泛存在［42，49-51］，哺乳類的MTs有高度保守的結構區域［52］，而植物MTs則含有特殊排列的半胱氨酸殘基區域，但是它們的結構和功能變化多樣［42］。

圖5 ［（Zn）3（MeS）9］3-集群的TS1'b過渡態構象［44］

圖6 A、B、C、D分別為GSH-Cd在汞表面吸附組裝1、3、5、8 min的三維AFM圖［56］

3.2.2 谷胱甘肽與金屬離子相互作用 谷胱甘肽（Glutathione，GSH）是一種具有特殊生物學功能的由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸組成的三肽，含有氨基、巰基、羧基和酰胺基等多種配位基團。因為其分子中包含3個可解離的質子和10個可參與配位的原子，所以谷胱甘肽是研究金屬離子與生物分子相互作用的理想模型。GSH是細胞內可以直接作用金屬離子的螯合劑，具有強烈親S特征的金屬元素可以和GSH分子中的巰基結合，從而達到解毒的作用。盧永科等［53］研究發現，GSH對順鉑肝細胞毒性具有重要的保護作用。Magda等［54］在研究金屬離子對離體魚細胞的毒性時發現，幾種金屬離子對細胞的毒性強弱順序為Hg＞Cd＞Zn＞Cu＞Pb＞Ni。阮湘元等［55］用原子力顯微鏡探究谷胱甘肽在汞表面的吸附與自組裝行為發現，GSH在汞表面的吸附不經歷單分子層吸附過程，而是GSH游離的巰基首先在汞表面形成少量巰基汞化物吸附核后，在遠離吸附表面的GSH末端的羧基、氨基及游離巰基等基團之間通過氫鍵作用相互集聚組成孤立的多分子層GSH簇。彭敏等［56］利用原子力顯微鏡（AFM）研究還原型谷胱甘肽與鉻離子的相互作用時發現，GSH能與Cd2+迅速絡合，并且該絡合物具有多個活性基，能夠高效的絡合Cd2+，絡合物間再通過氫鍵作用相互聚集，形成一定的聚集體（圖6）。劉建華等［57］采用密度泛函DFT/B3LY P方法研究Cd2+，Hg2+，Pb2+與GSH的相互作用位點時發現，Cd2+，Hg2+，Pb2+都能與GSH電負性原子（N，O，S）形成穩定的絡合物，且與GSH巰基S原子具有很強的結合能力。Vicky等［58］在研究汞與GSH配合物的形成和結構時發現，汞與GSH反應形成的配合物主要是［Hg（Gs）2］4-和［Hg（Gs）3］7-（Gs=GSH）。Levina等［59］的 研究表明Cr（Ⅵ）能與GSH作用形成一種中間態配合物［CrvO（LH2）2］3-（LH=GSH），同時發現該配合物致癌。Cheng等［60］在GSH與金屬離子的電化學行為研究過程中發現，電極上的谷胱甘肽膜具有離子門效應，La3+、Pb2+、Ba2+等金屬離子有明顯的打開膜上離子門的行為，而Zn2+卻起到關閉離子門的作用。GSH-金屬離子單分子膜結構隨著反應體系條件的變化而變化［61］。植物在重金屬離子污染的環境中生長時，其細胞內會產生形成一種以GSH為底物的螯合肽（phytochelatins，PCs），其基本結構為（γ -Glu-Cys）n-Gly（n = 2-11），PCs在植物重金屬修復過程中發揮了重要的作用［62，63］。

4 展望

綜上所述，Cys是許多生物體的硫酸鹽同化途徑中關鍵代謝產物，硫是生物體重要的營養元素，生物體將氧化態硫吸收并還原后，最終固定到半胱氨酸分子中使其能夠順利進入其他代謝途徑，并通過直接或間接作用參與到微生物的重金屬抗性過程中。在我們的前期研究中也發現，硫醇化合物Cys在生物體重金屬抗性中可能具有封存重金屬離子的作用［19］。但是Cys在參與生物體重金屬抗性過程中，重金屬離子是如何被轉運的，如何被封存的，這種機制尚不明確，相關方面的研究也很少有報道。另外，原子力顯微鏡（AFM）在生物科學方面的應用，使得在分子水平上研究Cys與金屬離子的作用成為可能。由于生物細胞是在異相條件下進行的系列有序的生理生化過程，進一步研究Cys及其金屬離子配合物在分子水平上的結構特征，對于研究Cys及其與金屬離子的生理行為研究有參考價值。

［1］ 孫雪梅. 植物的硫同化及其相關酶活性在鎘脅迫下的調節［J］.植物生理與分子生物學學報, 2006, 32（1）：9-16.

［2］ Harada E, Yamaguchi Y, Koizumi N, et al. Cadmium stress induces production of thiol compounds and transcripts for enzymes involved in sulfur assimilation pathways in Arabidopsis［J］. Journal of Plant Physiology, 2002, 159（159）：445-448.

［3］ Ilyas S, Rehman A. Oxidative stress, glutathione level and antioxidant response to heavy metals in multi-resistant pathogen, Candida tropicalis［J］. Environmental Monitoring & Assessment, 2015, 187（1）：4115-4122.

［4］ 張貴珠, 王月梅, 趙鵬, 等. 以鈷離子為探針測定半胱氨酸的研究［J］. 稀有金屬, 1998, 22（1）：55-59.

［5］ Yang NJ, Wang XX, Wan QJ. Electrochemical reduction of Zn（II）ions on L-cysteine coated gold electrodes［J］. Electrochimica Acta, 2006, 51（10）：2050-2056.

［6］ 劉文涵, 單勝艷, 張丹, 等. 原子吸收硫化鋅法間接測定半胱氨酸絡合反應的機理研究［J］. 光譜學與光譜分析, 2005, 25（10）：1717-1719.

［7］ Ghiamati E, Boroujerdi R. Cd-Cysteine nanorods as a fluorescence sensor for determination of Fe（III）in real samples［J］. Journal of Fluorescence, 2015, 26（1）：1-13.

［8］ 段靜靜. Pseudomonas sp. QR-101生物合成L-半胱氨酸的系統生物學及相關轉化途徑研究［D］. 天津：南開大學, 2012.

［9］ Guédon E, Martin-Verstraete I. Cysteine metabolism and its regulation in bacteria［J］. Microbiol Monographs, 2007, 5：195-218.

［10］ Bick JA, Dennis JJ, Zylstra GJ, et al. Identification of a new class of 5’-adenylysulfate（APS）reductasefrom sulfate-assimilating bacteria［J］. Journal of Bactertiology, 2000, 182（1）：135-142.

［11］ Brzywczy J, Sienko M, Kucharska A, et al. Sulphur amino acid synthesis in Schizosaccharomyces pombe represents a specific variant of sulphur metabolism in fungi［J］. Yeast, 2002, 19：29-35.

［12］ 宋超, 鄭春麗, 王建英. 微生物硫酸鹽的同化途徑及其與重金屬抗性的關系［J］. 安徽農業科學, 2012, 40（11）：6368-6370, 6400.

［13］ Ono B, Hazu T, Yoshida S, et al. Cysteine biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae：a new outlook on pathway andregulation［J］. Yeast, 1999, 15：1365-1375.

［14］ Koprivova A, Meyer AJ, Schween G, et al. Functional knockout of theadenosine 5'-phosphosulfate reductase gene in Physcomitrella patens revives an old route of sulfate assimilation［J］. Journal of Biological Chemistry, 2002, 277（35）：32195-32201.

［15］ 錢林, 鄭春麗, 柳建設. 嗜酸氧化亞鐵硫桿菌ATP硫酸化酶的表達、純化及性質鑒定［J］. 生物技術通報, 2012（6）：136-140.

［16］ Zheng CL, Zhang YY, Liu YD, et al. Characterization and reconstitute of a［Fe4S4］adenosine 5'-phosphosulfate reductase from Acidithiobacillus ferrooxidans［J］. Current Microbiology, 2009, 58（6）：586-592.

［17］ Zheng CL, Nie L, Qian L, et al. K30, H150, and H168 are essential residues for coordinating pyridoxal 5’-phosphate of O-Acetylserine sulfhydrylase from Acidithiobacillus ferrooxidans［J］. Current Microbiology, 2010, 60：461-465.

［18］ 鄭春麗, 李艷君, 錢林, 等. 嗜酸氧化亞鐵硫桿菌半胱氨酸合成酶的表達、純化及其性質鑒定［J］. 生物技術通報, 2011（3）：180-184.

［19］ Zheng CL, Chen MJ, Tao ZL, et al. Differential expression of sulfur assimilation pathway genes in Acidithiobacillus ferrooxidans under Cd2+stress：evidence from transcriptional, enzymatic, and metabolic profiles［J］. Extremophiles, 2015, 19：429-436.

［20］ 鄭春麗, 王丹, 張禮, 等. 嗜酸氧化亞鐵硫桿菌硫酸鹽同化相關基因的鑒定與分析［J］. 生物技術通報, 2016, 32（2）：131-139.

［21］ Thomas D, Surdin-Kerjan Y. Metabolism of sulphur amino acids in Saccharomyces cerevisiae［J］. Microbiology & Molecular Biology Reviews Mmbr, 1997, 61：503-532.

［22］ 唐杰. 基于半耽氨酸與重金屬離子相互作用的分析應用研究［D］. 重慶：西南大學, 2011.

［23］ Yang W, Gooding JJ, Hibbert DB. Characterisation of gold eleetrodes modified with self-assembled monolayers of L-cysteine for the adsorptive stripping analysis of Copper［J］. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2001, 516（1-2）：10-16.

［24］ Prudent M, Girault HH. The role of Copper in cysteine oxidation：study of intra- and inter-molecular reactions in mass spectrometry［J］. Metallomics Integrated Biometal Science, 2009, 1（2）：157-165.

［25］ 趙楠, 林璨瑜, 王淑芳, 等. 過表達B基因的轉基因微型番茄的獲得［J］. 南開大學學報, 2006, 39（4）：103-107.

［26］ 梁智萬, 林秋紅, 肖啟華, 等. 口服谷胱甘肽（GSH）治療慢性鉛中毒臨床療效觀察［J］. 中國工業醫學雜志, 1997, 10（6）：352-353.

［27］ Prashant M, Nisha KR, Sudesh KY. Cadmium induced oxidative stress influence on glutathione metabolic genes of Camellia sinensis（L.）O. Kuntze［J］. Environmental Toxicology, 2007, 22（4）：368-374.

［28］ 劉慧, 王曉蓉, 王為本, 等. 不同形態鋅離子對鯽魚谷胱甘肽系統的影響［J］. 中國環境學報, 2005, 25（2）：169-173.

［29］ 孫琴, 王超. 土壤外源Cd和Pb復合污染對小麥（Tritioum asetivum L.）根系植物絡合素和谷胱甘肽的影響［J］. 生態環境, 2008, 17（5）：1833-1838.

［30］ Rehman A, Anjum MS. Multiple metal tolerance and biosorption of cadmium by Candida tropicalis isolated from industrial effluents：glutathione as detoxifying agent［J］. Environmental Monitoring & Assessment, 2011, 174（1-4）：585-595.

［31］ Domínguez-Solís JR, López-Martín MC, Ager FJ, et al. Increased cysteine availability is essential for cadmium tolerance and accumulation in Arabidopsis thaliana［J］. Plant Biotechnology Journal, 2004, 2（6）：469-476.

［32］ Noji M, Saito M, Nakamura M, et al. Cysteine synthase overexpression in tobacco confers tolerance to sulfur-containing environment pollutants［J］. Plant Physiol, 2001, 126（3）：973-980.

［33］ Dominguez-Solis JR, Gutierrez-Alcala G, Romero LC, et al. The cytosolic O-acetylserine（thiol）lyase gene is regulated by heavy metals and can function in cadmium tolerance［J］. Journal of Biological Chemistry, 2001, 276（12）：9297-9302.

［34］ Kawashima CG, Noji M, Nakamura M, et al. Heavy metal tolerance of transgenic tobacco plants over-expressing cysteine synthase［J］. Biotechnology Letters, 2004, 26（2）：153-157.

［35］ Romeroy-Isart N, Vasak M. Advances in the structure and chemistry of metallothioneins［J］. Journal of Inorganic Biochemistry, 2002, 88（3-4）：388-396.

［36］ 趙之偉, 曹冠華, 李濤. 金屬硫蛋白的研究進展［J］. 云南大學學報：自然科學版, 2013, 35（3）：390-398.

［37］ 張艷, 楊傳平. 金屬硫蛋白的研究進展［J］. 分子植物育種, 2006, 4（3）：73-78.

［38］ Haq F, Mahoney M, Koropatnick J. Signaling events for metallothionein induction［J］. Mutation Research/fundamental & Molecular Mechanisms of Mutagenesis, 2003, 533（1-2）：211-226.

［39］ 田曉麗, 郭軍華. 金屬硫蛋白的研究進展［J］. 國外醫學藥學分冊, 2005, 32（2）：119-124.

［40］ Li LS, Meng YP, Cao QF, et al. Type 1 metallothionein（ZjMT）is responsible for heavy metal tolerance in Ziziphus jujube［J］. Biochemistry, 2016, 81（6）：565-573.

［41］ Vallee BL. Introduction to metallothionein［J］. Methods Enzymol, 1991, 205（1）：3-7.

［42］ Cobbett CP. Goldsbrough. Phytochelatins and metallothioneins：roles in heavy metal detoxification and homeostasis［J］. Plant Biology, 2002, 53（53）：159-182.

［43］ Coyle P, Philcox JC, Carey LC, et al. Metallothionein：the multipurpose protein［J］. Cellular & Molecular Life Sciences Cmls, 2002, 59（4）：627-647.

［44］ Kassim R, Ramseyer C, Enescu M. Oxidation reactivity of zinccysteine clusters in metallothionein［J］. Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2013, 18（3）：333-342.

［45］ Lavradas RT, Hauser-Davis RA, Lavandier RC, et al. Metal, metallothionein and glutathione levels in blue crab（Callinectes sp. ）specimens from southeastern Brazil［J］. Ecotoxicology & Environmental Safety, 2014, 107（9）：55-60.

［46］ Wang C, Zhang F, Cao W, et al. The identification of metallothionein in rare minnow（Gobiocypris rarus）and its expression following heavy metal exposure［J］. Environmental Toxicology & Pharmacology, 2014, 37（3）：1283-1291.

［47］ Han YL, Zhang S, Liu GD, et al. Cloning, characterization and cadmium inducibility of metallothionein in the testes of the mudskipper Boleophthalmus pectinirostris［J］. Ecotoxicology & Environmental Safety, 2015, 119：1-8.

［48］ Santovito G, Boldrin F, Irato, P. Metal and metallothionein distribution in different tissues of the mediterranean clam Venerupis philippinarum during copper treatment and detoxification［J］. Comparative Biochemistry & Physiology Part C Toxicology & Pharmacology, 2015, 174-175：46-53.

［49］ Murphy A, Taiz L. Comparison of metallothionein gene expression and nonprotein thiols in ten Arabidopsis ecotypes［J］. Plant Physiology, 1995, 109（3）：945-954.

［50］ Dundar E, Sonmez GD, Unver T. Isolation, molecular characterization and functional analysis of OeMT2, an olive metallothionein with a bioremediation potential［J］. Molecular Genetics and Genomics, 2015, 290（1）：187-199.

［51］ Tomas M, Pagani MA, Andreo CS, et al. Sunflower metallothionein family characterization. Study of the Zn（II）- and Cd（II）-binding abilities of the HaMT1 and HaMT2 isoforms［J］. Journal of Inorganic Biochemistry, 2015, 148：35-48.

［52］ Klaassen CD, Liu J, Choudhuri S. Metallothionein：an intracellular protein to protect against cadmium toxicity［J］. Pharmacology and Toxicology, 1999, 39（39）：267-294.

［53］ 盧永科, 川島明, 堀井郁夫, 等. 順鉑對大鼠肝細胞毒性及谷胱甘肽的保護作用［J］. 中國公共衛生, 2004, 20（4）：440-441.

［54］ Magda M, Helmut S. Cytotoxicity of metals in isolated fish cells：Importance of the cellular glutathione status［J］. Comparative Biochemistry and Physiology PartA, 1998, 120（1）：83-88.

［55］ 阮湘元, 彭敏, 徐經偉, 等. 谷胱甘肽在汞表面吸附與自組裝行為的原子力顯微鏡研究［J］. 分析化學研究簡報, 2005, 32（11）：1587-1589.

［56］ 彭敏. 谷胱甘肽對Cd 的解毒機理研究［J］. 東莞理工學院學報, 2014, 21（5）：69-73.

［57］ 劉建華, 李燕, 王海軍. 量子化學研究Cd2+、Hg2+、Pb2+與谷膚甘膚相互作用［J］. 計算機與應用化學, 2013, 30（2）：141-146.

［58］ Vicky M, Farideh J. Mercury（II）complex formation with glutathione in alkaline aqueous solution［J］. Journal of Biological Inorganic Chemistry, 2008, 13（4）：541 -553.

［59］ Aviva L, Zhang LB, Peter LA. Structure and reactivity of a chromium（V）glutathione complex［J］. Inorganic Chemistry, 2003, 42（3）：767-784.

［60］ Cheng F, Zhou XY. Electrochemical studies of glutathione monolayer assembled on a polycrystalline gold electrode［J］. Wuhan University Journal of Natural Sciences, 2002, 7（1）：102 -106.

［61］ Cheng F, Zhou XY. Voltammetry and EQCM investigation of glutathione monolayer and its complex ation with Cu2+［J］. Electroanalysis, 2003, 15（20）：1632 -1638.

［62］ Cobbett CS. Phytochelatin biosynthesis and function in heavy-metal detoxification［J］. Current Opinion in Plant Biology, 2000, 3（3）：211-216.

［63］ Cobbet CS. Phytochelatin and their roles in heavy metal detoxification［J］. Plant Physiology, 2000, 123（3）：825-832.

（責任編輯 狄艷紅）

Research Progress on Cysteine Participation in Heavy Metal Resistance in Organism

ZHANG Li1SUN Dui1WANG Xiao1ZHENG Chun-li1，2
1. School of Life Science and Technology，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010；2. Key Laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi-Metal Resources，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010）

Cysteine（Cys），the final product of the sulfate assimilation pathway，widely exists in the organism. The oxidation state sulfur is absorbed and restored，and then integrated into the molecules skeletal structure of cysteine by organisms，participating in the other metabolic pathways of organisms. Because the structure of Cys contains thiol，which makes it being able to specifically bind with heavy metal ion，thus involving in the heavy metal resistance of organism，directly or indirectly. Considering a series of physiological and biochemical process in biological cells are orderly conducted under the heterogeneous condition，the investigation of Cys and the structure characteristics of Cys-M（M represents metal ion）complexes has significant reference value for studying Cys and the physiological behavior of Cys-M at the molecular level. In recent years，the application of new technique in the biological science，for example atomic force microscope（AFM），makes this research feasible. In this paper，the basic characteristics and the biosynthetic pathway of Cys are introduced，concurrently，the research progress of Cys involved in heavy metal resistance are summarized，which aims to provide certain scientific theoretical basis for studying the detoxification mechanism of Cys in heavy metal resistance of organism.

cysteine；biosynthetic pathway；heavy metal resistance

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2017.05.004

2016-11-04

國家自然科學基金項目（51264029，41561094），內蒙古自治區青年科技英才計劃項目（NJYT-14-B12），內蒙古自治區應用技術研究與開發資金項目，內蒙古科技大學創新基金（2014QNGG05）

張禮，男，碩士研究生，研究方向：環境微生物的重金屬抗性；E-mail：zhangli001668@139.com

鄭春麗，女，博士，副教授，研究方向：資源與環境生物學；E-mail：zhengchunli1979@163.com