金屬硫蛋白的研究現狀及進展

何婧雯，熊海容，王 靖，覃 瑞，趙 平

（1.中南民族大學生命科學學院，湖北武漢 430074；2.農業部食品與營養發展研究所，北京 100081）

0 引言

金屬硫蛋白（Metallothionein，MT） 是一類存在于動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合蛋白質[1]。最早發現于1957，由李守明等人[2]在馬腎臟皮質細胞中分離出鎘結合的金屬硫蛋白。之后人類從植物、無脊椎動物、真菌、原核生物等分離出各種金屬硫蛋白[3]。現已發現MT具有清除自由基、重金屬解毒、應對應激反應、防輻射、防護DNA損傷、控制細胞代謝、增強機體免疫力等功能，在醫藥、食品、生物檢測、養殖業、保健品、化妝品等有著廣泛的應用前景[4]。

1 金屬硫蛋白的結構及功能

1.1 金屬硫蛋白的結構和分類

哺乳動物的MT大小為6～7 kD，由61～68個氨基酸殘基組成，其中有20多個半胱氨酸。對金屬硫蛋白進行測序，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氨基酸序列中[3]。

MT的種類及分布情況見表1。

表1 MT的種類及分布情況

MT的三級結構呈啞鈴型，由2個大小相當的結構域α和β，其分子中不含α-螺旋和β-折疊[4]。人的MT-2的結構，其中I類MT-2含有2個金屬結合結構域：4個二價離子在α-結構域的簇A內螯合，并通過半胱氨酸硫醇鹽橋連接至11個半胱氨酸配體。簇B（β-結構域內的相應區域） 可以將3個二價離子連接至9個半胱氨酸。三維結構表明，簇A可以結合3個金屬離子（Cd2+），簇B可以分別結合4個金屬離子（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很重要的一個生理功能就是能解除重金屬的毒害作用。在現代社會中，化工廠污水的隨意排放，導致水源、植被、動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的結構域上至少有7個金屬離子結合位點，能與18種金屬離子結合，將金屬離子帶出體外，避免機體受到重金屬的毒害作用[5]。但MT與各金屬離子的結 合 能 力 存 在 著 差 異 ， Hg2+＞Cu2+， Ag+， Bi3+≥Cd2+＞Pb2+＞Zn2+＞Co2+。而且并不是能誘導 MT 表達的金屬離子就能被MT解毒這可能是這些金屬離子與MT結合不能形成穩定的復合物，因此這種復合物又很快地被降解[1]。

1.2.2 清除自由基，參與應激反應

過多的自由基會損害機體，還會造成DNA及RNA結構的改變和生物膜脂質過氧化等損害，最后導致各種疾病的產生。而MT可以清除自由基、抑制脂質過氧化、促進細胞代謝和增強免疫，從而提高機體的自我保護和修復能力，是已知的內源性自由基清除劑中最強的一種[6]。其清除OH-的能力是超氧化物歧化酶的1萬倍，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，還能維持生物體內微量元素的動態平衡、抗輻射等。動物體內的MT還具有抗炎和促進修復的作用，而植物中的MT還參與金屬離子的運輸、供給等。其中MT-2A能調節金屬穩態、解毒、氧化應激、免疫防御、細胞周期進展、細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） 誘導的心臟毒性[8]。MT-2A在心臟中是一個有效的抗氧化劑。抗氧化劑在高血壓、動脈粥樣硬化、缺血性心臟疾病、心肌病和充血性心臟衰竭能等方面發揮有益作用[9]。MT-2A可能通過自由基清除活動和抑制脂質過氧化作用在心血管保護中發揮作用[10]。ERS（內質網應激反應）直接觸發心肌細胞功能障礙，MT可通過上調JNK（c-Jun氨基末端激酶） 磷酸化水平來消除這一過程。ERS抑制劑牛磺脫氧膽酸可逆轉該過程。此外，MT能夠通過恢復高血壓性心臟病的自噬來預防心肌異常[11]。

2.2 MT與皮膚疾病

光化性角化病（AK）被認為是可演進到鱗狀細胞癌（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表達的變化，表明該蛋白質與皮膚癌的發生有潛在的作用。AK病例表現出MT-3表達，其與正常皮膚表皮中所見的相比更高，但與SCC癌細胞相比更低。該觀察結果可能表明MT-3在SCC發展中的作用。在基底細胞癌（BCC）和SCC的病例中觀察到其表達強度的不同，在SCC的病例中觀察到更高的MT-3表達。該觀察結果也與健康皮膚和AK病變中記錄的MT-3表達模式一致，其中在基底細胞中只有微弱的表達。MT-3在BCC和基礎細胞中的表達可能是基于DNA甲基化的類似調控過程的結果[13]。

2.3 MT與糖尿病

糖尿病和人類基因多態性控制鋅離子的細胞可利用性。ZnT-8是一種鋅轉運蛋白，它為胰腺β細胞提供鋅，另一種是MT-1A，它是連接鋅和氧化還原代謝的蛋白質家族的成員。鋅離子可用性的變化調節胰島素信號傳導和氧化還原過程。鋅和MT均可保護細胞免受糖尿病中發生的氧化還原應激的影響，并防止其進展出并發癥，包括心臟病、肝損傷、腎病等[14]。通過鋅處理有效調節鋅外排蛋白和流入蛋白的表達水平，鋅處理也誘導組織中的金屬硫蛋白表達以減輕氧化應激。因此，鋅補充劑在控制糖尿病期間的鋅通量方面具有顯著的好處，通過對鋅轉運蛋白和金屬硫蛋白表達調節的保護性影響而發揮作用[15]。

2.4 MT與神經退行性疾病

淀粉樣蛋白參與阿爾茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、肌肉萎縮性側面硬化病（ALS） 和朊病毒（CJD）等影響動物和人的神經退行性疾病的形成。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。它們參與蛋白質錯誤折疊，聚集和活性氧物質的產生。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結合，而且還改變其生化特性，使其成為疾病進展中的重要參與者。MT-3對銅毒性的保護作用在AD，PD和朊病毒疾病已經被證實[16]。MT-3可以防止ALS模型小鼠運動神經元的損失并延長壽命[17]。

2.5 MT與肝臟

研究表明，離子態汞（Hg2+）易與體內巰基（-SH）結合，使以巰基為活性中心的蛋白質失活，破壞細胞膜結構，引起肝臟、腎臟等組織產生退行性病變及炎癥損傷，導致組織細胞正常生物活性及代謝功能異常，最終導致組細胞代謝性死亡，組織功能性喪失[18]。

王欣卉等人[19]發現酵母源金屬硫蛋白（MT-2）能修復小鼠慢性汞中毒引起的肝損傷，并且高劑量酵母源MT-2對汞中毒小鼠肝臟損傷的修復效果明顯優于對照二巰基丙磺酸鈉（DMPS）。

異煙肼（INH） 是一種廣泛用于治療結核病（TB）的一線藥物。然而，INH治療與嚴重的肝毒性甚至致命的肝衰竭有關。Lian Y等人[20]研究發現金屬硫蛋白通過抑制小鼠CYP2E1（細胞色素 P4502E1）依賴性氧化和亞硝化損傷來預防異煙肼誘導的肝損傷。有研究發現MT可以有效抑制藥物和化學物質誘導的心臟、肝臟、腎和肺的氧化損傷，主要通過其抗氧化和清除自由基的活性。

2.6 MT與腫瘤

根據組織的類型和癌的分類，觀察到MT表達與腫瘤類型、分期、分級，預后不良和身體對放療和化療的抵抗之間的關系。腫瘤細胞中的MT通過抑制導致細胞凋亡的過程在防御輻射作用的機制中起重要作用。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腫瘤中MT的表達增加，而在肝臟腫瘤中檢測到較低的MT表達。在甲狀腺、前列腺、肺、胃和中樞神經系統腫瘤的情況下檢測到MT表達是可變的。同時，MT在細胞治療中起著至關重要的作用。MT可以結合順式鉑化合物并將其從細胞中除去，這可能導致多藥耐藥性。然而，MT可防止化學治療的負面影響。分析腫瘤細胞中MT的表達可能有助于選擇治療方法。但很難確定MT表達增加是否只是腫瘤發生、惡性程度和多藥耐藥性發展的誘導因素，或者是否是抑制腫瘤誘導和發展的因素[21]。

3 金屬硫蛋白的開發利用

研究表明，許多疾病都與MT的表達密切相關。如腫瘤、心血管、肝腎臟的損傷和神經系統等疾病都與MT有關。導致這些疾病發生的重要誘因是脂質過氧化過高，致使各器官氧化損傷。MT則有清除自由基、抑制脂質過氧化、促進細胞代謝和增強免疫的功能，從而提高機體的自我保護和修復能力。重金屬的中毒也會導致器官的損傷，MT能對重金屬和氧化損傷引起的器官損傷有很好的修復作用。MT在抗凋亡、抗發炎、抗感染等也有積極的作用。因此可以在醫藥方面開發利用。

空氣污染、飲食不規律、作息的不規律、電腦手機的輻射給現代人的皮膚帶來各種問題，如油脂分泌旺盛、皮膚的加速老化等。要想解決皮膚根本問題還要從細胞代謝下手。市面上很多主打抗氧化、防衰老的護膚品中添加了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，且MT有著熱穩定性高、分子量小易被機體吸收、半衰期長、抗輻射等功能。并且MT為內源性蛋白，安全性高，因此可將其作為護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]。

隨著生活品質的提高，人們對健康的意識逐漸提高，因此保健品行業盛行。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品。可以起到抗氧化、延緩衰老、修護氧化損傷、防輻射、增強免疫力等功效。

我國是農業大國，對農作物的出產要嚴格把關。種植農作物的土壤中可能存在一些重金屬離子，對農作物的生長產生不良的影響，并且人體攝入后對機體將會產生副作用。可以利用基因工程的手法來增加MT的表達量，從而使作物產生金屬離子耐受。對于畜牧業，因為MT還有增強免疫等功能，因此可以加入飼料中，提高動物的免疫力等。

MT可作為生態環境重金屬污染檢測的指標，但MT的表達量和其他因素也有關，如溫度、金屬離子、O2和pH值等。因此，還需將這些因素考慮進去，才能更精準的檢測出重金屬含量。這對生態環境的保護有重要意義[6]。

4 結語

MT具有重金屬解毒、參與氧化應激、維持生物體內微量元素的動態平衡、防輻射、抗炎、抗感染、增強免疫力等功能。對MT的開發利用涉及到醫藥、保健品、農業、畜牧業，美容及生物化工等領域。目前，有關MT的研究很多，涉及到結構、功能、表達等但其中很多機制尚未明確，因此對各個產品的開發程度較低，還需進一步研究。因MT是內源性蛋白，所以安全性很高，在食品、保健品等領域有很大的前景，但作為食品還需明確各種機制才可投入生產。在生物檢測方面也還要繼續研究其他因素對檢測結果的影響。相信未來，MT將被廣泛利用，造福人類。