金屬硫蛋白在細胞生理過程和疾病發生發展中的多功能調控作用

韋淑丹 黃波

【摘要】金屬硫蛋白（Metallothionein，MT）是一類廣泛存在、結構高度保守的抗氧化應激分子，參與重金屬解毒、氧化損傷解毒、儲存金屬及調節代謝。MT與疾病發病過程密切相關。MT基因表達調控通過轉錄水平上進行，與金屬、糖皮質激素及血清反應元素順式作用，與金屬調節蛋白反式作用達到調節作用。文章就結合臨床相關文獻研究進行以下總結，以期后續學者深入分析提供理論依據。

【關鍵詞】金屬硫蛋白;細胞生理;疾病;多功能調控

課題名稱：“基于出生隊列的環境-遺傳交互作用對妊娠與出生結局影響的研究”

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

金屬硫蛋白（Metallothionein，MT）是一類可與金屬結合、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。MT最早在馬的腎皮質中被分離提純，隨后發現MT存在于各種屬及各組織臟器中，呈現高度的進化保守性。雖然已有證據提示MT涉及金屬代謝、解毒、維護氧化還原穩態、細胞存活于分化、抗炎和免疫反應等[3]，但其確切生理功能和病理學作用尚未完全闡明。為增加對MT的認識，本文對MT在細胞生理過程和疾病發生發展中的多功能調控作用做一綜述。

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控其表達的TATA盒、GC盒和基礎水平元件（BLE），此外還含有幾個特異性調控元件如金屬應答元件（MRE）、抗氧化物應答元件（ARE）、糖皮質激素應答元件（GRE）和甲狀腺素應答元件（TRE），一些應激因素（金屬、激素、缺氧、炎癥等）可通過介導轉錄因子與上述MT基因啟動子的應答元件結合，在轉錄水平上誘導MT的合成并受啟動子區域CpG甲基化的調控。在MT1表達水平低的細胞中，MT1啟動子某些區域CpG位點趨向于甲基化，而在高表達MT1的細胞中，MRE區域的CpG位點完全去甲基化。在胃癌組織中，MT3表達顯著降低與MT3內含子1的CpG島高度甲基化有關。

2. MT在病理學過程的作用

2.1 MT與心血管疾病的關系

心血管疾病的發生發展與氧化應激和慢性炎性有關，MT高水平表達可改善心肌收縮功能，并減少心肌梗死面積。研究發現，MT-2A可通過上調JNK磷酸化水平從而消除內質網應激（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，從而預防心肌細胞損傷。在經L-NAME誘導的高血壓實驗中，MT高表達的轉基因小鼠雖然不能改變自噬標志物LC3B、p62的蛋白表達水平和自噬信號分子AMPKα的磷酸化水平，但是與非轉基因小鼠相比，MT顯著減弱了自噬和自噬調節蛋白的變化，并且能對抗高血壓引起的氧化應激，改善心肌細胞的收縮能力。

2.2 MT與阿爾茨海默病（AD）的關系

AD突出的病理特征是β-淀粉樣蛋白（Aβ）在神經細胞外沉積，從而損壞周圍神經細胞膜和線粒體膜，導致神經細胞的損傷。使用小動物滲透泵和大腦輸液設備將Zn7MT-3作用于APP/PS1小鼠模型中樞神經系統，發現Zn7MT-3可通過調節金屬穩態，消除Aβ斑塊負荷，減少氧化應激和神經元細胞凋亡，從而顯著改善海馬形態和功能，提高轉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，可以產生穩定的Zn-MT-3/ a β復合物，有效地阻止高粘度體液中Cu-Aβ蛋白的形成，降低Cu2+誘導的Aβ神經毒性，減少活性氧的產生，減緩AD的發展，這對于研究制定MT3相關的AD治療策略有重要的意義。

2.3 MT與糖尿病的關系

II型糖尿病（T2D）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ROS過度產生而導致氧化應激（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，減少一氧化氮的產生，從而調控高血糖、高血脂引發的細胞死亡、炎癥反應和纖維化，阻止糖尿病心肌病的發展。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，提示MT2A在-209 A / G位點的變異與鋅濃度相關，并且影響炎癥的發生，高血糖和糖化血紅蛋白，增加動脈粥樣硬化的風險。給予糖尿病模型動物補充鋅誘導MT的表達，發現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，脂質過氧化降低，保護肝臟免受氧化損傷。

2.4 MT與腫瘤的關系

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，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。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生發展密切相關。MT-1F可以通過與轉錄激活因子SP1競爭性結合GCE啟動子區重疊的結合基序，破壞SP1的功能，引起下游基因的轉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。將轉染的細胞注入小鼠體內，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。有研究發現，MT2A通過增加MCF-7乳腺癌細胞中NF-κB 和 AP-1轉錄活性，誘導基質金屬蛋白酶-9上調，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與妊娠的可能關系

妊娠實質是一種半同種移植現象，其成功有賴于母-胎免疫平衡，鑒于MT抗氧化和免疫調控的生理功能特性，MT可能與妊娠、妊娠并發癥存在一定的關聯。子宮內膜的MT可能參與免疫介導的細胞凋亡，在輸卵管妊娠孕婦的子宮內膜中可觀察到MT免疫組化呈強免疫反應及CD3+細胞數量增加，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現MT介導的免疫反應。妊娠過程中氧化-抗氧化失衡，會導致母體ROS/RNS過量，并最終損傷血管內皮而可能發展為妊娠高血壓或子癇前期等并發癥。研究發現，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誘導產生，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生風險的原因之一。妊娠期間在孕激素的誘導下MT水平增加，儲備鋅以確保胎兒發育充分和保護胎兒免受重金屬潛在暴露所產生的毒作用。在Cd暴露孕婦體內孕激素水平受干擾，可導致孕晚期MT水平下降而可能誘發妊娠高血壓。此外，MT還可能通過直接清除有害物質以及釋放鋅離子拮抗毒物暴露所誘導的滋養細胞凋亡。

3. 小結與展望

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態作用以及多種重大疾病體現了MT在細胞生理過程和疾病發生發展中的多功能調控作用。多種應激和致病因素可誘導MT的特性使將MT發展為相關疾病的生物標志成為可能，進一步研究MT各亞型的表達調控、細胞定位及其與各種疾病的關系將有助于了解MT的生理和病理學功能。

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通訊作者：黃波，桂林醫學院公共衛生學院，2559341252@qq.com