金属硫蛋白的研究现状及进展

何婧雯，熊海容，王 靖，覃 瑞，赵 平

（1.中南民族大学生命科学学院，湖北武汉 430074；2.农业部食品与营养发展研究所，北京 100081）

0 引言

金属硫蛋白（Metallothionein，MT） 是一类存在于动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属结合蛋白质[1]。最早发现于1957，由李守明等人[2]在马肾脏皮质细胞中分离出镉结合的金属硫蛋白。之后人类从植物、无脊椎动物、真菌、原核生物等分离出各种金属硫蛋白[3]。现已发现MT具有清除自由基、重金属解毒、应对应激反应、防辐射、防护DNA损伤、控制细胞代谢、增强机体免疫力等功能，在医药、食品、生物检测、养殖业、保健品、化妆品等有着广泛的应用前景[4]。

1 金属硫蛋白的结构及功能

1.1 金属硫蛋白的结构和分类

哺乳动物的MT大小为6～7 kD，由61～68个氨基酸残基组成，其中有20多个半胱氨酸。对金属硫蛋白进行测序，金属硫蛋白多肽链的Cys残基有多种排列方式，Cys残基位于N端和C端，Cys-NCys，Cys-N-N-Cys和Cys-Cys，其中“N”表示除半胱氨酸残基以外的其他氨基酸残基。一些植物的金属硫蛋白的半胱氨酸则分布在整个氨基酸序列中[3]。

MT的种类及分布情况见表1。

表1 MT的种类及分布情况

MT的三级结构呈哑铃型，由2个大小相当的结构域α和β，其分子中不含α-螺旋和β-折叠[4]。人的MT-2的结构，其中I类MT-2含有2个金属结合结构域：4个二价离子在α-结构域的簇A内螯合，并通过半胱氨酸硫醇盐桥连接至11个半胱氨酸配体。簇B（β-结构域内的相应区域） 可以将3个二价离子连接至9个半胱氨酸。三维结构表明，簇A可以结合3个金属离子（Cd2+），簇B可以分别结合4个金属离子（Cd2+）[5]。

1.2 金属硫蛋白生理功能

1.2.1 重金属的解毒作用

MT很重要的一个生理功能就是能解除重金属的毒害作用。在现代社会中，化工厂污水的随意排放，导致水源、植被、动物等受到了污水中重金属的毒害。因此，解除重金属的毒害作用显得极其重要。MT的结构域上至少有7个金属离子结合位点，能与18种金属离子结合，将金属离子带出体外，避免机体受到重金属的毒害作用[5]。但MT与各金属离子的结 合 能 力 存 在 着 差 异 ， Hg2+＞Cu2+， Ag+， Bi3+≥Cd2+＞Pb2+＞Zn2+＞Co2+。而且并不是能诱导 MT 表达的金属离子就能被MT解毒这可能是这些金属离子与MT结合不能形成稳定的复合物，因此这种复合物又很快地被降解[1]。

1.2.2 清除自由基，参与应激反应

过多的自由基会损害机体，还会造成DNA及RNA结构的改变和生物膜脂质过氧化等损害，最后导致各种疾病的产生。而MT可以清除自由基、抑制脂质过氧化、促进细胞代谢和增强免疫，从而提高机体的自我保护和修复能力，是已知的内源性自由基清除剂中最强的一种[6]。其清除OH-的能力是超氧化物歧化酶的1万倍，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，还能维持生物体内微量元素的动态平衡、抗辐射等。动物体内的MT还具有抗炎和促进修复的作用，而植物中的MT还参与金属离子的运输、供给等。其中MT-2A能调节金属稳态、解毒、氧化应激、免疫防御、细胞周期进展、细胞增殖分化和血管生成[4]。

2 金属硫蛋白与疾病

2.1 MT与心血管疾病

金属硫蛋白（MT） 可以抑制Dox（阿霉素） 诱导的心脏毒性[8]。MT-2A在心脏中是一个有效的抗氧化剂。抗氧化剂在高血压、动脉粥样硬化、缺血性心脏疾病、心肌病和充血性心脏衰竭能等方面发挥有益作用[9]。MT-2A可能通过自由基清除活动和抑制脂质过氧化作用在心血管保护中发挥作用[10]。ERS（内质网应激反应）直接触发心肌细胞功能障碍，MT可通过上调JNK（c-Jun氨基末端激酶） 磷酸化水平来消除这一过程。ERS抑制剂牛磺脱氧胆酸可逆转该过程。此外，MT能够通过恢复高血压性心脏病的自噬来预防心肌异常[11]。

2.2 MT与皮肤疾病

光化性角化病（AK）被认为是可演进到鳞状细胞癌（SCC） 的一种病症[12]。观察正常皮肤，AK病例的皮肤和SCC病例的皮肤中MT-3表达的变化，表明该蛋白质与皮肤癌的发生有潜在的作用。AK病例表现出MT-3表达，其与正常皮肤表皮中所见的相比更高，但与SCC癌细胞相比更低。该观察结果可能表明MT-3在SCC发展中的作用。在基底细胞癌（BCC）和SCC的病例中观察到其表达强度的不同，在SCC的病例中观察到更高的MT-3表达。该观察结果也与健康皮肤和AK病变中记录的MT-3表达模式一致，其中在基底细胞中只有微弱的表达。MT-3在BCC和基础细胞中的表达可能是基于DNA甲基化的类似调控过程的结果[13]。

2.3 MT与糖尿病

糖尿病和人类基因多态性控制锌离子的细胞可利用性。ZnT-8是一种锌转运蛋白，它为胰腺β细胞提供锌，另一种是MT-1A，它是连接锌和氧化还原代谢的蛋白质家族的成员。锌离子可用性的变化调节胰岛素信号传导和氧化还原过程。锌和MT均可保护细胞免受糖尿病中发生的氧化还原应激的影响，并防止其进展出并发症，包括心脏病、肝损伤、肾病等[14]。通过锌处理有效调节锌外排蛋白和流入蛋白的表达水平，锌处理也诱导组织中的金属硫蛋白表达以减轻氧化应激。因此，锌补充剂在控制糖尿病期间的锌通量方面具有显著的好处，通过对锌转运蛋白和金属硫蛋白表达调节的保护性影响而发挥作用[15]。

2.4 MT与神经退行性疾病

淀粉样蛋白参与阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）、肌肉萎缩性侧面硬化病（ALS） 和朊病毒（CJD）等影响动物和人的神经退行性疾病的形成。在这些疾病中，金属离子，尤其是铜和锌的作用是深入研究的主题。它们参与蛋白质错误折叠，聚集和活性氧物质的产生。这些金属离子不仅与具有高亲和力的疾病特异性淀粉样蛋白形成肽或蛋白质结合，而且还改变其生化特性，使其成为疾病进展中的重要参与者。MT-3对铜毒性的保护作用在AD，PD和朊病毒疾病已经被证实[16]。MT-3可以防止ALS模型小鼠运动神经元的损失并延长寿命[17]。

2.5 MT与肝脏

研究表明，离子态汞（Hg2+）易与体内巯基（-SH）结合，使以巯基为活性中心的蛋白质失活，破坏细胞膜结构，引起肝脏、肾脏等组织产生退行性病变及炎症损伤，导致组织细胞正常生物活性及代谢功能异常，最终导致组细胞代谢性死亡，组织功能性丧失[18]。

王欣卉等人[19]发现酵母源金属硫蛋白（MT-2）能修复小鼠慢性汞中毒引起的肝损伤，并且高剂量酵母源MT-2对汞中毒小鼠肝脏损伤的修复效果明显优于对照二巯基丙磺酸钠（DMPS）。

异烟肼（INH） 是一种广泛用于治疗结核病（TB）的一线药物。然而，INH治疗与严重的肝毒性甚至致命的肝衰竭有关。Lian Y等人[20]研究发现金属硫蛋白通过抑制小鼠CYP2E1（细胞色素 P4502E1）依赖性氧化和亚硝化损伤来预防异烟肼诱导的肝损伤。有研究发现MT可以有效抑制药物和化学物质诱导的心脏、肝脏、肾和肺的氧化损伤，主要通过其抗氧化和清除自由基的活性。

2.6 MT与肿瘤

根据组织的类型和癌的分类，观察到MT表达与肿瘤类型、分期、分级，预后不良和身体对放疗和化疗的抵抗之间的关系。肿瘤细胞中的MT通过抑制导致细胞凋亡的过程在防御辐射作用的机制中起重要作用。许多研究表明，在喉癌、胰腺癌、肾癌、子宫癌和乳腺癌的各种人类肿瘤中MT的表达增加，而在肝脏肿瘤中检测到较低的MT表达。在甲状腺、前列腺、肺、胃和中枢神经系统肿瘤的情况下检测到MT表达是可变的。同时，MT在细胞治疗中起着至关重要的作用。MT可以结合顺式铂化合物并将其从细胞中除去，这可能导致多药耐药性。然而，MT可防止化学治疗的负面影响。分析肿瘤细胞中MT的表达可能有助于选择治疗方法。但很难确定MT表达增加是否只是肿瘤发生、恶性程度和多药耐药性发展的诱导因素，或者是否是抑制肿瘤诱导和发展的因素[21]。

3 金属硫蛋白的开发利用

研究表明，许多疾病都与MT的表达密切相关。如肿瘤、心血管、肝肾脏的损伤和神经系统等疾病都与MT有关。导致这些疾病发生的重要诱因是脂质过氧化过高，致使各器官氧化损伤。MT则有清除自由基、抑制脂质过氧化、促进细胞代谢和增强免疫的功能，从而提高机体的自我保护和修复能力。重金属的中毒也会导致器官的损伤，MT能对重金属和氧化损伤引起的器官损伤有很好的修复作用。MT在抗凋亡、抗发炎、抗感染等也有积极的作用。因此可以在医药方面开发利用。

空气污染、饮食不规律、作息的不规律、电脑手机的辐射给现代人的皮肤带来各种问题，如油脂分泌旺盛、皮肤的加速老化等。要想解决皮肤根本问题还要从细胞代谢下手。市面上很多主打抗氧化、防衰老的护肤品中添加了SOD超氧化物歧化酶。而研究表明MT有着清除自由基和抗氧化等功能。MT与SOD比清除自由基能力更强，且MT有着热稳定性高、分子量小易被机体吸收、半衰期长、抗辐射等功能。并且MT为内源性蛋白，安全性高，因此可将其作为护肤品和化妆品有效成分，起到抗氧化、防衰老、防辐射，还可以减轻有些化妆品中重金属的毒害作用[22]。

随着生活品质的提高，人们对健康的意识逐渐提高，因此保健品行业盛行。MT不仅可以作为药品治疗疾病，还可以制成胶囊功能饮料等直接食用的保健产品。可以起到抗氧化、延缓衰老、修护氧化损伤、防辐射、增强免疫力等功效。

我国是农业大国，对农作物的出产要严格把关。种植农作物的土壤中可能存在一些重金属离子，对农作物的生长产生不良的影响，并且人体摄入后对机体将会产生副作用。可以利用基因工程的手法来增加MT的表达量，从而使作物产生金属离子耐受。对于畜牧业，因为MT还有增强免疫等功能，因此可以加入饲料中，提高动物的免疫力等。

MT可作为生态环境重金属污染检测的指标，但MT的表达量和其他因素也有关，如温度、金属离子、O2和pH值等。因此，还需将这些因素考虑进去，才能更精准的检测出重金属含量。这对生态环境的保护有重要意义[6]。

4 结语

MT具有重金属解毒、参与氧化应激、维持生物体内微量元素的动态平衡、防辐射、抗炎、抗感染、增强免疫力等功能。对MT的开发利用涉及到医药、保健品、农业、畜牧业，美容及生物化工等领域。目前，有关MT的研究很多，涉及到结构、功能、表达等但其中很多机制尚未明确，因此对各个产品的开发程度较低，还需进一步研究。因MT是内源性蛋白，所以安全性很高，在食品、保健品等领域有很大的前景，但作为食品还需明确各种机制才可投入生产。在生物检测方面也还要继续研究其他因素对检测结果的影响。相信未来，MT将被广泛利用，造福人类。