金属硫蛋白的功能及其在动物生产中的应用

2012-04-13占今舜胡金杰

饲料博览 2012年1期

占今舜，罗锐，胡金杰，张彬

（湖南农业大学动物科技学院，长沙 410128）

金属硫蛋白（MT）是一类分子质量较低、半胱氨酸残基和金属含量极高的蛋白质，Cys-X-Cys三肽序列是所有MT的特征序列。其广泛存在于人类、哺乳动物、植物以及微生物中，结构高度保守。MT是一种可以被诱导的内源性蛋白质，多种因素如金属（Zn、Cu、Cd等）和应激等都可以诱导其产生，在动物胃肠道内被完整吸收，主要从尿中排出，其次是从粪中排出；在小肠、大肠、胃、肾、皮中存留较高；在肝、心、肺、肌肉和骨中存留量较低。各组织器官中MT的存留量在各种动物之间差异不大[1-2]。自1957年在马肾脏发现并分离出MT以来，研究者对其进行了深入的研究，研究表明，其具有清除自由基、解毒、改善动物机体的免疫力、增强动物的抗应激能力、参与微量元素的储存、运输和代谢等多种作用。

1 MT的生物学功能

1.1 抗肿瘤

MT抗肿瘤主要是通过参与肿瘤细胞的分化、增生及凋亡和提高机体的免疫功能来完成的。MT受体（MTs）存在于细胞的胞质、细胞核中，当细胞受到致癌物质的刺激后，MT基因迅速进行表达，抑制细胞凋亡。有研究发现，将细胞暴露在抗癌药物中，提高MTs的表达量可以诱导细胞产生抗凋亡作用，而在缺乏MTs的细胞中，细胞的死亡率显著提高。另外，MT还可以通过影响机体的免疫功能、提高免疫细胞和免疫因子的活性，从而增强机体对癌细胞的杀灭作用。赵红光等观察含MT蛋奶粉对荷瘤小鼠肝癌有无治疗作用，结果表明，小鼠形成肝癌第27、29及31天，添加了MT奶粉组的肿瘤体积变小，增加了淋巴细胞刺激指数、CD4+细胞百分率及CD4+/CD8+；降低了小鼠淋巴细胞G0/G1期细胞百分率和淋巴细胞凋亡百分率，提高小鼠脾脏CTL细胞毒活性和NK细胞毒活性，增加了荷瘤小鼠的IL-2和TNF-α活性，表明含MT蛋奶粉对肿瘤的治疗性效应可能是通过增强荷瘤小鼠的免疫功能实现的[3]。王彦等研究表明，MT蛋白的表达与肺癌的分化程度，Ki-67及凋亡显著相关，MT可作为判断肺癌细胞分化程度、增殖活性及凋亡等的指标[4]。

1.2 解毒作用

MT含有高达30%的半胱氨酸，半胱氨酸中的巯基（-SH）能迅速螯合有毒金属汞、银、铅、镉、砷等。因此，MT是目前临床上最为理想的生物螯合解毒剂。秋水仙碱对动物的肝有一定的损伤作用，还可以干扰细胞微管功能。研究发现，秋水仙碱可以诱导肝合成MT，MT的存在和增加有助于MT（+/+）小鼠颉颃秋水仙碱对小鼠肝的损伤作用[5]。任泂等研究发现，MT对极性贫油中毒大鼠具有解毒的作用，但是预防性给予ZnSO4诱导产生内源性金属硫蛋白，能更好发挥对贫铀中毒的解毒效果[6]。张韵等研究金属硫蛋白基因在长期水砷暴露小鼠肝组织中的表达，发现MT表达的降低可能是亚砷酸钠肝毒性的一个易感因素[7]。黄志勇等研究结果发现，灌喂HgCl2大鼠肾中的Hg-MT诱导量显著增加，说明MT在染汞大鼠肾脏中起着对汞的解毒作用[8]。有研究发现，染镉后，低剂量的镉诱导血管中MT的产生，MT对氧化损伤起保护作用[9]。李南平等给儿童服用MT 2～3个月效果显著，未见不良反应，随着血铅水平的下降，腹痛及伴随症状消失，结果证明，应用MT治疗儿童铅中毒是一种既安全又有效的新型预防和干预手段[10]。

1.3 抗氧化

正常情况下，动物机体产生的自由基可以参与细胞内的化学反应，但是过多的自由基能够损害机体内的生物活性物质，从而产生机体衰老、组织损伤、免疫力下降等。一般情况下，机体可产生自由基和清除自由基以达到平衡。但是，会因为重金属中毒、应激、辐射、疾病等因素导致机体自由基增多，影响机体的健康。MT含有大量的巯基基团，还原状态的巯基具有亲核性，其中的金属具有动力学不稳定性，这使得MT对羟自由基（·OH）、超氧自由基（O2-）或一氧化氮（NO）等自由基具有较强的清除作用。有研究表明，MT清除自由基的能力比谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和超氧化物歧化酶（SOD）强。另外，MT还能够通过影响机体一些氧化酶的活性，来提高机体对组织器官的保护作用。李砥等研究发现，植物提取的MT能够增强镉中毒小鼠血液SOD活性和GSH-Px活力，降低丙二醛（MDA）含量，而且存在显著的交互作用[11]。李汉臣等发现，转金属硫蛋白基因平菇可改善辐射对小鼠血小板（PLT）和脾脏的损伤；增强受辐射小鼠血清SOD活性，降低其血清MDA含量[12]。郭家彬等研究发现，MT可抑制阿霉素（DOX）致氧自由基产生增加及还原型谷胱甘肽（GSH）耗竭，降低DOX对心脏的毒性[13]。

1.4 提高免疫力

机体免疫系统的主要作用是防止外来物质（病原微生物）对机体的损害。研究表明，MT能通过刺激淋巴细胞增殖、提高巨噬细胞活性等来提高机体的免疫能力。但是其机制不是很清楚，需要进一步的研究。MT对免疫反应的调节作用都基于MT蛋白主链上的巯基，如果MT的巯基发生变化（如烷基化、氧化等），则刺激淋巴细胞增殖的效应就会消失。有研究表明，无论把MT单独添加到脾细胞培养中还是将MT和分裂素一同添加，都能使鼠类淋巴细胞的增殖；细胞内MT能够促进单核细胞的激活，且随着MT合成的减少，免疫反应在这方面的效力能力下降。

1.5 抗应激

机体在应激的情况下，能够诱导MT的表达，提高机体的抗应激能力。补充外源性MT也能够降低应激的发生，缓解应激带来的危害。张春阳等观察抗氧化剂MT对糖尿病大鼠肾脏氧化应激指标及NADPH氧化酶的影响，结果表明，MT可能通过降低糖尿病大鼠肾脏氧化应激水平，抑制肾皮质PKC-β、血管紧张素原（Ang）以及NADPH氧化酶亚基的表达，发挥肾脏保护作用[14]。刘湘新等在猪肌肉注射MT后快速追赶使其产生应激，结果表明，金属硫蛋白能提高应激猪体内抗氧化酶的活性，从而对应激造成的细胞损伤起到保护作用[15]。

1.6 其他

由于MT结合各种金属离子的能力很强，因此其与金属离子的代谢有重要关系。MT可能通过Zn-MT和Cu-MT对许多辅酶的激活来调控小肠内Zn和Cu的代谢起，通过MT合成的可变性来维持细胞内的游离Cu和Zn的平衡。在细胞外液（尿和胆汁）中已检测出MT，这也说明MT有潜在运输Cu和Zn的功能。还有研究发现，MT在发情期雌性动物子宫内膜的腺上皮上有表达，雌激素能够诱导产生MT等，这意味着在动物的繁殖过程中发挥了非常重要的作用。MT还能提高体外细胞的存活率，马艳等研究结果表明，低剂量的亚砷酸钠诱导淋巴细胞产生MT，促进淋巴细胞在体外的存活率[16]。除此之外，MT还能够抗电离辐射、影响DNA复制、转录及蛋白质的合成等的作用。

2 MT的抗应激作用

应激主要通过使动物机体免疫功能紊乱、产生厌食、食欲减退使内脏等产生缺氧和缺血等影响动物的生长和发育。大量研究表明，内源性诱导或外源性补充MT可通过提高动物体内抗氧化酶类的活性和调节与应激有关的激素分泌来增强机体对应激的耐受力。李丽立等用仔猪作模型，研究经锌元素诱导的外源性金属硫蛋白（Zn-MT）对机体抗氧化功能和SOD的影响，结果在应激条件下，补充外源性Zn-MT一段时间后，仔猪肝脏SOD和GSH-Px活性显著升高（P＜0.05），MDA含量显著降低（P＜0.05），肝脏抗活性氧和抗超氧阴离子水平也有提高的趋势，MT对SOD基因表达的诱导与时间和剂量关系密切[17]。刘湘新等研究发现，适量的外源性MT能够降低应激情况下猪血清中谷丙转氨酶活性和乳酸脱氢酶活性，提高SOD活性，但对血清中谷草转氨酶活性无显著作用[15]。

游思湘等研究表明，金属硫蛋白在应激状态下可使血清和运动初期肌肉中的非酯化脂肪酸含量升高，肌乳酸的生成降低，因而可增强有氧代谢，改善机体对运动负荷的压力，提高动物的抗应激能力，因此金属硫蛋白对乳猪具有一定的应激保护作用[18]。张彬等探讨外源性MT对奶牛抗热应激的调控作用及其机理，结果表明，注射MT后第30天表达最佳，且在奶牛体内表现出一定的剂量效应和时间效应，说明MT是一种有效调控奶牛泌乳量和抗氧化能力的生理活性物质和高效抗氧化剂[19-20]。

3 MT与动物矿物元素代谢

MT含有大量半胱氨酸，每分子能够与7个二价的金属离子结合，或者可以与多至18个一价金属离子，因此MT在微量元素的吸收和代谢、重金属的解毒上具有重要的作用。饲料中过量的锌、铜或者重金属不仅能够影响动物的生长和发育，而且还导致生态环境的污染。MT主要在胃肠道内被吸收，日粮中的矿物元素能够与MT结合，减缓其吸收，而当组织缺乏矿物元素时，会将其释放满足机体的需要。杨自军等在日粮中添加锌（硫酸锌）4 g·kg-1，结果对蛋鸡有一定的毒性作用，组织中锌含量与日粮锌浓度和补锌时间有关，肝脏MT的含量和肝锌含量变化一致，研究认为MT在限制锌的毒性方面具有重要作用[21]。吴睿等研究发现，在日循环高温（23℃→33℃→23℃循环）下，肉鸡血浆Zn2+浓度降低，肉鸡肝脏、胰腺及十二指肠Zn2+浓度和MT含量降低，而且肉鸡肝脏、胰腺及十二指肠中MT含量与Zn2+浓度呈现相同的变化趋势[22]。可能MT需要Zn2+一起参与来提高机体抗热应激。加春生等研究亚慢性镉中毒鸡体内镉与金属硫蛋白含量，结果说明，低剂量的镉诱导鸡体血管中MT的产生，使血管中MT含量升高而对氧化损伤起保护作用，抑制了脂质过氧化作用的发生；而高剂量的镉不但不表现出这种诱导作用，反而使血管中MT含量降低，影响了血管抗氧化损伤的能力，说明MT可以结合镉，降低其毒性，减轻对机体的毒害作用[9]。柴春彦等研究结果表明，铜缺乏能够改变奶牛肝脏中MT的代谢[23]。

4 小结

MT通过调节体内微量元素的代谢和吸收，降低微量元素的排放，从而降低养殖环境的污染；通过清除机体内的自由基，增强抗氧化酶的活性，防止动物肌肉氧化，增强动物产品的品质。因而MT应用于动物，可以提高生长速度，减少疾病发生，减缓鲜肉氧化速度，延长动物利用年限，提高经济效益。目前，MT应用在动物生产上还存在一些问题，如MT的价格较贵、生产量有限、在动物体内的代谢途径和规律研究不深等。但随着研究不断深入，这些问题将得到有效的解决，金属硫蛋白在动物生产上的作用将会更加突出。

[1]李丽立,张彬,印遇龙,等.金属硫蛋白在仔猪体内代谢动力学研究[J].核农学报,2004,18（6）:480-484.

[2]张彬,肖定福,李丽立,等.金属硫蛋白在奶牛公犊体内的代谢规律研究[J].草业学报,2008,17（6）:78-84.

[3]赵红光,郭伟,李艳博,等.含金属硫蛋白蛋奶粉对小鼠肝细胞实体瘤的治疗作用[J].吉林大学学报（医学版）,2007,33（3）:409-413.

[4]王彦,吴焕明.肺癌中金属硫蛋白的表达及其与细胞增殖、凋亡的关系[J].中国组织化学与细胞化学杂志,2003,12（4）:393-398.

[5]邱永祥,阮明,贾凤兰,等.金属硫蛋白对秋水仙碱致肝毒性的保护作用[J].北京大学学报（医学版）,2005,37（5）:558-559.

[6]任泂,李蓉,刘晶,等.金属硫蛋白和锌对急性贫铀中毒大鼠的解毒效果研究[J].第三军医大学学报,2010,32（4）:311-314.

[7]张韵,吴君,李玲,等.金属硫蛋白基因在长期水砷暴露小鼠肝组织中的表达[J].环境与健康杂志,2007,24（10）:755-758.

[8]黄志勇,沈金灿,庄峙厦,等.大鼠肾脏汞结合金属硫蛋白的联用技术表征研究[J].无机化学学报,2005,21（1）:65-69.

[9]加春生,李金龙,徐世文.亚慢性镉中毒鸡体内镉与金属硫蛋白含量的测定[J].毒理学杂志,2008,22（1）:64-67.

[10]李南平,徐野,冯秀英.应用金属硫蛋白治疗儿童铅中毒致腹痛的临床分析[J].中国优生与遗传杂志,2007,15（8）:76,111.

[11]李砥,龚建福,刘继文.金属硫蛋白提取液配方对镉中毒小鼠血液脂质过氧化的影响[J].新疆医科大学学报,2009,32（5）:558-561.

[12]李汉臣,生吉萍,茹炳根,等.转金属硫蛋白基因平菇对小鼠辐射后抗氧化能力的影响[J].营养学报,2007,29（2）:170-172,177.