金属硫蛋白2A生物功能及其在临床中的作用研究*

2019-02-17蒋仕秋曾江华刘海荣刘月明

成都医学院学报 2019年6期

蒋仕秋，曾江华，刘海荣，刘月明△

1.成都医学院第一附属医院烧伤整形科(成都 610500)；2.遂宁市第一人民医院骨科(遂宁 629000)；3.成都医学院第一附属医院科研中心(成都 610500)

金属硫蛋白(metallothioneins,MTs)是在1957年由哈佛大学Margoshes和Vallee在马肾中发现，是一类广泛存在于生物界，分子量低(6～7 kDa)，富含半胱氨酸的金属结合蛋白[1]。人类MTs包含11种功能性亚型：MT-1(A、B、E、F、G、H、M和X)，MT-2(MT2A)，MT-3和MT-4，其中，MT-1和MT2A在人体各细胞、组织均有表达，以肝、肾最为丰富，而MT-3主要在脑组织和男性生殖系统中表达，MT-4仅在某些层状上皮组织中表达较高[2]。MT2A作为金属硫蛋白家族中的重要成员，由61个氨基酸组成，分子量低(7 kDa)，半胱氨酸含量高(30%)，缺乏芳香族氨基酸，通过半胱氨酸巯基结合金属离子存在于呈哑铃状的α结构域、β结构域中，具有较强的耐热性及抗酶降解性[3]。通过60多年国内外研究者的不断努力，MT2A的参与机体金属离子代谢平衡调节、抗氧化应激损伤、调节细胞增殖和分化等生物学功能逐渐明确，并与心血管系统疾病、肝脏疾病、神经系统疾病、肿瘤等密切相关。本文对MT2A的生物学功能及其在某些临床疾病中的作用研究进行综述。

1 MT2A的生物功能

1.1 微量元素代谢、运输及重金属解毒

锌存在于超过2 700种酶的结构中(如水解酶、转移酶、氧化还原酶、连接酶、异构酶和裂解酶等)，是生物体生长发育、DNA合成、免疫、酶系统辅助因子的重要微量元素之一。MTs以高亲和力结合锌并作细胞内锌的储库，参与锌的储存、运输及生物利用。研究[4]发现，MTs的缺乏减少机体对锌的吸收。锌通过金属反转录因子-1(metalrespon-sivetranscriptionfactor-1，MTF-1)与MT基因启动子上的金属反应元件(metalresponsiveelements，MRE)的相互作用诱导金属硫蛋白转录的上调[5]。当细胞内MTs浓度增高时，通过结合细胞内锌离子，降低细胞内的锌离子浓度，形成负反馈效应。MTs作为富含半胱氨酸的金属结合蛋白，结构中的巯基(SH)与金属离子具有很强的螯合力，通过与有毒金属结合排除体外，实现解毒作用。Saito等[6]通过研究重金属对肾毒性作用发现,大鼠肾细胞溶质中重金属含量与MT2含量之间存在密切关系，MT2对肾脏具有保护作用，MT2对一些金属解毒能力顺序为 :Cd> Zn> Cu≈As> Hg。

1.2 炎症及氧化应激

1.3 抗凋亡

各种不良刺激，如氧化应激、炎症等均可能导致程序性细胞死亡。研究[12]发现，MT2A可通过抑制 Jun-氨基末端激酶(jun N-terminal kinase，JNK) 信号通路，抑制氧化应激介导的线粒体细胞色素c释放和活化的caspase-3减少阿霉素诱导的心肌损伤，减少程序性细胞死亡。此外，Ma等[13]发现细胞核中MTs含量与转录因子对Zn的需求有关,敲除MT可以下调锌水平并促进程序性细胞死亡，MT2A是通过下调Bax、caspase-3、caspase-9和caspase-12的表达来抑制细胞凋亡的保护性蛋白，具有保护细胞DNA和阻止程序性细胞死亡的作用。

1.4 免疫调节

在生理、病理或应激状态下可增加MT mRNA的转录,同时伴有血浆锌浓度的下降。MTs在免疫细胞中的基础和诱导表达依赖于细胞类型，单核细胞MT表达比淋巴细胞和粒细胞更多，通过特异性抗体和流式细胞仪测定镉诱导的MT水平在 CD4+和CD8+T细胞比B细胞和自然杀伤(NK)细胞高[14]。外源性apo-MT-1/2在体外调节细胞毒性T淋巴细胞的分化，从而明显降低对效应细胞的活性。相反，外源性MT-1/2增强同种异体和自体混合白细胞反应中的增殖反应和IL-2R表达，同时伴随着CD8和MHCI阳性细胞的明显减少[15]。

1.5 其它作用

MT2还可抵抗电离辐射或紫外线引起细胞损伤,具有修复细胞损伤功能[16]。MT2A与SOD相比，清除羟自由基能力强、热稳定性高、半衰期长、易被机体吸收等特点，MT作为化妆品的添加剂，具有抗衰老等作用[17]。

2 MT2A与临床疾病

2.1 心血管系统疾病

研究[18]表明，MT2A对高血压、动脉粥样硬化、缺血性心脏病、心力衰竭等心血管系统疾病具有十分重要的保护重要。氧化应激是心肌缺血再灌注期间心肌损伤的关键介质[19]。Kang等[20]使用MT2高表达的转基因小鼠研究发现, MT2在高表达状态下可使缺血再灌注损伤造成的血浆肌酸激酶含量升高降低、心肌坏死范围缩小、心肌收缩力增强,表明MT2对缺血再灌注损伤具有保护作用。作为内源性细胞保护剂，MT2A可能通过清除氧自由基和抑制脂质过氧化，在心血管保护中发挥作用抗氧化损伤作用。自由基氧化应激损伤是导致心力衰竭发生的重要因素之一[21]。在糖尿病性心肌病进展过程中,心肌组织中生成大量的超氧阴离子和硝基(ONOO-)等，Xue等[22]发现MT2A对糖尿病心肌病的保护作用可能是通过MT2A对超氧阴离子和硝基(ONOO-)的清除作用。研究证实，氧化应激和氧化低密度脂蛋白对血管内膜损伤与动脉粥样硬化具有密切关系[23]。在低密度脂蛋白(LDL)氧化的病理过程，MT2A可通过调节锌在氧化条件下释放，锌的释放有助于抑制氧化修饰，防止脂质过氧化产物进入巨噬细胞，减少血管内皮细胞损伤[24]。Giacconi等[25]发现MT2A可通过调节炎性细胞因子、凝血因素、锌离子活性、NK细胞毒性和微量元素代谢减轻颈动脉粥样硬化。

2.2 肝脏疾病

氧化应激及炎性介质激活诱导肝星状细胞(HSCs)的增殖、迁移及胶原蛋白的聚集是肝纤维化发展的重要原因[26].Xu等[27]通过在活化的HSC中转染含有人MT2A基因的质粒有效地提高了MTs的蛋白质水平，MT的表达增高伴随着α-SMA和I型胶原蛋白水平的降低以及它们的mRNA水平的降低。MTs作为一种自由基清除剂和抗氧化调节剂，其结构中含大量处于还原状态的巯基，是其发挥抗氧化作用的活性中心，其清除自由基能力约是谷胱甘肽(glutathione，GSH)的100倍，可通过稳定溶酶体膜，降低溶酶体酶溢出；对抗自由基对线粒体Ca2+-Mg2+-ATPase活性的抑制作用[28]；抑制细胞核内DNA断裂，减少肝细胞凋亡，抑制肝星状细胞(HSC)激活减轻肝纤维化。Lian等[29]使用MT-Ⅰ/Ⅱ缺陷小鼠模型(MT-/-)来确定富含半胱氨酸的抗氧化剂MTs是否可以预防异烟肼(INH)诱导的肝损伤，结果发现MTs通过抗氧化和亚硝化应激损伤，增加的GSH含量和SOD活性升高，降低肝脏MDA水平和促进3-硝基酪氨酸(3-NT)表达，减轻肝细胞空泡变性及损伤。在由镉、四氯化碳或对乙酰氨基酚引起的急性肝毒性中，MTs可通过清除氧自由基对肝脏起到保护作用[30]。

2.3 神经系统疾病

MTs在中枢神经系统的细胞生长、脑损伤修复、自主防御反应、免疫调节等活动中具有重要作用[31]，多种神经系统疾病与MT2A密切相关。帕金森病是最常见的进行性神经退行性疾病之一，星形胶质细胞释放的MTs可以保护多巴胺能神经元免受氧化应激损伤[32]。Murakami等[33]通过小鼠皮下注射鱼藤酮引起神经变性，结果发现MT缺乏使星形胶质细胞的活化减少和氧化应激损伤增强，出现更严重的肌间神经元损伤，这些结果也表明MT保护神经元免受鱼藤酮诱导的神经毒性。阿尔茨海默病以不溶性细胞外β-淀粉样蛋白(Ab)斑块的沉积和神经元纤维缠结为主要病理特征[34]。Chung等[35]研究发现MT2A可通过Zn7MT-2A和Cu(II)-Ab～的金属交换阻滞铜诱导的Ab聚集和神经毒性治疗阿尔茨海默病。脑缺血缺氧可导致大量自由基的产生，造成神经元坏死，加重脑损伤，研究者[36]通过模拟小鼠短暂性大脑中动脉闭塞(MCAO)实验发现，腹腔注射MT2改善了MCAO后小鼠的存活率，抑制缺血脑组织中TNF-αmRNA的表达，同时在体外实验中发现MT2可保护原代神经细胞免受氧-葡萄糖剥夺。因此，MT2具有减轻脑缺血性损伤的作用。在自身免疫性脑脊髓炎疾病，MT2A也在参与细胞生长和增殖以及维持免疫稳态的调节蛋白起重要作用[37]。

2.4 肿瘤性疾病

MT2A是多种癌症标记物并参与调控肿瘤的发生和发展。在健康细胞中MT2A具有抗炎、抗氧化、免疫调节等多种保护功能，然而，在MT2A在致癌作用方面是双刃剑，在肿瘤细胞中高MTs含量会增加肿瘤的恶性程度、促进增殖、抗凋亡。同时，MT2A对ROS清除作用有益于肿瘤细胞生存及对抗机体的免疫系统防御。MT-1/2的缺乏使在铅暴露环境下生活的小鼠对患睾丸肿瘤、肾和膀胱癌前病变更敏感[38]。Werynska等[39]发现在肺癌中MT2A可诱导促血管生成因子(如成纤维细胞生长因子(FGF)、转化生长因子β(TGF-β)、血管内皮细胞生长因子A(VEGF-A))的表达促进肿瘤生长。Pan等[40]通过检测973例胃标本研究发现胃原发性肿瘤中检测到MT2A表达下降,同时发现MT2A细胞凋亡和阻滞G2/M抑制细胞生长，通过上调IκB-α和下调p-IκB-α及cyclin D1表达来负调节NF-κB信号通路抑制肿瘤活性。研究[41]发现，MT2A可增加骨肉瘤化疗的耐药性。此外，MT2A预测肝癌存活率具有较高得价值[42]，但预测多形性胶质母细胞瘤的存活率较低[43]。

2.5 其它重大疾病

MT2A还参与呼吸系统疾病、糖尿病等多种疾病病理生理过程。Ren等[44]使用百草枯(PQ)诱导急性肺损伤模型发现，MT2-/-小鼠肺中抗氧化酶活性降低、丙二醛(MDA)含量增高，表现出更严重的病理组织学损伤，同时，PQ还诱导MT2-/-小鼠肺细胞凋亡增加，凋亡相关蛋白Bax、Bcl-2、cleaved-caspase-3的表达和Bax/Bcl-2的比值均明显增加。这表明MT2通过抗氧化和抗凋亡的机制对急性肺损伤起保护作用。在糖尿病中，MT2A通过抗氧化作用调节谷胱甘肽，促进胰岛素受体的磷酸化增强葡萄糖向细胞的转运[45]。MT2A还可通过减轻氧化应激，保护胰腺β细胞免受自由基损伤，维持正常胰岛素的分泌，预防或延缓糖尿病及相关并发症的发生[46]。