金属硫蛋白与肿瘤的关系研究

沈齐

摘要：金属硫蛋白广泛存在于自然界及生物界中，目前认为金属硫蛋白是一类低分子量、富含半胱氨酸的内源性小分子蛋白物质，其具有较为独特的结构特征、理化性质及生物学特性。研究发现其在多种疾病的发生发展、发病机制、诊疗及药物耐药性等方面发挥着重要的作用，目前尤其是对于金属硫蛋白与各种肿瘤的发病机制、发生发展、诊断治疗、预后评估及抗肿瘤药物耐药性等关系的研究方面，逐渐受到愈来愈多的关注。本文主要对金属硫蛋白的结构与功能、主要生物学功能及其与肿瘤的关系进行综述。

关键词：金属硫蛋白;肿瘤;生物学功能

中图分类号：R730.2                                文献标识码：A                                  DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.16.016

文章编号：1006-1959（2019）16-0051-04

Abstract：Metallothionein is widely distributed in nature and in the biological world. It is believed that metallothionein is a kind of low molecular weight， cysteine-rich endogenous small molecule protein material with unique structural characteristics， physical and chemical properties and biological characteristics. The research has found that it plays an important role in the occurrence and development of various diseases， pathogenesis， diagnosis and treatment and drug resistance. At present， especially for the pathogenesis， development， diagnosis and treatment of metallothionein and various tumors， the research on the relationship between prognosis and anti-tumor drug resistance has gradually received more and more attention. This paper reviews the structure and function of metallothionein， its main biological functions and its relationship with tumors.

Key words：Metallothionein;Tumor;Biological function

金屬硫蛋白（Metallothionein，MT）最早由美国哈佛大学的Margashe和Valle两位学者，在1957年通过分离蓄积镉的马肾而发现的一种新物质[1]。金属硫蛋白的发现引起了广泛的关注，之后大量的科学家、医学家们对其组成、结构、分布及生物特性等进行了大量深入的研究。研究发现金属硫蛋白广泛存在于自然界及生物界中，目前研究认为金属硫蛋白涉及医药卫生学、分子生物学、卫生毒理学、营养学、食品科学、农业学、环境科学等诸多重要的学科领域，其具有较为独特的结构特征、理化性质及生物学特性等，正是因为它具备的这些特点，其在多种疾病的发生发展、发病机制、诊疗及药物耐药性等方面其发挥着重要的作用。基于此，本文主要对金属硫蛋白的结构与功能、主要生物学功能及其与肿瘤的关系进行综述。

1金属硫蛋白的结构与功能

1.1金属硫蛋白的结构  金属硫蛋白是一类低分子量，富含半胱氨酸的内源性小分子蛋白质，能够和某些具有亲电性质的金属（例如：镉、铂、铜、锌等）、自由基团、一些细胞的代谢产物等物质结合，进而在细胞内锌、铜等必需微量元素的存储、各种金属物质稳态的调节、某些有毒性的金属物质的解毒及对抗体内自由基氧化等方面起着重要作用[2]。一般来说，哺乳动物金属硫蛋白的基因包含5'非翻译区、5'侧翼区、3个外显子、2个内含子、3'-UTR（即3'非翻译区）和3'端，其中在5'侧翼区有调节原件，包括一个或多个的金属效应原件（MRE）、晚期转录因子/抗氧化效应复合原件（MLTF/ARE）、白介素-6（IL-6）效应原件及糖皮质激素效应原件（GRE）等，3'非翻译区有AATAA多聚腺苷酸特征结构。金属硫蛋白为单条多肽链，分子量为6～7 KD，等电点约为pH4～4.5，MT的分子构象较为牢固，生物学特性比较稳定，抗酶解，也较耐热，而且因为其氨基酸的排列具有重复性，所以当有部分氨基酸链断裂后，其仍有一部分活性[2]。金属硫蛋白是由61个氨基酸组成的，其中约包含20个（30%）半胱氨酸（Cys），并且所有的半胱氨酸都是以还原的状态存在，这20个半胱氨酸可通过巯基与7～12个金属离子形成共价结合。每个金属离子都可以与四个Cys的-SH络合，这构成了金属硫四面体络合结构，其正是前面提到的MT具有抗酶解性及耐热性的原因。金属硫蛋白的三级结构为哑铃形，与金属离子结合的区域有两个，分布在其两端，分别为N端的β-结构域，即为第1～30氨基酸，包含9个半胱氨酸，可以结合3～6个金属离子，并且优先结合Zn2+、Cu2+;C端的α-结构域，即为第31～61氨基酸，包含11个半胱氨酸残基，可以结合4～6个金属离子，并且优先结合Cd2+。因为金属硫蛋白的分子组成中没有芳香族氨基酸，所以其在280 nm处见不到吸收峰，又因为其可以与多种金属离子结合，所以可以见到特殊的吸收峰，如Cu2+，其吸收峰在275 nm处，Zn2+吸收峰在220 nm处。金属硫蛋白家族因为其所带电荷的不同，分为四种异构体：MT-1、MT-2、MT-3和MT-4，而每种异构体又包含多种不同的亚型。MT-1和MT-2与大多数物种的多种器官、多种细胞的发育等过程密切相关，它们分布比较广泛[3]，主要存在于哺乳动物、原生动物及一些无脊椎动物等中，MT-3与MT-1和MT-2相比，其含有一个高度可变的区域（约为7个氨基酸），MT-3被称为生长抑制因子（GIF），其只在神经组织中表达，中枢神经系统中有MT-1、MT-2和MT-3表达，其中MT-1和MT-2主要表达于星形细胞、软脑膜和脉络丛上皮等部位，而MT-3主要表达于海马区的椎体细胞、齿状回的颗粒细胞及大脑皮层等部位，它的这种特异分布可能预示其对脑功能的特殊意义[4]。MT-4主要存在于鳞状上皮中，如食管、口腔黏膜等鳞状上皮中，与这些细胞的分化有着密切的关系。人类的金属硫蛋白基因位于第16号染色体上，包含10个功能性基因及7个非功能性的基因，其中功能性基因亚型有：MT-1A、MT-1E、MT-1F、MT-1H、MT-2A、MT-3等。

1.2金属硫蛋白的主要生物学功能  金属硫蛋白的生物学功能到目前为止仍未能完全明确，但目前研究较为透彻的有以下几项：①参与体内一些重要微量元素的储存、代谢等，并解除某些重金属的毒性。研究发现，体内锌离子水平与金属硫蛋白的表达呈正相关，体内金属硫蛋白的功能状态与细胞内高锌或低锌时机体耐受情况有密切关系[5];金属硫蛋白可以根据机体内各种金属离子的浓度，然后与不同的金属离子保持游离状态或者结合状态以维持各种金属离子在机体内的相对稳态[6];而当某些重金属，如铅、镉、汞等进入机体后，金属硫蛋白会与其结合进而形成稳定结构，并可以将它们排出机体外，避免了其对机体细胞造成的毒害，以保护脑、肾等各种重要器官。②不断清除机体内的自由基，对抗氧化，有效防止衰老的功能。金属硫蛋白对自由基（如氧自由基、羟自由基等）的清除能力较强，有研究显示金属硫蛋白清除羟自由基的能力达到SOD的1000倍[3];由电离辐射引起的脂质过氧化反应而产生的MDA等代谢终产物，可以用来反应机体受自由基损伤的不同程度，研究发现[7]，受X线照射的实验小鼠口服含金属硫蛋白的奶粉后，与对照组相比，其肝脏、肾脏内的MDA代谢产物明显偏低，而且发现体内SOD、GSH-Px等抗氧化酶的活性明显增强，因此可以总结出金属硫蛋白可以清除机体内自由基，增强抗氧化能力，从而对机体进行保护;吴华等[3]还发现外源性锌金属硫蛋白对放化疗引起的细胞损伤有保护作用。③参与机体的应激反应。有研究显示，在多种不同的应激状态下，如休克、高温、寒冷、创伤等，均可以使体内金属硫蛋白的含量出现不同程度的增高;另外，与应激反应相关的各种激素，如体内肾上腺素、糖皮质激素等较前有所增高时，机体内的金属硫蛋白含量也会随之增高。④MT-3在神经系统方面的功能。MT-3被稱为生长抑制因子（GIF），而且其只在神经组织中表达，可抑制神经生长，但MT-3对神经也有保护作用，其参与神经的再生，与某些神经系统疾病的发生有密切关系[5]。⑤金属硫蛋白也参与细胞增值、凋亡等的调节。

2金属硫蛋白与肿瘤的关系

金属硫蛋白在哺乳动物中的合成部位主要是在肝脏，而且在机体细胞、组织再生和发育时，金属硫蛋白的合成是增加的。同时许多内、外源性因素都可以诱导其合成，例如：肿瘤因子、重金属、激素及应激等，目前认为，上述这些诱导均是发生在基因的转录水平。近些年来，愈来愈多的研究发现金属硫蛋白与肿瘤的关系非常密切，它不仅参与肿瘤发生、发展及预后等，而且与肿瘤细胞的分化、某些化疗药物的耐药性也密切相关。

2.1金属硫蛋白在肿瘤中的表达  金属硫蛋白在多种恶性肿瘤中都呈现高水平的表达，由此推测金属硫蛋白可能为某些恶性肿瘤的生物学标志，可能会帮助判断和评估一些恶性肿瘤及其恶性程度等，目前已经明确在头颈部某些恶性肿瘤中，金属硫蛋白的表达与其恶性程度呈正相关[5]。研究发现，金属硫蛋白在甲状腺癌、膀胱癌、消化道肿瘤等多种恶性肿瘤中呈高水平的表达[6]。另有研究发现，金属硫蛋白在食管鳞状细胞癌中的表达水平明显高于正常的食管的上皮;金属硫蛋白在结、直肠癌中的表达明显高于正常的结、直肠组织;金属硫蛋白在骨肉瘤中也呈高表达[7]。另外，有研究发现，MT-2A在乳腺癌中呈高表达[8]，乳腺癌患者血清MT-1E也高表达[9]。现关于金属硫蛋白各亚型的研究仍较少，需进一步深入研究各亚型在不同肿瘤中的表达及其意义等。另外，研究还发现，并不是在所有的肿瘤中金属硫蛋白都表现为升高，在某些肿瘤中，其也可表现为降低，卢丽斯等[10]发现MT-1在原发性肝细胞癌组织中的表达较癌旁组织中降低。金属硫蛋白在肺癌的病理组织中是普遍下降的[11]，但丁瑞敏的研究发现在晚期NSCLC患者外周血中MT升高[12]，并且MT-1X在NSCLC患者中阳性表达与患者术后生存期短显著相关[13]。目前的研究表明，金属硫蛋白在多种肿瘤中的高水平表达可能为基因的转录水平出现调节障碍所导致。锌等金属离子的浓度在很大程度上决定了细胞的增殖速度，肿瘤细胞的细胞核内含有大量的金属离子，通过调节DNA和RNA的合成来参与DNA和RNA的聚合激活和DNA结合蛋白的合成等过程，而金属硫蛋白对锌离子有重要的调节功能，因此可以认为金属硫蛋白与肿瘤细胞的增殖有密切关系。金属硫蛋白对肿瘤细胞的凋亡有抑制作用，一方面，金属硫蛋白与锌离子的相互作用可以抑制肿瘤细胞发生凋亡;另一方面，金属硫蛋白有清除体内自由基的作用，因此可以抑制自由基引起的、作用于DNA链所诱导的细胞凋亡。研究还发现机体组织出现感染、炎症、损伤时释放的某些细胞因子（如IL-1、IFN-α等），可诱导金属硫蛋白的合成[14]，有研究发现MT-2在小鼠的炎症相关性结肠癌中表达的正相关性提示它可能在结肠炎症促进癌变这一过程中起到一定作用[15]。此外，目前还有学者认为在发生肿瘤时，金属硫蛋白升高可能是因为机体细胞在受到各种致癌物质刺激后，清除致癌物质的一种保护机制。

2.2金属硫蛋白与肿瘤病理的关系  目前研究发现，肿瘤中金属硫蛋白的含量与一些肿瘤的病理分化程度有密切关系，就多数肿瘤而言，金属硫蛋白的表达与肿瘤的分化程度为负相关。有研究发现，在睾丸癌患者中，金属硫蛋白在分化较好的精原细胞瘤中表达为阴性或者弱阳性，而金属硫蛋白在分化较差的胚胎性肿瘤中则表达为强阳性。另外，肿瘤中金属硫蛋白的含量与其预后也有密切关系，有研究发现金属硫蛋白可能是腺样囊性癌的预后指标[16]，Poulsen CB等[17]研究表明MT-1可能是弥漫性大B细胞淋巴瘤的独立危险因素。同时值得注意的是，金属硫蛋白与肿瘤的临床分期及淋巴结转移等也有着重要的关系，有学者报道金属硫蛋白在甲状腺乳头状癌中与淋巴结转移有密切关系[6]，金属硫蛋白可能对低氧诱导的甲状腺乳头状癌细胞侵袭转移具有促进作用[18]，与现有标志物联合，金属硫蛋白可用于睾丸生长细胞肿瘤的分期鉴定[19]。

2.3金属硫蛋白与肿瘤耐药的关系  有研究表明，机体内金属硫蛋白的升高可能会引起化疗药物的耐药性，金属硫蛋白能够保护肿瘤血管的周围细胞，可以减少化疗药物向肿瘤的血管周围扩散，进而降低了药物的作用。还有研究发现，金属硫蛋白的重金属解毒作用及其可以清除自由基的作用等会使某些化疗药物，例如他莫昔芬产生耐药[20]。金属硫蛋白也可以使临床治疗肿瘤应用非常广泛的顺铂产生明显的耐药，但彭波等[20]发现MT-1X可部分逆转肺癌细胞（A549/DDP）对顺铂的耐药。另外还有研究发现MT-1G通过抑制铁死亡促进肝癌细胞索拉非尼耐药[21]。

3总结

对金属硫蛋白的研究已有半个多世纪，而且已有很多研究成果，尤其在金属硫蛋白与肿瘤的关系方面，更是取得了较为突出的成绩，目前的研究揭示了金属硫蛋白在肿瘤发生、发展中具有重要的作用，为肿瘤的诊断、治疗及预防等提供了更多的方法和方向。但是，目前仍然存在很多尚待解决的问题和继续深入研究的空间，例如：金属硫蛋白在各种组织、器官中的分布及其含量，影响它表达的因素;金属硫蛋白在体内的具体代谢路径;金属硫蛋白在各种疾病的发生、发展中的作用机制;金属硫蛋白的亚型在肿瘤中的表达具有特异性，可能会成为临床肿瘤诊断的辅助指标;根据金属硫蛋白的生物学特性，开发治疗肿瘤的新型药物等。金属硫蛋白因其独特的生物学特性，具备非常广阔的科研价值和临床应用前景，相信随着研究方法的改进和对金属硫蛋白研究的不断深入，未来金属硫蛋白一定会在医学领域发挥强大的作用。

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收稿日期：2019-4-18;修回日期：2019-5-6

编辑/钱洪飞