金属硫蛋白在细胞生理过程和疾病发生发展中的多功能调控作用

韦淑丹 黄波

【摘要】金属硫蛋白（Metallothionein，MT）是一类广泛存在、结构高度保守的抗氧化应激分子，参与重金属解毒、氧化损伤解毒、储存金属及调节代谢。MT与疾病发病过程密切相关。MT基因表达调控通过转录水平上进行，与金属、糖皮质激素及血清反应元素顺式作用，与金属调节蛋白反式作用达到调节作用。文章就结合临床相关文献研究进行以下总结，以期后续学者深入分析提供理论依据。

【关键词】金属硫蛋白;细胞生理;疾病;多功能调控

课题名称：“基于出生队列的环境-遗传交互作用对妊娠与出生结局影响的研究”

项目批准号：2018AB62004，2019.9-2021.12，主持，广西重点研发项目

金属硫蛋白（Metallothionein，MT）是一类可与金属结合、富含半胱氨酸（约占总氨基酸残基30%）和低分子量（0.5-15 kDa）的蛋白质。MT最早在马的肾皮质中被分离提纯，随后发现MT存在于各种属及各组织脏器中，呈现高度的进化保守性。虽然已有证据提示MT涉及金属代谢、解毒、维护氧化还原稳态、细胞存活于分化、抗炎和免疫反应等[3]，但其确切生理功能和病理学作用尚未完全阐明。为增加对MT的认识，本文对MT在细胞生理过程和疾病发生发展中的多功能调控作用做一综述。

1 金属硫蛋白的表达

MT可分为MT1、MT2、MT3和MT4等四个亚家族，广泛存在于动植物。其中人MT共有11种功能性亚型，即MT-1A、B、E、F、G、H、M和X、MT2A、MT-3和MT-4，以及7个非功能亚型（MT1C、MT1D、MT1I、MT1J、MT1L、MT1P和MT2B）。MT-1和MT-2基因的启动子中含有调控其表达的TATA盒、GC盒和基础水平元件（BLE），此外还含有几个特异性调控元件如金属应答元件（MRE）、抗氧化物应答元件（ARE）、糖皮质激素应答元件（GRE）和甲状腺素应答元件（TRE），一些应激因素（金属、激素、缺氧、炎症等）可通过介导转录因子与上述MT基因启动子的应答元件结合，在转录水平上诱导MT的合成并受启动子区域CpG甲基化的调控。在MT1表达水平低的细胞中，MT1启动子某些区域CpG位点趋向于甲基化，而在高表达MT1的细胞中，MRE区域的CpG位点完全去甲基化。在胃癌组织中，MT3表达显著降低与MT3内含子1的CpG岛高度甲基化有关。

2. MT在病理学过程的作用

2.1 MT与心血管疾病的关系

心血管疾病的发生发展与氧化应激和慢性炎性有关，MT高水平表达可改善心肌收缩功能，并减少心肌梗死面积。研究发现，MT-2A可通过上调JNK磷酸化水平从而消除内质网应激（ERS）引起的心肌细胞功能障碍，减弱ERS对心脏收缩的抑制和左心室擴张。还可以通过抑制CCAAT/增强子结合蛋白同源蛋白的表达，增强心肌细胞活力，抑制细胞凋亡，从而预防心肌细胞损伤。在经L-NAME诱导的高血压实验中，MT高表达的转基因小鼠虽然不能改变自噬标志物LC3B、p62的蛋白表达水平和自噬信号分子AMPKα的磷酸化水平，但是与非转基因小鼠相比，MT显著减弱了自噬和自噬调节蛋白的变化，并且能对抗高血压引起的氧化应激，改善心肌细胞的收缩能力。

2.2 MT与阿尔茨海默病（AD）的关系

AD突出的病理特征是β-淀粉样蛋白（Aβ）在神经细胞外沉积，从而损坏周围神经细胞膜和线粒体膜，导致神经细胞的损伤。使用小动物渗透泵和大脑输液设备将Zn7MT-3作用于APP/PS1小鼠模型中枢神经系统，发现Zn7MT-3可通过调节金属稳态，消除Aβ斑块负荷，减少氧化应激和神经元细胞凋亡，从而显著改善海马形态和功能，提高转基因小鼠的认知功能。Zn3-βMT-3对Aβ有特异性的亲和力，通过二者的相互作用，可以产生稳定的Zn-MT-3/ a β复合物，有效地阻止高粘度体液中Cu-Aβ蛋白的形成，降低Cu2+诱导的Aβ神经毒性，减少活性氧的产生，减缓AD的发展，这对于研究制定MT3相关的AD治疗策略有重要的意义。

2.3 MT与糖尿病的关系

II型糖尿病（T2D）是由于机体对胰岛素抵抗（IR）所引起的全身性代谢性疾病，高水平的血糖可诱导ROS过度产生而导致氧化应激（OS）。MT可能通过抑制ROS/RNS对NF-κB信号通路的激活，降低一氧化氮合酶的活性，减少一氧化氮的产生，从而调控高血糖、高血脂引发的细胞死亡、炎症反应和纤维化，阻止糖尿病心肌病的发展。在糖尿病动脉粥样硬化患者中，MT2A基因中 rs 1610216基因AA基因型携带者血糖、糖化血糖蛋白、IL-6明显升高，Zn浓度降低，Zn浓度和血糖与糖尿病动脉粥样硬化存在显著相关，提示MT2A在-209 A / G位点的变异与锌浓度相关，并且影响炎症的发生，高血糖和糖化血红蛋白，增加动脉粥样硬化的风险。给予糖尿病模型动物补充锌诱导MT的表达，发现超氧化物歧化酶的活性增加，血清中谷胱甘肽浓度增加，丙二醛的浓度降低，脂质过氧化降低，保护肝脏免受氧化损伤。

2.4 MT与肿瘤的关系

MT的表达水平依不同肿瘤类型而不同，在乳腺癌、鼻咽癌、卵巢癌、膀胱癌、黑色素瘤中MT表达上调，而在其他癌症如肝细胞癌、前列腺癌、甲状腺乳头状癌中MT表达下调。在肺癌亚型中，MT在鳞状细胞肺癌和腺癌中表达水平较高，而在小细胞肺癌中不表达。MT的表达与多种肿瘤发生发展密切相关。MT-1F可以通过与转录激活因子SP1竞争性结合GCE启动子区重叠的结合基序，破坏SP1的功能，引起下游基因的转录抑制和肿瘤生长抑制。在人肝癌细胞系HepG2 中高水平表达MT-1F，转染的细胞生长速度变慢，细胞集落形成缓慢，生长能力下降。将转染的细胞注入小鼠体内，小鼠肿瘤开始生长时间和生长速度均慢于注射HepG2小鼠，且肝细胞癌MT-1F的基因表达低于癌旁组织及正常组织。有研究发现，MT2A通过增加MCF-7乳腺癌细胞中NF-κB 和 AP-1转录活性，诱导基质金属蛋白酶-9上调，增强乳腺癌细胞迁移和侵袭能力，而在沉默MT-2A基因的乳腺癌细胞则发生凋亡及生长停滞[11]。MT亚型的不同作用、MT在不同癌症类型的表达水平的不同，使MT成为潜在生物标志物的丰富来源。

2.5 MT与妊娠的可能关系

妊娠实质是一种半同种移植现象，其成功有赖于母-胎免疫平衡，鉴于MT抗氧化和免疫调控的生理功能特性，MT可能与妊娠、妊娠并发症存在一定的关联。子宫内膜的MT可能参与免疫介导的细胞凋亡，在输卵管妊娠孕妇的子宫内膜中可观察到MT免疫组化呈强免疫反应及CD3+細胞数量增加，并且免疫细胞浸润下降MT也会下降，而非孕妇的输卵管粘膜中没有发现MT介导的免疫反应。妊娠过程中氧化-抗氧化失衡，会导致母体ROS/RNS过量，并最终损伤血管内皮而可能发展为妊娠高血压或子痫前期等并发症。研究发现，孕妇吸烟摄入Cd可增加胎盘MT的量，这可能由通过胎盘屏障的Cd诱导产生，也可能来源于母体肝脏或肾脏已生成的Cd-MT再分布，并增加机体对ROS/RNS的清除，这可能是吸烟可降低子痫前期发生风险的原因之一。妊娠期间在孕激素的诱导下MT水平增加，储备锌以确保胎儿发育充分和保护胎儿免受重金属潜在暴露所产生的毒作用。在Cd暴露孕妇体内孕激素水平受干扰，可导致孕晚期MT水平下降而可能诱发妊娠高血压。此外，MT还可能通过直接清除有害物质以及释放锌离子拮抗毒物暴露所诱导的滋养细胞凋亡。

3. 小结与展望

半个多世纪以来人们对MT开展了广泛的研究，然而对MT生理学功能的了解仍远未清楚。MT涉及必需元素的代谢、细胞分化和存活及维持细胞氧化还原稳态作用以及多种重大疾病体现了MT在细胞生理过程和疾病发生发展中的多功能调控作用。多种应激和致病因素可诱导MT的特性使将MT发展为相关疾病的生物标志成为可能，进一步研究MT各亚型的表达调控、细胞定位及其与各种疾病的关系将有助于了解MT的生理和病理学功能。

参考文献

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通讯作者：黄波，桂林医学院公共卫生学院，2559341252@qq.com