韋淑丹 黃波
【摘要】金屬硫蛋白(Metallothionein,MT)是一類廣泛存在、結(jié)構(gòu)高度保守的抗氧化應(yīng)激分子,參與重金屬解毒、氧化損傷解毒、儲存金屬及調(diào)節(jié)代謝。MT與疾病發(fā)病過程密切相關(guān)。MT基因表達調(diào)控通過轉(zhuǎn)錄水平上進行,與金屬、糖皮質(zhì)激素及血清反應(yīng)元素順式作用,與金屬調(diào)節(jié)蛋白反式作用達到調(diào)節(jié)作用。文章就結(jié)合臨床相關(guān)文獻研究進行以下總結(jié),以期后續(xù)學(xué)者深入分析提供理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】金屬硫蛋白;細胞生理;疾病;多功能調(diào)控
課題名稱:“基于出生隊列的環(huán)境-遺傳交互作用對妊娠與出生結(jié)局影響的研究”
項目批準號:2018AB62004,2019.9-2021.12,主持,廣西重點研發(fā)項目
金屬硫蛋白(Metallothionein,MT)是一類可與金屬結(jié)合、富含半胱氨酸(約占總氨基酸殘基30%)和低分子量(0.5-15 kDa)的蛋白質(zhì)。MT最早在馬的腎皮質(zhì)中被分離提純,隨后發(fā)現(xiàn)MT存在于各種屬及各組織臟器中,呈現(xiàn)高度的進化保守性。雖然已有證據(jù)提示MT涉及金屬代謝、解毒、維護氧化還原穩(wěn)態(tài)、細胞存活于分化、抗炎和免疫反應(yīng)等[3],但其確切生理功能和病理學(xué)作用尚未完全闡明。為增加對MT的認識,本文對MT在細胞生理過程和疾病發(fā)生發(fā)展中的多功能調(diào)控作用做一綜述。
1 金屬硫蛋白的表達
MT可分為MT1、MT2、MT3和MT4等四個亞家族,廣泛存在于動植物。其中人MT共有11種功能性亞型,即MT-1A、B、E、F、G、H、M和X、MT2A、MT-3和MT-4,以及7個非功能亞型(MT1C、MT1D、MT1I、MT1J、MT1L、MT1P和MT2B)。MT-1和MT-2基因的啟動子中含有調(diào)控其表達的TATA盒、GC盒和基礎(chǔ)水平元件(BLE),此外還含有幾個特異性調(diào)控元件如金屬應(yīng)答元件(MRE)、抗氧化物應(yīng)答元件(ARE)、糖皮質(zhì)激素應(yīng)答元件(GRE)和甲狀腺素應(yīng)答元件(TRE),一些應(yīng)激因素(金屬、激素、缺氧、炎癥等)可通過介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子與上述MT基因啟動子的應(yīng)答元件結(jié)合,在轉(zhuǎn)錄水平上誘導(dǎo)MT的合成并受啟動子區(qū)域CpG甲基化的調(diào)控。在MT1表達水平低的細胞中,MT1啟動子某些區(qū)域CpG位點趨向于甲基化,而在高表達MT1的細胞中,MRE區(qū)域的CpG位點完全去甲基化。在胃癌組織中,MT3表達顯著降低與MT3內(nèi)含子1的CpG島高度甲基化有關(guān)。
2. MT在病理學(xué)過程的作用
2.1 MT與心血管疾病的關(guān)系
心血管疾病的發(fā)生發(fā)展與氧化應(yīng)激和慢性炎性有關(guān),MT高水平表達可改善心肌收縮功能,并減少心肌梗死面積。研究發(fā)現(xiàn),MT-2A可通過上調(diào)JNK磷酸化水平從而消除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERS)引起的心肌細胞功能障礙,減弱ERS對心臟收縮的抑制和左心室擴張。還可以通過抑制CCAAT/增強子結(jié)合蛋白同源蛋白的表達,增強心肌細胞活力,抑制細胞凋亡,從而預(yù)防心肌細胞損傷。在經(jīng)L-NAME誘導(dǎo)的高血壓實驗中,MT高表達的轉(zhuǎn)基因小鼠雖然不能改變自噬標志物L(fēng)C3B、p62的蛋白表達水平和自噬信號分子AMPKα的磷酸化水平,但是與非轉(zhuǎn)基因小鼠相比,MT顯著減弱了自噬和自噬調(diào)節(jié)蛋白的變化,并且能對抗高血壓引起的氧化應(yīng)激,改善心肌細胞的收縮能力。
2.2 MT與阿爾茨海默?。ˋD)的關(guān)系
AD突出的病理特征是β-淀粉樣蛋白(Aβ)在神經(jīng)細胞外沉積,從而損壞周圍神經(jīng)細胞膜和線粒體膜,導(dǎo)致神經(jīng)細胞的損傷。使用小動物滲透泵和大腦輸液設(shè)備將Zn7MT-3作用于APP/PS1小鼠模型中樞神經(jīng)系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)Zn7MT-3可通過調(diào)節(jié)金屬穩(wěn)態(tài),消除Aβ斑塊負荷,減少氧化應(yīng)激和神經(jīng)元細胞凋亡,從而顯著改善海馬形態(tài)和功能,提高轉(zhuǎn)基因小鼠的認知功能。Zn3-βMT-3對Aβ有特異性的親和力,通過二者的相互作用,可以產(chǎn)生穩(wěn)定的Zn-MT-3/ a β復(fù)合物,有效地阻止高粘度體液中Cu-Aβ蛋白的形成,降低Cu2+誘導(dǎo)的Aβ神經(jīng)毒性,減少活性氧的產(chǎn)生,減緩AD的發(fā)展,這對于研究制定MT3相關(guān)的AD治療策略有重要的意義。
2.3 MT與糖尿病的關(guān)系
II型糖尿?。═2D)是由于機體對胰島素抵抗(IR)所引起的全身性代謝性疾病,高水平的血糖可誘導(dǎo)ROS過度產(chǎn)生而導(dǎo)致氧化應(yīng)激(OS)。MT可能通過抑制ROS/RNS對NF-κB信號通路的激活,降低一氧化氮合酶的活性,減少一氧化氮的產(chǎn)生,從而調(diào)控高血糖、高血脂引發(fā)的細胞死亡、炎癥反應(yīng)和纖維化,阻止糖尿病心肌病的發(fā)展。在糖尿病動脈粥樣硬化患者中,MT2A基因中 rs 1610216基因AA基因型攜帶者血糖、糖化血糖蛋白、IL-6明顯升高,Zn濃度降低,Zn濃度和血糖與糖尿病動脈粥樣硬化存在顯著相關(guān),提示MT2A在-209 A / G位點的變異與鋅濃度相關(guān),并且影響炎癥的發(fā)生,高血糖和糖化血紅蛋白,增加動脈粥樣硬化的風(fēng)險。給予糖尿病模型動物補充鋅誘導(dǎo)MT的表達,發(fā)現(xiàn)超氧化物歧化酶的活性增加,血清中谷胱甘肽濃度增加,丙二醛的濃度降低,脂質(zhì)過氧化降低,保護肝臟免受氧化損傷。
2.4 MT與腫瘤的關(guān)系
MT的表達水平依不同腫瘤類型而不同,在乳腺癌、鼻咽癌、卵巢癌、膀胱癌、黑色素瘤中MT表達上調(diào),而在其他癌癥如肝細胞癌、前列腺癌、甲狀腺乳頭狀癌中MT表達下調(diào)。在肺癌亞型中,MT在鱗狀細胞肺癌和腺癌中表達水平較高,而在小細胞肺癌中不表達。MT的表達與多種腫瘤發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。MT-1F可以通過與轉(zhuǎn)錄激活因子SP1競爭性結(jié)合GCE啟動子區(qū)重疊的結(jié)合基序,破壞SP1的功能,引起下游基因的轉(zhuǎn)錄抑制和腫瘤生長抑制。在人肝癌細胞系HepG2 中高水平表達MT-1F,轉(zhuǎn)染的細胞生長速度變慢,細胞集落形成緩慢,生長能力下降。將轉(zhuǎn)染的細胞注入小鼠體內(nèi),小鼠腫瘤開始生長時間和生長速度均慢于注射HepG2小鼠,且肝細胞癌MT-1F的基因表達低于癌旁組織及正常組織。有研究發(fā)現(xiàn),MT2A通過增加MCF-7乳腺癌細胞中NF-κB 和 AP-1轉(zhuǎn)錄活性,誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶-9上調(diào),增強乳腺癌細胞遷移和侵襲能力,而在沉默MT-2A基因的乳腺癌細胞則發(fā)生凋亡及生長停滯[11]。MT亞型的不同作用、MT在不同癌癥類型的表達水平的不同,使MT成為潛在生物標志物的豐富來源。
2.5 MT與妊娠的可能關(guān)系
妊娠實質(zhì)是一種半同種移植現(xiàn)象,其成功有賴于母-胎免疫平衡,鑒于MT抗氧化和免疫調(diào)控的生理功能特性,MT可能與妊娠、妊娠并發(fā)癥存在一定的關(guān)聯(lián)。子宮內(nèi)膜的MT可能參與免疫介導(dǎo)的細胞凋亡,在輸卵管妊娠孕婦的子宮內(nèi)膜中可觀察到MT免疫組化呈強免疫反應(yīng)及CD3+細胞數(shù)量增加,并且免疫細胞浸潤下降MT也會下降,而非孕婦的輸卵管粘膜中沒有發(fā)現(xiàn)MT介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。妊娠過程中氧化-抗氧化失衡,會導(dǎo)致母體ROS/RNS過量,并最終損傷血管內(nèi)皮而可能發(fā)展為妊娠高血壓或子癇前期等并發(fā)癥。研究發(fā)現(xiàn),孕婦吸煙攝入Cd可增加胎盤MT的量,這可能由通過胎盤屏障的Cd誘導(dǎo)產(chǎn)生,也可能來源于母體肝臟或腎臟已生成的Cd-MT再分布,并增加機體對ROS/RNS的清除,這可能是吸煙可降低子癇前期發(fā)生風(fēng)險的原因之一。妊娠期間在孕激素的誘導(dǎo)下MT水平增加,儲備鋅以確保胎兒發(fā)育充分和保護胎兒免受重金屬潛在暴露所產(chǎn)生的毒作用。在Cd暴露孕婦體內(nèi)孕激素水平受干擾,可導(dǎo)致孕晚期MT水平下降而可能誘發(fā)妊娠高血壓。此外,MT還可能通過直接清除有害物質(zhì)以及釋放鋅離子拮抗毒物暴露所誘導(dǎo)的滋養(yǎng)細胞凋亡。
3. 小結(jié)與展望
半個多世紀以來人們對MT開展了廣泛的研究,然而對MT生理學(xué)功能的了解仍遠未清楚。MT涉及必需元素的代謝、細胞分化和存活及維持細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)作用以及多種重大疾病體現(xiàn)了MT在細胞生理過程和疾病發(fā)生發(fā)展中的多功能調(diào)控作用。多種應(yīng)激和致病因素可誘導(dǎo)MT的特性使將MT發(fā)展為相關(guān)疾病的生物標志成為可能,進一步研究MT各亞型的表達調(diào)控、細胞定位及其與各種疾病的關(guān)系將有助于了解MT的生理和病理學(xué)功能。
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通訊作者:黃波,桂林醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院,2559341252@qq.com