金屬硫蛋白與腫瘤的關系研究

沈齊

摘要：金屬硫蛋白廣泛存在于自然界及生物界中，目前認為金屬硫蛋白是一類低分子量、富含半胱氨酸的內源性小分子蛋白物質，其具有較為獨特的結構特征、理化性質及生物學特性。研究發現其在多種疾病的發生發展、發病機制、診療及藥物耐藥性等方面發揮著重要的作用，目前尤其是對于金屬硫蛋白與各種腫瘤的發病機制、發生發展、診斷治療、預后評估及抗腫瘤藥物耐藥性等關系的研究方面，逐漸受到愈來愈多的關注。本文主要對金屬硫蛋白的結構與功能、主要生物學功能及其與腫瘤的關系進行綜述。

關鍵詞：金屬硫蛋白;腫瘤;生物學功能

中圖分類號：R730.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2019.16.016

文章編號：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）最早由美國哈佛大學的Margashe和Valle兩位學者，在1957年通過分離蓄積鎘的馬腎而發現的一種新物質[1]。金屬硫蛋白的發現引起了廣泛的關注，之后大量的科學家、醫學家們對其組成、結構、分布及生物特性等進行了大量深入的研究。研究發現金屬硫蛋白廣泛存在于自然界及生物界中，目前研究認為金屬硫蛋白涉及醫藥衛生學、分子生物學、衛生毒理學、營養學、食品科學、農業學、環境科學等諸多重要的學科領域，其具有較為獨特的結構特征、理化性質及生物學特性等，正是因為它具備的這些特點，其在多種疾病的發生發展、發病機制、診療及藥物耐藥性等方面其發揮著重要的作用。基于此，本文主要對金屬硫蛋白的結構與功能、主要生物學功能及其與腫瘤的關系進行綜述。

1金屬硫蛋白的結構與功能

1.1金屬硫蛋白的結構? 金屬硫蛋白是一類低分子量，富含半胱氨酸的內源性小分子蛋白質，能夠和某些具有親電性質的金屬（例如：鎘、鉑、銅、鋅等）、自由基團、一些細胞的代謝產物等物質結合，進而在細胞內鋅、銅等必需微量元素的存儲、各種金屬物質穩態的調節、某些有毒性的金屬物質的解毒及對抗體內自由基氧化等方面起著重要作用[2]。一般來說，哺乳動物金屬硫蛋白的基因包含5'非翻譯區、5'側翼區、3個外顯子、2個內含子、3'-UTR（即3'非翻譯區）和3'端，其中在5'側翼區有調節原件，包括一個或多個的金屬效應原件（MRE）、晚期轉錄因子/抗氧化效應復合原件（MLTF/ARE）、白介素-6（IL-6）效應原件及糖皮質激素效應原件（GRE）等，3'非翻譯區有AATAA多聚腺苷酸特征結構。金屬硫蛋白為單條多肽鏈，分子量為6～7 KD，等電點約為pH4～4.5，MT的分子構象較為牢固，生物學特性比較穩定，抗酶解，也較耐熱，而且因為其氨基酸的排列具有重復性，所以當有部分氨基酸鏈斷裂后，其仍有一部分活性[2]。金屬硫蛋白是由61個氨基酸組成的，其中約包含20個（30%）半胱氨酸（Cys），并且所有的半胱氨酸都是以還原的狀態存在，這20個半胱氨酸可通過巰基與7～12個金屬離子形成共價結合。每個金屬離子都可以與四個Cys的-SH絡合，這構成了金屬硫四面體絡合結構，其正是前面提到的MT具有抗酶解性及耐熱性的原因。金屬硫蛋白的三級結構為啞鈴形，與金屬離子結合的區域有兩個，分布在其兩端，分別為N端的β-結構域，即為第1～30氨基酸，包含9個半胱氨酸，可以結合3～6個金屬離子，并且優先結合Zn2+、Cu2+;C端的α-結構域，即為第31～61氨基酸，包含11個半胱氨酸殘基，可以結合4～6個金屬離子，并且優先結合Cd2+。因為金屬硫蛋白的分子組成中沒有芳香族氨基酸，所以其在280 nm處見不到吸收峰，又因為其可以與多種金屬離子結合，所以可以見到特殊的吸收峰，如Cu2+，其吸收峰在275 nm處，Zn2+吸收峰在220 nm處。金屬硫蛋白家族因為其所帶電荷的不同，分為四種異構體：MT-1、MT-2、MT-3和MT-4，而每種異構體又包含多種不同的亞型。MT-1和MT-2與大多數物種的多種器官、多種細胞的發育等過程密切相關，它們分布比較廣泛[3]，主要存在于哺乳動物、原生動物及一些無脊椎動物等中，MT-3與MT-1和MT-2相比，其含有一個高度可變的區域（約為7個氨基酸），MT-3被稱為生長抑制因子（GIF），其只在神經組織中表達，中樞神經系統中有MT-1、MT-2和MT-3表達，其中MT-1和MT-2主要表達于星形細胞、軟腦膜和脈絡叢上皮等部位，而MT-3主要表達于海馬區的椎體細胞、齒狀回的顆粒細胞及大腦皮層等部位，它的這種特異分布可能預示其對腦功能的特殊意義[4]。MT-4主要存在于鱗狀上皮中，如食管、口腔黏膜等鱗狀上皮中，與這些細胞的分化有著密切的關系。人類的金屬硫蛋白基因位于第16號染色體上，包含10個功能性基因及7個非功能性的基因，其中功能性基因亞型有：MT-1A、MT-1E、MT-1F、MT-1H、MT-2A、MT-3等。

1.2金屬硫蛋白的主要生物學功能? 金屬硫蛋白的生物學功能到目前為止仍未能完全明確，但目前研究較為透徹的有以下幾項：①參與體內一些重要微量元素的儲存、代謝等，并解除某些重金屬的毒性。研究發現，體內鋅離子水平與金屬硫蛋白的表達呈正相關，體內金屬硫蛋白的功能狀態與細胞內高鋅或低鋅時機體耐受情況有密切關系[5];金屬硫蛋白可以根據機體內各種金屬離子的濃度，然后與不同的金屬離子保持游離狀態或者結合狀態以維持各種金屬離子在機體內的相對穩態[6];而當某些重金屬，如鉛、鎘、汞等進入機體后，金屬硫蛋白會與其結合進而形成穩定結構，并可以將它們排出機體外，避免了其對機體細胞造成的毒害，以保護腦、腎等各種重要器官。②不斷清除機體內的自由基，對抗氧化，有效防止衰老的功能。金屬硫蛋白對自由基（如氧自由基、羥自由基等）的清除能力較強，有研究顯示金屬硫蛋白清除羥自由基的能力達到SOD的1000倍[3];由電離輻射引起的脂質過氧化反應而產生的MDA等代謝終產物，可以用來反應機體受自由基損傷的不同程度，研究發現[7]，受X線照射的實驗小鼠口服含金屬硫蛋白的奶粉后，與對照組相比，其肝臟、腎臟內的MDA代謝產物明顯偏低，而且發現體內SOD、GSH-Px等抗氧化酶的活性明顯增強，因此可以總結出金屬硫蛋白可以清除機體內自由基，增強抗氧化能力，從而對機體進行保護;吳華等[3]還發現外源性鋅金屬硫蛋白對放化療引起的細胞損傷有保護作用。③參與機體的應激反應。有研究顯示，在多種不同的應激狀態下，如休克、高溫、寒冷、創傷等，均可以使體內金屬硫蛋白的含量出現不同程度的增高;另外，與應激反應相關的各種激素，如體內腎上腺素、糖皮質激素等較前有所增高時，機體內的金屬硫蛋白含量也會隨之增高。④MT-3在神經系統方面的功能。MT-3被稱為生長抑制因子（GIF），而且其只在神經組織中表達，可抑制神經生長，但MT-3對神經也有保護作用，其參與神經的再生，與某些神經系統疾病的發生有密切關系[5]。⑤金屬硫蛋白也參與細胞增值、凋亡等的調節。

2金屬硫蛋白與腫瘤的關系

金屬硫蛋白在哺乳動物中的合成部位主要是在肝臟，而且在機體細胞、組織再生和發育時，金屬硫蛋白的合成是增加的。同時許多內、外源性因素都可以誘導其合成，例如：腫瘤因子、重金屬、激素及應激等，目前認為，上述這些誘導均是發生在基因的轉錄水平。近些年來，愈來愈多的研究發現金屬硫蛋白與腫瘤的關系非常密切，它不僅參與腫瘤發生、發展及預后等，而且與腫瘤細胞的分化、某些化療藥物的耐藥性也密切相關。

2.1金屬硫蛋白在腫瘤中的表達? 金屬硫蛋白在多種惡性腫瘤中都呈現高水平的表達，由此推測金屬硫蛋白可能為某些惡性腫瘤的生物學標志，可能會幫助判斷和評估一些惡性腫瘤及其惡性程度等，目前已經明確在頭頸部某些惡性腫瘤中，金屬硫蛋白的表達與其惡性程度呈正相關[5]。研究發現，金屬硫蛋白在甲狀腺癌、膀胱癌、消化道腫瘤等多種惡性腫瘤中呈高水平的表達[6]。另有研究發現，金屬硫蛋白在食管鱗狀細胞癌中的表達水平明顯高于正常的食管的上皮;金屬硫蛋白在結、直腸癌中的表達明顯高于正常的結、直腸組織;金屬硫蛋白在骨肉瘤中也呈高表達[7]。另外，有研究發現，MT-2A在乳腺癌中呈高表達[8]，乳腺癌患者血清MT-1E也高表達[9]。現關于金屬硫蛋白各亞型的研究仍較少，需進一步深入研究各亞型在不同腫瘤中的表達及其意義等。另外，研究還發現，并不是在所有的腫瘤中金屬硫蛋白都表現為升高，在某些腫瘤中，其也可表現為降低，盧麗斯等[10]發現MT-1在原發性肝細胞癌組織中的表達較癌旁組織中降低。金屬硫蛋白在肺癌的病理組織中是普遍下降的[11]，但丁瑞敏的研究發現在晚期NSCLC患者外周血中MT升高[12]，并且MT-1X在NSCLC患者中陽性表達與患者術后生存期短顯著相關[13]。目前的研究表明，金屬硫蛋白在多種腫瘤中的高水平表達可能為基因的轉錄水平出現調節障礙所導致。鋅等金屬離子的濃度在很大程度上決定了細胞的增殖速度，腫瘤細胞的細胞核內含有大量的金屬離子，通過調節DNA和RNA的合成來參與DNA和RNA的聚合激活和DNA結合蛋白的合成等過程，而金屬硫蛋白對鋅離子有重要的調節功能，因此可以認為金屬硫蛋白與腫瘤細胞的增殖有密切關系。金屬硫蛋白對腫瘤細胞的凋亡有抑制作用，一方面，金屬硫蛋白與鋅離子的相互作用可以抑制腫瘤細胞發生凋亡;另一方面，金屬硫蛋白有清除體內自由基的作用，因此可以抑制自由基引起的、作用于DNA鏈所誘導的細胞凋亡。研究還發現機體組織出現感染、炎癥、損傷時釋放的某些細胞因子（如IL-1、IFN-α等），可誘導金屬硫蛋白的合成[14]，有研究發現MT-2在小鼠的炎癥相關性結腸癌中表達的正相關性提示它可能在結腸炎癥促進癌變這一過程中起到一定作用[15]。此外，目前還有學者認為在發生腫瘤時，金屬硫蛋白升高可能是因為機體細胞在受到各種致癌物質刺激后，清除致癌物質的一種保護機制。

2.2金屬硫蛋白與腫瘤病理的關系? 目前研究發現，腫瘤中金屬硫蛋白的含量與一些腫瘤的病理分化程度有密切關系，就多數腫瘤而言，金屬硫蛋白的表達與腫瘤的分化程度為負相關。有研究發現，在睪丸癌患者中，金屬硫蛋白在分化較好的精原細胞瘤中表達為陰性或者弱陽性，而金屬硫蛋白在分化較差的胚胎性腫瘤中則表達為強陽性。另外，腫瘤中金屬硫蛋白的含量與其預后也有密切關系，有研究發現金屬硫蛋白可能是腺樣囊性癌的預后指標[16]，Poulsen CB等[17]研究表明MT-1可能是彌漫性大B細胞淋巴瘤的獨立危險因素。同時值得注意的是，金屬硫蛋白與腫瘤的臨床分期及淋巴結轉移等也有著重要的關系，有學者報道金屬硫蛋白在甲狀腺乳頭狀癌中與淋巴結轉移有密切關系[6]，金屬硫蛋白可能對低氧誘導的甲狀腺乳頭狀癌細胞侵襲轉移具有促進作用[18]，與現有標志物聯合，金屬硫蛋白可用于睪丸生長細胞腫瘤的分期鑒定[19]。

2.3金屬硫蛋白與腫瘤耐藥的關系? 有研究表明，機體內金屬硫蛋白的升高可能會引起化療藥物的耐藥性，金屬硫蛋白能夠保護腫瘤血管的周圍細胞，可以減少化療藥物向腫瘤的血管周圍擴散，進而降低了藥物的作用。還有研究發現，金屬硫蛋白的重金屬解毒作用及其可以清除自由基的作用等會使某些化療藥物，例如他莫昔芬產生耐藥[20]。金屬硫蛋白也可以使臨床治療腫瘤應用非常廣泛的順鉑產生明顯的耐藥，但彭波等[20]發現MT-1X可部分逆轉肺癌細胞（A549/DDP）對順鉑的耐藥。另外還有研究發現MT-1G通過抑制鐵死亡促進肝癌細胞索拉非尼耐藥[21]。

3總結

對金屬硫蛋白的研究已有半個多世紀，而且已有很多研究成果，尤其在金屬硫蛋白與腫瘤的關系方面，更是取得了較為突出的成績，目前的研究揭示了金屬硫蛋白在腫瘤發生、發展中具有重要的作用，為腫瘤的診斷、治療及預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決的問題和繼續深入研究的空間，例如：金屬硫蛋白在各種組織、器官中的分布及其含量，影響它表達的因素;金屬硫蛋白在體內的具體代謝路徑;金屬硫蛋白在各種疾病的發生、發展中的作用機制;金屬硫蛋白的亞型在腫瘤中的表達具有特異性，可能會成為臨床腫瘤診斷的輔助指標;根據金屬硫蛋白的生物學特性，開發治療腫瘤的新型藥物等。金屬硫蛋白因其獨特的生物學特性，具備非常廣闊的科研價值和臨床應用前景，相信隨著研究方法的改進和對金屬硫蛋白研究的不斷深入，未來金屬硫蛋白一定會在醫學領域發揮強大的作用。

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收稿日期：2019-4-18;修回日期：2019-5-6

編輯/錢洪飛