金屬硫蛋白在代謝性疾病中的研究進(jìn)展

楊 燕

(蘭州大學(xué)第二醫(yī)院 內(nèi)分泌科，甘肅 蘭州 730030)

各種代謝性疾病，特別是肥胖癥(obesity)、非酒精性脂肪肝病(nonalcoholic fatty liver disease, NAFLD)和糖尿病(diabetic mellitus, DM)，與氧化應(yīng)激、慢性炎性反應(yīng)相關(guān)。金屬硫蛋白(metallothionein, MT)具有抗感染、抗氧化應(yīng)激損傷、抑制細(xì)胞凋亡等多重功效，現(xiàn)就MT在代謝性疾病中的作用及其機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 金屬硫蛋白(MT)的結(jié)構(gòu)和功能

MT是一類富含半胱氨酸的低分子金屬結(jié)合蛋白，在生理?xiàng)l件下，MT主要結(jié)合Zn，但在某些應(yīng)激情況下，結(jié)合的Zn可以被Cu、Cd和Fe等其他金屬所取代。很多外源刺激物包括Zn和Cu等金屬、活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)、炎性細(xì)胞因子和糖皮質(zhì)激素等可以誘導(dǎo)MT的合成，對(duì)鎘和汞引起的重金屬毒性、氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等相關(guān)損傷起到預(yù)防作用[1]。人類MT可分為4種亞型：MT-1、MT-2、MT-3和MT-4。其中，MT-1(MT-1A、1B、1E、1F、1G、1H、1M和 1X)和MT-2A在許多組織細(xì)胞(如肝、腎、腸、胰腺和前列腺)均有表達(dá)，MT-3主要出現(xiàn)在神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)，但在心臟、腎臟和胃組織中也有微量表達(dá)，MT-4在某些鱗狀上皮細(xì)胞中表達(dá)較高[2]。

2 金屬硫蛋白(MT)在代謝性疾病發(fā)生發(fā)展中的作用

2.1 肥胖人群MT的miRNAs

在人脂肪組織中可檢測(cè)到MT，并且其表達(dá)量在肥胖人群中高于非肥胖人群[1]。與非肥胖男性相比，MT-1G和MT-1X基因在肥胖男性中顯著下調(diào)，而且MT基因是一些與肥胖相關(guān)miRNAs(包括miR-27a-star、miR-23a-star、miR-296和miR-513a-3p)的靶基因，這些miRNAs在肥胖男性中表達(dá)上調(diào)，提示了miRNAs-MT功能的紊亂[2]。

與野生型(wild type，WT)小鼠相比，經(jīng)35周標(biāo)準(zhǔn)飲食喂養(yǎng)后，MT-1/MT-2敲除(MT-KO)小鼠白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)中的脂肪含量和脂肪細(xì)胞體積更大[3]，表明MT在兩性正常生長(zhǎng)期間具有限制脂肪組織發(fā)育的作用。與野生型小鼠相比,高脂飲食(high-fat diet ,HFD)喂養(yǎng)的MT-KO雌性小鼠的WAT質(zhì)量和體質(zhì)量均明顯增加，而HFD喂養(yǎng)的MT-KO雄性小鼠WAT質(zhì)量幾乎沒(méi)有增加。以上研究表明，MT可以增強(qiáng)雌激素的作用，從而抑制過(guò)量脂肪堆積，因此MT可能通過(guò)性激素發(fā)揮作用，改變肥胖的易感性。

MT-KO小鼠容易受到HFD誘導(dǎo)的影響，主要表現(xiàn)在體質(zhì)量增加和胰島素抵抗，其中與MT-1/2-KO小鼠相比，MT-3-KO小鼠受到的影響更大，體質(zhì)量增加更加明顯，胰島素抵抗更加嚴(yán)重，MT的缺失可能導(dǎo)致大腦負(fù)責(zé)代謝控制關(guān)鍵部位的線粒體功能受損，這表明MT通過(guò)保護(hù)下丘腦的線粒體功能和能量代謝，對(duì)HFD誘導(dǎo)的肥胖、胰島素抵抗及其代謝改變具有保護(hù)作用[4-5]。HFD喂養(yǎng)的MT-KO小鼠存在高瘦素血癥，WAT的瘦素mRNA表達(dá)增高，而下丘腦中瘦素受體水平顯著降低, 呈現(xiàn)瘦素抵抗?fàn)顟B(tài)，鋅可激活下丘腦細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase 1/2, Erk-1/2)的水平，并以Erk依賴的方式誘導(dǎo)瘦素受體表達(dá)。另外, 這些小鼠的中胚層特異轉(zhuǎn)錄體(mesoderm-specific transcript, MEST)的表達(dá)水平也顯著增高，伴隨著脂肪細(xì)胞的增大。這些數(shù)據(jù)表明，MT可能通過(guò)抑制MEST和瘦素信號(hào)，對(duì)HFD誘導(dǎo)的肥胖起到預(yù)防作用[1,5]。除此以外，肥胖引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，通過(guò)抑制胰島素受體信號(hào)導(dǎo)致胰島素抵抗，MT激活了胰島素信號(hào)通路，減少3T3-L1脂肪細(xì)胞中脂質(zhì)的積聚，抑制前脂肪細(xì)胞的增生[6]。

近來(lái)與肥胖相關(guān)的激素異常越來(lái)越受到人們的關(guān)注。肥胖常導(dǎo)致肥胖相關(guān)的心肌肥厚(obesity-related cardiac hypertrophy, ORCH)。MT缺失可以減低鋅對(duì)棕櫚酸誘導(dǎo)的小鼠心肌細(xì)胞BCL10和phospho-p38 MAPK上調(diào)的保護(hù)作用，補(bǔ)鋅通過(guò)激活MT，抑制氧化應(yīng)激介導(dǎo)的BCL10/CARD9/p38 MAPK信號(hào)激活來(lái)改善小鼠ORCH[7]。

2.2 非酒精性脂肪肝病(NAFLD)

NAFLD從單純脂肪變性進(jìn)展到非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis,NASH)、肝硬化和肝細(xì)胞癌，是慢性肝病的主要病因。研究發(fā)現(xiàn)NAFLD患者肝臟MT的合成減少[8]。肝臟中過(guò)表達(dá)的趨化因子配體1(C-X-C motif chemokine ligand 1, CXCL1)通過(guò)誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)、氧化應(yīng)激和激活應(yīng)激激酶，如凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1(apop-tosis signal-regulating kinase 1, ASK1), p38MAPK和C-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase, JNK)，促進(jìn)HFD喂養(yǎng)小鼠由單純脂肪變性向NASH的進(jìn)展，而IL-22可通過(guò)誘導(dǎo)MT-1和MT-2來(lái)逆轉(zhuǎn)這一進(jìn)程，提示MT在防治NAFLD中發(fā)揮重要的抗氧化作用[9]。

NAFLD患者體內(nèi)銅水平較低，而且肝臟和血清銅水平與NAFLD的進(jìn)展程度呈負(fù)相關(guān)。高果糖攝入能誘導(dǎo)肝臟脂質(zhì)合成和脂肪積聚，高果糖和低銅利用率是NAFLD的兩個(gè)重要危險(xiǎn)因素。研究表明，飲食中的果糖通過(guò)抑制十二指腸和空腸近端的銅轉(zhuǎn)運(yùn)體，減少腸道對(duì)銅的吸收，由銅調(diào)控的肝臟MT表達(dá)減少，高果糖喂養(yǎng)的大鼠服用降脂藥苯扎貝特其肝臟銅濃度增加，同時(shí)也檢測(cè)到肝臟MT表達(dá)的增加[8-10]。Zn是人體必需的微量元素，可作為許多酶和蛋白質(zhì)的輔助因子參與抗氧化、抗感染和抗凋亡作用。肝臟是調(diào)節(jié)鋅穩(wěn)態(tài)的重要器官，鋅也是正常肝功能所必需的。Zn缺乏與急性和慢性肝病狀態(tài)有關(guān)，補(bǔ)充鋅對(duì)實(shí)驗(yàn)性酒精動(dòng)物急性和慢性肝損傷具有保護(hù)作用。DM小鼠的肝臟呈現(xiàn)肝索紊亂，中度炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，肝細(xì)胞腫脹，嗜酸性染色降低，提示肝脂肪變性，Zn治療后肝臟的這些病理改變均有明顯改善，且肝內(nèi)膠原的積聚顯著減少。有研究也表明Zn能夠改善糖尿病小鼠肝臟的氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、細(xì)胞死亡、脂質(zhì)積累、炎性反應(yīng)和纖維化，這些保護(hù)作用與鋅誘導(dǎo)肝臟MT的表達(dá)上調(diào)有關(guān)[11]。

2.3 糖尿病(DM)

已報(bào)道人類MT基因啟動(dòng)子的多態(tài)性。MT-2A-5A/G(rs28366003)是位于MT-2A基因核心啟動(dòng)子區(qū)域的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism, SNP)，GA基因型被確定為DM的危險(xiǎn)因素。MT-2A 的-209A/G多態(tài)性(rs1610216)、+838G/C(rs10636)，MT-1A 的+647 A/C、rs8052394及MT-1B的rs11076161、rs964372多態(tài)性也與DM或其并發(fā)癥相關(guān)，其原因與這些多態(tài)性使細(xì)胞內(nèi)鋅穩(wěn)態(tài)失衡及氧化應(yīng)激有關(guān)[12-13]。

鋅在胰島素合成、儲(chǔ)存、分泌及胰島素受體信號(hào)傳導(dǎo)的生理作用中尤為重要，因此Zn缺乏可能通過(guò)促進(jìn)氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)，導(dǎo)致胰島素敏感性喪失，易發(fā)生DM及其并發(fā)癥，T2DM患者的血漿Zn濃度降低，由于調(diào)節(jié)攝取、儲(chǔ)存和分布Zn的MT的失調(diào)導(dǎo)致機(jī)體Zn穩(wěn)態(tài)失衡[14]，低劑量的Zn可上調(diào)胰腺、心肌、肝臟、腎臟組織及血管內(nèi)皮MT的表達(dá)，通過(guò)抑制氧化應(yīng)激和DNA損傷最終降低細(xì)胞毒性，而高劑量的Zn則通過(guò)Erk導(dǎo)致細(xì)胞毒性[15]。

氧化應(yīng)激是DM的重要啟動(dòng)因子，抗氧化劑可以預(yù)防它的發(fā)生。與肝臟和心臟等組織相比，胰腺含有較高水平的MT，胰腺中MT的高表達(dá)可能提示胰腺正常生理功能對(duì)MT的需求。MT-KO小鼠易形成肥胖和高胰島素血癥, 此外，盡管胰島素含量相似，MT-KO小鼠的基礎(chǔ)胰島素和最大胰島素釋放水平比野生型小鼠低得多,MT水平降低的2型糖尿病(T2DM)患者可能更容易受到氧化損傷而呈現(xiàn)高血糖，反之，腹腔注射Tat-MT融合蛋白可以減輕β細(xì)胞DNA損傷，降低血糖[16]。這些數(shù)據(jù)表明MT可作為抗氧化劑，清除ROS和活性氮(reactive nitrogen species, RNS)，防止蛋白巰基或核酸的氧化損傷，維持β細(xì)胞膜的完整性和分泌反應(yīng)。MT可通過(guò)調(diào)節(jié)MAPKs、Wnt、NF-κB、PI3K, Sirt-1/AMPK等信號(hào)通路減輕機(jī)體氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)；下調(diào)線粒體凋亡分子(Bax、caspase-3和caspase-9)和caspase-12, 減少細(xì)胞凋亡；抑制線粒體超氧化物的產(chǎn)生而影響氧化磷酸化能力；抑制C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein, CHOP)的表達(dá)減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等多種機(jī)制，從而改善DM及其并發(fā)癥包括糖尿病腎病、神經(jīng)病變和糖尿病心肌病的發(fā)生發(fā)展[13]。

有趣的是，最近的研究結(jié)果顯示在年幼的C57BL/6J小鼠(8周齡)中，胰腺β細(xì)胞特異性MT過(guò)表達(dá)可防止鏈球菌素誘導(dǎo)的早期氧化損傷，但在成年C57BL/6J小鼠(18周齡)中則觀察到MT過(guò)表達(dá)損害了葡萄糖刺激的胰島素分泌(glucose stimu-lates insulin secretion, GSIS)水平，促進(jìn)DM的發(fā)展，且雄性小鼠損傷更嚴(yán)重，表明MT在C57BL/6J小鼠胰腺β細(xì)胞中呈現(xiàn)了與年齡相關(guān)的雙重對(duì)立作用[17]。另一項(xiàng)研究顯示，肥胖小鼠的胰島β細(xì)胞功能尚處于代償階段，MT-1和MT-2 mRNA水平降低，而糖尿病db/db小鼠β細(xì)胞的功能衰竭，MT-1和MT-2 mRNA水平升高，與非糖尿病者相比，T2DM患者胰島中的MT-1X mRNA水平顯著上調(diào)。MT-1敲除小鼠的GSIS水平增加，葡萄糖耐量得到改善，而MT-1過(guò)表達(dá)則衰減了小鼠的胰島素分泌反應(yīng)，進(jìn)一步機(jī)制研究顯示，MT-1并不是通過(guò)改變細(xì)胞內(nèi)葡萄糖代謝、游離Ca離子、Zn離子水平或者胰島素含量等經(jīng)典途徑調(diào)節(jié)胰島細(xì)胞功能的。這些數(shù)據(jù)表明MT-1是胰島素分泌的負(fù)調(diào)節(jié)因子，抑制MT-1可能是T2DM維持和恢復(fù)胰島素分泌的一個(gè)強(qiáng)有力的治療靶點(diǎn)[18]。

3 問(wèn)題與展望

代謝性疾病是當(dāng)前的一個(gè)公共健康問(wèn)題，可能涉及多種機(jī)制，其中氧化應(yīng)激和慢性炎性反應(yīng)可能是這類疾病發(fā)生的共同病因。MT具有抗氧化應(yīng)激、抗感染、抑制細(xì)胞凋亡等多方面的功能，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床試驗(yàn)的許多數(shù)據(jù)證明了MT對(duì)肥胖癥、NAFLD和DM及并發(fā)癥的保護(hù)作用，這將為人類代謝性疾病的治療提供新的臨床方法。但是，由于受到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的年齡、病程及糖尿病患者病情、鋅的補(bǔ)充形式和MT的不同亞型的表達(dá)等因素的影響，研究中出現(xiàn)了一些矛盾的結(jié)果。因此，有必要改進(jìn)研究方法，對(duì)MT在代謝性疾病中的作用進(jìn)行深入研究，同時(shí)在臨床實(shí)踐中，還需要更多的流行病學(xué)及多中心的數(shù)據(jù)才能為疾病的治療提供新的方向。