金属硫蛋白与神经系统疾病

1、金属硫蛋白与神经系统疾病1957年Margoshes 和Vallee在马的肾皮质中首先发现了金属硫蛋白（MT）。随后的研究证实MT是一种广泛存在于细菌、真菌、植物和真核生物中的高度保守的细胞内蛋白质，具广泛的生物学特性，如参与金属离子Cu2+、Zn2+的稳态的维持，抗氧自由基损伤和参与调节谷氨酸能和-氨基丁酸能神经元的活动等。尽管如此，MT在神经系统中的作用只在近几年才引起人们的重视。本文就MT分类与生物学特性，MT在脑内的分布，以及MT与神经系统疾病的关系进行综述。 1MT的分类与生物学特性MT是一组分子量为60007000道尔顿，富含半胱氨酸，由6168个氨基酸组成的蛋白质。现已知MT家族

2、中包括MT-1，MT-2，MT-3，MT-4四种亚型，其中MT-1和MT-2存在于各种组织中，MT-3仅在脑组织中表达，MT-4则仅在复层磷状上皮中表达。研究表明人类的MT基因位于16号染色体上，而小鼠的MT基因则位于第8号染色体。MT 4种异构体的主要区别在于它们所含的部分氨基酸的不同，如MT-1和MT-2均含有62个氨基酸，而脑特异性MT-3则多7个氨基酸，其N-末端为苏氨酸，C-末端为6个由谷氨酸和丙氨酸组成的氨基酸。MT-3最早被发现是一种具有抑制神经细胞生长而被称之为生长抑制因子（GIF），因其具有与MT-1、MT-2相似的结构而被命名为MT-31。近年的研究认为MT在金属解毒作用和

3、金属离子稳态维持方面起重要作用。在实验中观察到因DNA突变或DNA甲基化不能合成MT的细胞对金属离子毒性作用的易感性增强。相反，通过基因扩增方法使细胞能更多表达MT基因的细胞则有更强的抗金属离子的毒性作用。同样，在过度表达MT-1的转基因小鼠中也观察到MT具有抵抗镉的毒性作用。说明MT是有保护细胞和动物抵抗某些重金属的毒性作用2，3。很多因素可影响脑内MT的表达。已知一些重金属离子Cu2+、Zn2+，糖皮质激素和儿茶酚胺参与调控脑内MT-1和MT-2的水平，但这些因素不能调节MT-3的水平，说明MT-3与MT-1、MT-2有着不同的调节方式。内毒素可明显增加脑内MT-1 mRNA以及MT-1和

4、MT-2的含量，其可能机制为内毒素通过刺激细胞因子如白细胞介素-6的生成增加，而诱导脑内MT-1和MT-2的合成增加。在表达IL-6转基因小鼠中发现小脑、脑干、下丘脑等组织MT-1和MT-2含量明显增加，说明脑内MT-1和MT-2表达增加与炎症反应有关。研究发现脑内MT-1的增加可减少MT-3的含量，即在脯氨酸诱导大鼠大脑皮层MT-1 mRNA增加的同时，海马区MT-3 mRNA含量下降，导致这种现象发生的原因可能是由于脯氨酸引起Zn2+在脑内局限性集中，继而引起MT-3在脑内分布发生改变47。此外，研究发现脑内MT含量与年龄及性激素水平有密切关系，MT-1和MT-3 mRNA 含量在3月龄小

5、鼠脑中增加，在6月龄小鼠脑中减少，称之为年龄性下调作用；Ono等在实验中观察到过度表达MT-1的雄性小鼠，其脑内MT增加集中在小脑，而雌性小鼠各脑区MT含量均见增多，说明性激素对MT mRNA转导以及MT蛋白的表达有潜在的调节作用8,9。2MT在脑内的分布应用免疫组化和原位杂交方法研究结果表明MT广泛存在于人和鼠大脑皮层、基底神经节、丘脑、海马、嗅球、小脑和脑干组织中。 MT 阳性细胞主要为星形胶质细胞，而脑组织中少突胶质细胞、神经胶质细胞和神经元中均未发现MT-1和MT-2。研究发现脑内存在3种MT异构体，它们在脑组织中的分布亦不相同，MT-1和MT-2在大脑皮层和基底节的含量较高，MT-3

6、在大脑皮层的含量较低，而在海马齿状回的颗粒细胞层中占优势；在嗅球3种MT的表达较其它部位相对较高，说明了各种MT异构体在脑内具有不同的调控方式和不同的生理功能。利用转基因技术研究脑内各种MT不同的异构体含量，结果表明在MT-1/MT-2缺乏大鼠（仅表达MT-3和MT-4），脑组织中MT含量较正常对照鼠明显减少，脑内MT中MT-3大约占65%，而且这些缺乏MT-1/MT-2大鼠脑内MT-3在大脑皮层和纹状体内明显增高，说明了不同种类大鼠、不同脑区、不同类型MT 的含量并不相同9。3MT与神经系统疾病的关系3.1MT参与了Alzheimer 病的发病过程Alzheimer病的病理学特征是在病变部位

7、出现大量的反应性星形胶质细胞增生、A4 淀粉样沉积和神经原纤维缠结，导致这种星形胶质细胞增生的原因尚未阐明。近年的研究表明，A4 淀粉样沉积可能参与病变部位星形胶质细胞的增生过程。在正常脑组织中，MT-1和MT-2仅出现于星形胶质细胞中，而不出现于神经元内。应用MT抗体检测发现Alzheimer病患者大脑皮层、脑白质以及小脑均出现MT特征性的表达，在星形胶质细胞和微小毛细血管细胞出现MT-1和MT-2的表达；同样，在患者小脑颗粒细胞层也有MT-1和MT-2表达，但在小脑的分子细胞层则不表达。说明MT参与了Alzheimer病的发病过程10。3.2MT对癫痫发作的作用近年的研究认为星形胶质细胞表

8、达载脂蛋白J（apoJ）和MT-2的变化可能导致癫痫的发生。在大鼠癫痫持续状态的实验中发现，实验后7天大脑皮层和海马组织中apoJ mRNA含量增加77%和64%，而MT-2 mRNA含量仅在海马中增加62%。导致这种持续性MT-2 mRNA表达增加可能是由于海马组织中Zn2+的稳态失衡，未恢复到正常状态，或是由于星形胶质细胞表型发生改变的结果11。Erickson等利用缺乏MT-3小鼠和MT-3过度表达小鼠进行实验，发现缺乏MT-3鼠首次癫痫发作的潜伏期缩短，发作时间延长，同时形态学观察海马区神经元皱缩比例增多；而过度表达MT-3鼠海马区神经元死亡数明显减少，说明MT-3对癫痫发作及其伴随的

9、神经元损伤有保护作用12。3.3MT对脑缺血的作用 脑缺血缺氧可导致大量自由基生成，最终引起神经元坏死，加重脑损害。体外实验研究结果表明MT是有效的自由基和重金属离子的解毒剂，应用抗MT单克隆抗体测得人脑缺血坏死周围组织星形胶质细胞中含有大量胶质纤维酸性蛋白（GFAP）和MT，通过能量散射X线技术测得这些阳性MT细胞中含有高浓度Cu2+和Fe2+，说明脑缺血时星形胶质细胞MT表达增加具有清除缺血组织产生的自由基和对金属离子螯合的作用13。3.4MT对肌萎缩侧索硬化的发生 肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种表现为脊髓、脑干和大脑皮质区运动神经元缺失为特征的变性疾病，至今病因未明。最近的研究认为ALS

10、的发生与微量元素代谢失调有密切关系。10%患者为家族性，存在编码胞浆Cu-Zn SOD基因点突变。在ALS病人尸检中发现患者肝、肾组织中MT含量明显高于正常人，但血清中MT含量并不增高。用免疫组化方法脊髓灰质星形胶质细胞中MT免疫活性增强，这种现象表明除了与患者接触大量金属有关外，还可能与病变部位炎症或存在氧化损伤增强有关14。新近的研究认为ALS患者脊髓胶状质中MT表达增多并非继发于肝、肾MT增加，患者肝MT增多可能是由于肝分解代谢减弱，而非MT合成增加15。3.5MT与脑肿瘤的抗药性有关近年发现人类很多脑肿瘤中存在MT过度表达，而且这种表达与肿瘤的抗药性有关。Maier16用免疫组化方法研

11、究156例脑肿瘤MT的表达，结果显示不论是低分化神经胶质瘤、高分化神经胶质瘤、脑膜肿瘤均出现不同程度MT表达。作者观察到肿瘤恶性程度越高，MT表达越明显，说明了MT可能与脑肿瘤对化疗药物不敏感有关。因而有人提出通过检测肿瘤组织中MT含量以选择敏感的化疗药物17。3.6MT在肝豆状核变性的改变肝豆状核变性是一种以Cu2+代谢紊乱的常染色体隐性遗传病。患者由于Cu2+代谢障碍，导致Cu2+在肝和基底节区沉淀，其发病机理至今尚未阐明。大量的实验研究发现肝豆状核变性动物肝组织中除了Cu2+含量增高外，肝组织中MT含量也明显高于正常人；而且认为MT是患者肝脏Cu2+结合的主要蛋白，在肝细胞内MT和球蛋白

12、与Cu2+竞争结合，可引起溶酶体发生脂质过氧化，最后导致肝细胞坏死和凋亡18,19。因此，如何排除患者肝脏中Cu2+的含量以减轻其毒性作用，国外许多学者对此进行了大量研究，在动物实验中发现摄入Zn2+可增加肝脏中MT的含量，同时使肝细胞内Cu2+含量下降，因而认为Zn2+可用于治疗肝豆状核变性20,21。类似的研究发现四硫代钼酸盐（TTM）可选择性地作用于含有过量Cu-MT的靶细胞，使Cu2+与TTM结合形成复合物而排入血液，达到驱Cu2+目的而不影响其它含Cu2+酶的活性，认为TTM也可用于治疗肝豆状核变性22,23。4展望综上所述，MT在脑内的不同分布，以及与金属离子的不同作用，尤其是在一

13、些金属和化合物的刺激下可增加MT-1和MT-2 mRNA的表达，而对MT-3 mRNA的含量却有下调作用，说明了各型MT在中枢神经系统内有其特殊却未知的作用。深入研究生理和病理情况下脑内MT的表达，必将有助于神经系统变性疾病以及脑缺血和脑肿瘤的发病机理的研究，进而为预防和治疗这些疾病提供新的思路。作者单位：吕斌（430030武汉同济医科大学环境医学研究所）曹玉广（430030武汉同济医科大学环境医学研究所）张洪（同济医科大学附属协和医院神经内科）童萼塘（同济医科大学附属协和医院神经内科）参 考 文 献1.Kille P, Hemmings A, Lunney EA. Biochem Bioph

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