金屬硫蛋白與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

1、金屬硫蛋白與神經(jīng)系統(tǒng)疾病1957年Margoshes 和Vallee在馬的腎皮質(zhì)中首先發(fā)現(xiàn)了金屬硫蛋白（MT）。隨后的研究證實MT是一種廣泛存在于細(xì)菌、真菌、植物和真核生物中的高度保守的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)，具廣泛的生物學(xué)特性，如參與金屬離子Cu2+、Zn2+的穩(wěn)態(tài)的維持，抗氧自由基損傷和參與調(diào)節(jié)谷氨酸能和-氨基丁酸能神經(jīng)元的活動等。盡管如此，MT在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用只在近幾年才引起人們的重視。本文就MT分類與生物學(xué)特性，MT在腦內(nèi)的分布，以及MT與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)系進(jìn)行綜述。 1MT的分類與生物學(xué)特性MT是一組分子量為60007000道爾頓，富含半胱氨酸，由6168個氨基酸組成的蛋白質(zhì)?，F(xiàn)已知MT家族

2、中包括MT-1，MT-2，MT-3，MT-4四種亞型，其中MT-1和MT-2存在于各種組織中，MT-3僅在腦組織中表達(dá)，MT-4則僅在復(fù)層磷狀上皮中表達(dá)。研究表明人類的MT基因位于16號染色體上，而小鼠的MT基因則位于第8號染色體。MT 4種異構(gòu)體的主要區(qū)別在于它們所含的部分氨基酸的不同，如MT-1和MT-2均含有62個氨基酸，而腦特異性MT-3則多7個氨基酸，其N-末端為蘇氨酸，C-末端為6個由谷氨酸和丙氨酸組成的氨基酸。MT-3最早被發(fā)現(xiàn)是一種具有抑制神經(jīng)細(xì)胞生長而被稱之為生長抑制因子（GIF），因其具有與MT-1、MT-2相似的結(jié)構(gòu)而被命名為MT-31。近年的研究認(rèn)為MT在金屬解毒作用和

3、金屬離子穩(wěn)態(tài)維持方面起重要作用。在實驗中觀察到因DNA突變或DNA甲基化不能合成MT的細(xì)胞對金屬離子毒性作用的易感性增強。相反，通過基因擴增方法使細(xì)胞能更多表達(dá)MT基因的細(xì)胞則有更強的抗金屬離子的毒性作用。同樣，在過度表達(dá)MT-1的轉(zhuǎn)基因小鼠中也觀察到MT具有抵抗鎘的毒性作用。說明MT是有保護細(xì)胞和動物抵抗某些重金屬的毒性作用2，3。很多因素可影響腦內(nèi)MT的表達(dá)。已知一些重金屬離子Cu2+、Zn2+，糖皮質(zhì)激素和兒茶酚胺參與調(diào)控腦內(nèi)MT-1和MT-2的水平，但這些因素不能調(diào)節(jié)MT-3的水平，說明MT-3與MT-1、MT-2有著不同的調(diào)節(jié)方式。內(nèi)毒素可明顯增加腦內(nèi)MT-1 mRNA以及MT-1和

4、MT-2的含量，其可能機制為內(nèi)毒素通過刺激細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素-6的生成增加，而誘導(dǎo)腦內(nèi)MT-1和MT-2的合成增加。在表達(dá)IL-6轉(zhuǎn)基因小鼠中發(fā)現(xiàn)小腦、腦干、下丘腦等組織MT-1和MT-2含量明顯增加，說明腦內(nèi)MT-1和MT-2表達(dá)增加與炎癥反應(yīng)有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)MT-1的增加可減少MT-3的含量，即在脯氨酸誘導(dǎo)大鼠大腦皮層MT-1 mRNA增加的同時，海馬區(qū)MT-3 mRNA含量下降，導(dǎo)致這種現(xiàn)象發(fā)生的原因可能是由于脯氨酸引起Zn2+在腦內(nèi)局限性集中，繼而引起MT-3在腦內(nèi)分布發(fā)生改變47。此外，研究發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)MT含量與年齡及性激素水平有密切關(guān)系，MT-1和MT-3 mRNA 含量在3月齡小

5、鼠腦中增加，在6月齡小鼠腦中減少，稱之為年齡性下調(diào)作用；Ono等在實驗中觀察到過度表達(dá)MT-1的雄性小鼠，其腦內(nèi)MT增加集中在小腦，而雌性小鼠各腦區(qū)MT含量均見增多，說明性激素對MT mRNA轉(zhuǎn)導(dǎo)以及MT蛋白的表達(dá)有潛在的調(diào)節(jié)作用8,9。2MT在腦內(nèi)的分布應(yīng)用免疫組化和原位雜交方法研究結(jié)果表明MT廣泛存在于人和鼠大腦皮層、基底神經(jīng)節(jié)、丘腦、海馬、嗅球、小腦和腦干組織中。 MT 陽性細(xì)胞主要為星形膠質(zhì)細(xì)胞，而腦組織中少突膠質(zhì)細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中均未發(fā)現(xiàn)MT-1和MT-2。研究發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)存在3種MT異構(gòu)體，它們在腦組織中的分布亦不相同，MT-1和MT-2在大腦皮層和基底節(jié)的含量較高，MT-3

6、在大腦皮層的含量較低，而在海馬齒狀回的顆粒細(xì)胞層中占優(yōu)勢；在嗅球3種MT的表達(dá)較其它部位相對較高，說明了各種MT異構(gòu)體在腦內(nèi)具有不同的調(diào)控方式和不同的生理功能。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究腦內(nèi)各種MT不同的異構(gòu)體含量，結(jié)果表明在MT-1/MT-2缺乏大鼠（僅表達(dá)MT-3和MT-4），腦組織中MT含量較正常對照鼠明顯減少，腦內(nèi)MT中MT-3大約占65%，而且這些缺乏MT-1/MT-2大鼠腦內(nèi)MT-3在大腦皮層和紋狀體內(nèi)明顯增高，說明了不同種類大鼠、不同腦區(qū)、不同類型MT 的含量并不相同9。3MT與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)系3.1MT參與了Alzheimer 病的發(fā)病過程Alzheimer病的病理學(xué)特征是在病變部位

7、出現(xiàn)大量的反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞增生、A4 淀粉樣沉積和神經(jīng)原纖維纏結(jié)，導(dǎo)致這種星形膠質(zhì)細(xì)胞增生的原因尚未闡明。近年的研究表明，A4 淀粉樣沉積可能參與病變部位星形膠質(zhì)細(xì)胞的增生過程。在正常腦組織中，MT-1和MT-2僅出現(xiàn)于星形膠質(zhì)細(xì)胞中，而不出現(xiàn)于神經(jīng)元內(nèi)。應(yīng)用MT抗體檢測發(fā)現(xiàn)Alzheimer病患者大腦皮層、腦白質(zhì)以及小腦均出現(xiàn)MT特征性的表達(dá)，在星形膠質(zhì)細(xì)胞和微小毛細(xì)血管細(xì)胞出現(xiàn)MT-1和MT-2的表達(dá)；同樣，在患者小腦顆粒細(xì)胞層也有MT-1和MT-2表達(dá)，但在小腦的分子細(xì)胞層則不表達(dá)。說明MT參與了Alzheimer病的發(fā)病過程10。3.2MT對癲癇發(fā)作的作用近年的研究認(rèn)為星形膠質(zhì)細(xì)胞表

8、達(dá)載脂蛋白J（apoJ）和MT-2的變化可能導(dǎo)致癲癇的發(fā)生。在大鼠癲癇持續(xù)狀態(tài)的實驗中發(fā)現(xiàn)，實驗后7天大腦皮層和海馬組織中apoJ mRNA含量增加77%和64%，而MT-2 mRNA含量僅在海馬中增加62%。導(dǎo)致這種持續(xù)性MT-2 mRNA表達(dá)增加可能是由于海馬組織中Zn2+的穩(wěn)態(tài)失衡，未恢復(fù)到正常狀態(tài)，或是由于星形膠質(zhì)細(xì)胞表型發(fā)生改變的結(jié)果11。Erickson等利用缺乏MT-3小鼠和MT-3過度表達(dá)小鼠進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)缺乏MT-3鼠首次癲癇發(fā)作的潛伏期縮短，發(fā)作時間延長，同時形態(tài)學(xué)觀察海馬區(qū)神經(jīng)元皺縮比例增多；而過度表達(dá)MT-3鼠海馬區(qū)神經(jīng)元死亡數(shù)明顯減少，說明MT-3對癲癇發(fā)作及其伴隨的

9、神經(jīng)元損傷有保護作用12。3.3MT對腦缺血的作用 腦缺血缺氧可導(dǎo)致大量自由基生成，最終引起神經(jīng)元壞死，加重腦損害。體外實驗研究結(jié)果表明MT是有效的自由基和重金屬離子的解毒劑，應(yīng)用抗MT單克隆抗體測得人腦缺血壞死周圍組織星形膠質(zhì)細(xì)胞中含有大量膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）和MT，通過能量散射X線技術(shù)測得這些陽性MT細(xì)胞中含有高濃度Cu2+和Fe2+，說明腦缺血時星形膠質(zhì)細(xì)胞MT表達(dá)增加具有清除缺血組織產(chǎn)生的自由基和對金屬離子螯合的作用13。3.4MT對肌萎縮側(cè)索硬化的發(fā)生 肌萎縮側(cè)索硬化（ALS）是一種表現(xiàn)為脊髓、腦干和大腦皮質(zhì)區(qū)運動神經(jīng)元缺失為特征的變性疾病，至今病因未明。最近的研究認(rèn)為ALS

10、的發(fā)生與微量元素代謝失調(diào)有密切關(guān)系。10%患者為家族性，存在編碼胞漿Cu-Zn SOD基因點突變。在ALS病人尸檢中發(fā)現(xiàn)患者肝、腎組織中MT含量明顯高于正常人，但血清中MT含量并不增高。用免疫組化方法脊髓灰質(zhì)星形膠質(zhì)細(xì)胞中MT免疫活性增強，這種現(xiàn)象表明除了與患者接觸大量金屬有關(guān)外，還可能與病變部位炎癥或存在氧化損傷增強有關(guān)14。新近的研究認(rèn)為ALS患者脊髓膠狀質(zhì)中MT表達(dá)增多并非繼發(fā)于肝、腎MT增加，患者肝MT增多可能是由于肝分解代謝減弱，而非MT合成增加15。3.5MT與腦腫瘤的抗藥性有關(guān)近年發(fā)現(xiàn)人類很多腦腫瘤中存在MT過度表達(dá)，而且這種表達(dá)與腫瘤的抗藥性有關(guān)。Maier16用免疫組化方法研

11、究156例腦腫瘤MT的表達(dá)，結(jié)果顯示不論是低分化神經(jīng)膠質(zhì)瘤、高分化神經(jīng)膠質(zhì)瘤、腦膜腫瘤均出現(xiàn)不同程度MT表達(dá)。作者觀察到腫瘤惡性程度越高，MT表達(dá)越明顯，說明了MT可能與腦腫瘤對化療藥物不敏感有關(guān)。因而有人提出通過檢測腫瘤組織中MT含量以選擇敏感的化療藥物17。3.6MT在肝豆?fàn)詈俗冃缘母淖兏味範(fàn)詈俗冃允且环N以Cu2+代謝紊亂的常染色體隱性遺傳病?；颊哂捎贑u2+代謝障礙，導(dǎo)致Cu2+在肝和基底節(jié)區(qū)沉淀，其發(fā)病機理至今尚未闡明。大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)肝豆?fàn)詈俗冃詣游锔谓M織中除了Cu2+含量增高外，肝組織中MT含量也明顯高于正常人；而且認(rèn)為MT是患者肝臟Cu2+結(jié)合的主要蛋白，在肝細(xì)胞內(nèi)MT和球蛋白

12、與Cu2+競爭結(jié)合，可引起溶酶體發(fā)生脂質(zhì)過氧化，最后導(dǎo)致肝細(xì)胞壞死和凋亡18,19。因此，如何排除患者肝臟中Cu2+的含量以減輕其毒性作用，國外許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，在動物實驗中發(fā)現(xiàn)攝入Zn2+可增加肝臟中MT的含量，同時使肝細(xì)胞內(nèi)Cu2+含量下降，因而認(rèn)為Zn2+可用于治療肝豆?fàn)詈俗冃?0,21。類似的研究發(fā)現(xiàn)四硫代鉬酸鹽（TTM）可選擇性地作用于含有過量Cu-MT的靶細(xì)胞，使Cu2+與TTM結(jié)合形成復(fù)合物而排入血液，達(dá)到驅(qū)Cu2+目的而不影響其它含Cu2+酶的活性，認(rèn)為TTM也可用于治療肝豆?fàn)詈俗冃?2,23。4展望綜上所述，MT在腦內(nèi)的不同分布，以及與金屬離子的不同作用，尤其是在一

13、些金屬和化合物的刺激下可增加MT-1和MT-2 mRNA的表達(dá)，而對MT-3 mRNA的含量卻有下調(diào)作用，說明了各型MT在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)有其特殊卻未知的作用。深入研究生理和病理情況下腦內(nèi)MT的表達(dá)，必將有助于神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病以及腦缺血和腦腫瘤的發(fā)病機理的研究，進(jìn)而為預(yù)防和治療這些疾病提供新的思路。作者單位：呂斌（430030武漢同濟醫(yī)科大學(xué)環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所）曹玉廣（430030武漢同濟醫(yī)科大學(xué)環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所）張洪（同濟醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科）童萼塘（同濟醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科）參 考 文 獻(xiàn)1.Kille P, Hemmings A, Lunney EA. Biochem Bioph

14、ys Acta, 1994,1205: 1512.Masters BA, Kelly EJ, Quaife CJ, et al. Proc Natl Acad Sci USA, 1994, 91: 5843.Liu Y, Iszard MB, Andrews GK, et al. Toxicol Appl Pharmacol, 1995, 126: 794.Gasull T, Giralt M, Hernandez J,et al. Am J Physiol, 1994, 266: E7605.Dalton T, Pazdernik TL, Wagner J, et al. Neurochem

15、 Int, 1995, 27: 596.Muramami N, Fukata J, Tsukada T, et al. Endocrinology, 1993, 133: 25747.Zheng H, Berinan NEJ, Klaassen CD. Neurochem Int, 1995, 27: 438.Hernandez J, Molinero A, Campbell IL, et al. Brain Res, 1997, 48: 1259.Ono SI, Koropatnick DJ, Cherian MG. Toxicology, 1997, 124: 110.Zambenedet

16、ti P, Giordano R, Zatta P. J Chem Neuroanat, 1998, 15: 2111.Montpied P, de Bock F, Baldy-Monlinier M, et al. Neuroreport, 1998, 9: 7912.Erickson JC, Hollopeter G, Thomas SA, et al. J Neurosci, 1997, 17: 398713.Neal JW, Singhrao SK, Jasani B, et al. Neuropathol Appl Neurobiol, 1996, 22: 24314.Sillevi

17、s Smitt PA,Malder TP,Verspaget HW,et al.Biol Signals,1994,3:19315.Blaauwgeers HG,Anwar Chand M,van den Berg FM,et al.J Neurol Sci,1996,142:3916.Maier H, Jones C, Jasani B, et al. Acta Neuropathol (Berl), 1997, 94: 59917.Nagane M, Shibui S, Oyama H, et al. Surg Neurol, 1995, 44: 46218.Klein D, Lichtmannegger J, Heinzmann U, et al. Eur J Clin Invest, 1998, 28: 30219.Deng DX, Ono S, Koropatrick J, et al. Lab Invest, 1