在微观的生命世界里,有一种神秘的蛋白质 —— 金属硫蛋白(Metallothionein,简称 MT),它广泛存在于自然界,从动物、植物到微生物体内都有它的身影。虽然它 “个头” 不大,却在生命活动中扮演着极为关键的角色,堪称生命的 “多面守护者”。今天,就让我们一起深入了解一下这种神奇的蛋白质。
01
金属硫蛋白的结构
达外源基因的缺陷:
金属硫蛋白家族十分庞大,根据进化相关性被分为 15 个家族 ,像脊椎动物 MTs、软体动物 MTs、植物 MTs 等都在这个大家族之中。就人类而言,MT 家族又细分为 MT1 – MT4 这 4 个类别,由 16 号染色体上的 11 个活性基因编码。不同类别的 MT 在人体的 “工作地点” 不同,MT1 和 MT2 分布广泛,在大多数器官和组织中都能发现它们的踪迹;MT3 主要活跃在大脑里;MT4 则主要出现在分层鳞状上皮细胞中。
黑色Nature来了!微生物发酵领域迎来”惊人操作”打破传统认知,此次将改写历史!
金属硫蛋白的结构也很独特。它在未与金属离子结合时,就像一盘散沙,没有典型的二级结构。一旦与金属离子结合,就会 “摇身一变”,形成独特的结构。哺乳动物的 MT 拥有类似哑铃的三维结构,由 N 端的 β 结构域和 C 端的 α 结构域组成,这两个结构域就像两个 “小助手”,各自有着不同数量的金属离子结合位点,共同协作完成 MT 的各种功能。

MT1和 MT2 在大多数器官和组织中有表达,MT3主要在大脑中表达,MT4 在复层鳞状上皮细胞中表达。
02
金属硫蛋白的功能
▶重金属解毒 “小能手”
在环境中,重金属离子就像隐藏的 “杀手”,时刻威胁着生物的健康。镉中毒会对肝脏、肾脏等器官造成严重损害,还可能引发骨质疏松、癌症等多种疾病。而金属硫蛋白凭借自身丰富的半胱氨酸残基上的巯基,能像 “捕手” 一样紧紧抓住金属离子,形成稳定的复合物,从而降低金属离子的毒性。比如,在水稻种植土壤中引入表面工程化的金属硫蛋白细菌,可以有效降低镉污染水稻各部位的镉浓度;在酵母中表达来自杨树的 PtMT2b 基因,能增强酵母对镉离子的耐受性 。MT 不仅对镉离子有解毒作用,对砷、锌、铜等重金属离子也能发挥类似的功效,是生物体内重要的重金属解毒剂。
▶抗氧化 “先锋军”
在人体正常代谢过程中,会产生一些 “不安分” 的自由基,像羟基自由基、氧自由基等。当这些自由基过多时,就会引发氧化应激,对核酸、蛋白质和脂质等造成损伤,进而导致各种疾病,如炎症、神经紊乱、心血管疾病和癌症等。金属硫蛋白凭借高巯基含量,成为了抗氧化的 “先锋军”。它清除羟基自由基的能力超强,反应速率常数是谷胱甘肽的约 300 倍 。研究发现,在大肠杆菌中表达 GST – AmMT2,能增强大肠杆菌对过氧化氢的耐受性;在小鼠体内,自身表达的金属硫蛋白可以缓解肺部的氧化应激和损伤。MT 还能为一些抗氧化酶提供金属辅因子,协助它们更好地发挥抗氧化作用,是维持细胞内氧化还原平衡的重要保障。

▶神经保护 “卫士”
阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病,严重影响着人们的生活质量。金属硫蛋白在这些疾病的防治中也有着重要作用。在阿尔茨海默病中,淀粉样 β 肽(Aβ)的沉积是主要病理特征之一,而 Aβ 斑块富含金属离子,会诱导 Aβ 肽聚集。金属硫蛋白可以通过结合金属离子,减少 Aβ 诱导的神经毒性 。在帕金森病中,α – 突触核蛋白(α – syn)的异常聚集形成路易小体,金属离子的增加会促使 α – syn 错误折叠。研究表明,Zn7MT – 3 能够去除 α – syn – Cu(II)中的铜(II),有效抑制其毒性 。此外,在斑马鱼、小鼠等动物实验中也发现,金属硫蛋白能减轻因各种因素导致的脑损伤,保护神经细胞,是神经系统的忠诚 “卫士”。
▶抗癌 “新希望”
金属硫蛋白在抗癌方面也展现出了巨大的潜力。一方面,它可以通过重金属解毒和减轻氧化应激损伤,增强正常细胞抵抗外界不良环境的能力,从而降低患癌风险。在猫注射部位纤维肉瘤中,金属硫蛋白的表达程度与肿瘤等级和炎症程度呈负相关 。另一方面,它能够抑制癌细胞的生长、迁移和侵袭,诱导癌细胞周期停滞和凋亡。在多种癌症的研究中都发现,MT1M、MT1E、MT2A 等不同类型的金属硫蛋白,在不同癌症中发挥着抑制肿瘤的作用。MT 还能影响癌细胞对化疗药物的敏感性,通过调节相关信号通路,克服癌细胞的耐药性,为癌症治疗带来了新的希望。
▶抗炎 “消防员”
当身体受到损伤时,炎症反应就像一场 “火灾”。金属硫蛋白则像一位勇敢的 “消防员”,迅速投入战斗。它主要通过清除活性氧物种来发挥抗炎作用,同时还能作为锌伴侣,激活基质金属蛋白酶,促进组织的修复和再生。在骨关节炎、非酒精性脂肪性肝炎、结肠炎等多种炎症性疾病中,都能看到金属硫蛋白忙碌的身影。在骨关节炎患者的滑膜细胞中,MT – 1 能显著降低炎症细胞因子的表达;在结肠炎小鼠模型中,补充锌上调 MT1 和 MT2 的表达,可以有效调节肠道炎症 。MT 在炎症反应的调控中发挥着至关重要的作用。
03
金属硫蛋白的应用领域

▶环境修复 “清道夫”
在环境污染治理方面,金属硫蛋白大显身手。它可以作为生物标志物,灵敏地反映环境中重金属离子的污染情况。通过检测水生生物如鱼类、浮游生物体内金属硫蛋白的含量变化,能及时发现重金属污染的早期迹象 。MT 还能与其他材料结合,用于去除环境中的重金属离子。用纤维素、金属硫蛋白和碳水化合物结合模块构建的新型生物吸附剂,可以有效吸附污水中的铅离子和锌离子;经基因改造的大肠杆菌表达金属硫蛋白后,能高效去除废水中的镍离子等,是环境修复的得力 “清道夫”。
▶医学诊断 “信号灯”
在医学领域,金属硫蛋白是疾病预测和诊断的重要 “信号灯”。由于它在体内的含量会随着疾病的发生而改变,因此可以作为多种疾病的生物标志物。MT1E 和 MT1F 基因的表达水平可用于预测肝细胞癌的复发;MT – 1 的水平变化与精神分裂症的发生风险相关;在威尔逊病中,金属硫蛋白的免疫染色阳性可辅助疾病诊断 。通过检测金属硫蛋白的含量,有助于医生更准确地判断病情,为疾病的早期干预和治疗提供依据。
▶护肤领域 “新宠”
金属硫蛋白凭借其强大的功能,在护肤领域成为了备受瞩目的 “新宠”。它具有抗炎、减轻氧化损伤、抗紫外线辐射、重金属解毒、加速伤口愈合等多种功效。在护肤品或功能性食品中添加金属硫蛋白,能够有效保护皮肤。1,25 – 二羟基维生素 D3 可以刺激金属硫蛋白的合成,减少阳光损伤细胞的形成,提高皮肤对紫外线的抵抗力;在皮肤伤口愈合过程中,金属硫蛋白的表达增加,有助于促进伤口的修复 。含有金属硫蛋白的护肤品为肌肤健康提供了更全面的呵护。
参考文献:
Yang, R.; Roshani, D.;Gao, B.; Li, P.; Shang, N.Metallothionein: A Comprehensive Review of Its Classification, Structure,Biological Functions, and Applications. Antioxidants 2024, 13,825.

推荐阅读
Recommended reading

黑色Nature来了!微生物发酵领域迎来”惊人操作”打破传统认知,此次将改写历史!
Biotechnology Advances:基于机器学习的一般步骤
从OFAT与RSM到机器学习:解锁培养基优化密码系列-机器学习基本概念和机器学习分类
深化农村改革 扎实推进乡村全面振兴一号文件中潜在的微生物和发酵发展机遇
非常高清的代谢图(Core Metabolic Roadmap)
诺奖后的第一个大风波!微生物领域这一“巨大”成果遭Nature疯抢!
2024年诺贝尔奖两项花落人工智能,发酵工业的终点会不会也是AI
中国科学院天津工业生物技术研究所智能生物制造中心发酵分离纯化中试车间
微生物发酵技术在保障国家粮食安全的蛋白替代战略中发挥重要作用

