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摘要金屬硫蛋白（MT）是一類富含半胱氨酸、具有金屬結(jié)合特性、廣泛存在于動物、植物、微生物體內(nèi)一類低分子量多功能誘導(dǎo)性蛋白。MT具有清除自由基、調(diào)節(jié)生物體內(nèi)微量元素濃度、參與重金屬的解毒的作用，參與激素的調(diào)節(jié)、細(xì)胞代謝的調(diào)節(jié)，在細(xì)胞增殖分化控制中都有重要作用。就金屬硫蛋白的理化性質(zhì)、提取純化技術(shù)、檢測技術(shù)、生物學(xué)功能等研究進(jìn)展及應(yīng)用前景進(jìn)行綜述，以期為其開發(fā)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞金屬硫蛋白；理化性質(zhì)；分離純化；檢測技術(shù)；應(yīng)用前景

中圖分類號Q51文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2018）25-0015-04

Research Progress of Metallothionein

LI Tingting1，2，ZONG Jingjing1，2，GAO Xuehui1，2 et al

（1.Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang 316021；2.Marine Fisheries Research Institute of Zhejiang， Zhoushan， Zhejiang 316021）

AbstractMetallothionein （MT） is a low molecular weight multifunctional induced protein， which is rich in cysteine， has metal binding properties， and widely distributes in animals， plants and microorganisms.MT can scavenge free radicals and plays important roles in modulating concentrations of trace elements and detoxification of heavy metals.In addition， MT is also involved in the regulation of hormonal and cell metabolism， the control of cell differentiation and proliferation.The research progress and application prospects of metallothionein physicochemical properties， extraction and purification techniques， detection techniques， biological functions were reviewed to provide reference for its development and application.

Key wordsMetallothionein；Physicochemical properties；Extraction and purification；Detection techniques；Application prospect

金屬硫蛋白（metallothionein，MT）是一類廣泛存在于生物中的低分子質(zhì)量（6～7 kD）、無芳香族氨基酸、富含金屬與半胱氨酸（Cys 20%～30%）的獨特生物學(xué)特性的金屬結(jié)合蛋白[1]。1957年，美國科學(xué)家Margoshes和Vallee最早從馬腎中分離得到金屬硫蛋白，繼1975年P(guān)rinz從釀酒酵母中分離得到Cu-MT后，1977年科學(xué)家又從大豆的根中分離出富含Cd2+的類金屬硫蛋白[2-3]。金屬硫蛋白中大量巰基賦予了其螯合重金屬離子功能及重金屬解毒作用，同時MT清除自由基的能力明顯強于超氧化物歧化酶和谷胱甘肽，并調(diào)節(jié)生物體內(nèi)微量元素濃度，調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝、增殖分化，在食品、醫(yī)藥、保健、環(huán)境、化妝品、生物工程等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[4-5]。近年來，MT由于獨特的生物學(xué)功能，逐漸受到重視并成為研究的熱點。就金屬硫蛋白的理化性質(zhì)、提取純化方法、最新檢測技術(shù)、生物學(xué)功能等研究進(jìn)展及應(yīng)用前景進(jìn)行綜述，以期為其開發(fā)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1金屬硫蛋白的理化性質(zhì)

1.1組成

金屬硫蛋白有獨特的組成和性質(zhì)，先前研究發(fā)現(xiàn)MT進(jìn)化具有高度保守性，根據(jù)金屬含量及氨基酸組成的不同可將金屬硫蛋白分為MT-I、MT-II、MT-III及MT-IV 4種亞型結(jié)構(gòu)[6]。近來研究發(fā)現(xiàn)，不同生物體內(nèi)提取出的MT分子的形狀大小相差甚小，氨基酸序列同源性相對較高。MT的相對分子量為6～7 kD，分子中含有61個氨基酸，大部分MT含有20個Cys，少數(shù)含有21個Cys，且易與重金屬離子絡(luò)合[7]。MT的高級結(jié)構(gòu)主要有2個獨立的結(jié)構(gòu)域組成，即含4個金屬離子結(jié)合位點的α域（羧基端）和含有3個金屬離子結(jié)合位點的β域（ 氨基端）[8-9]，整個分子呈啞鈴狀，這種結(jié)構(gòu)使MT具有很好的熱穩(wěn)定性。近年來，Duncan等[10]綜合利用核磁共振（ nmR）、質(zhì)譜儀（MS） 技術(shù)及X射線衍射技術(shù)，發(fā)現(xiàn)利用Cd誘導(dǎo)哺乳動物金屬硫蛋白，α域能夠結(jié)合Cd2+達(dá)5個以上。

1.2等電點

電泳的方法可以確定蛋白質(zhì)的等電點，金屬硫蛋白等電點pI一般在4左右，低pH值下較穩(wěn)定。哺乳動物MT的pI范圍在3.9～4.6，現(xiàn)有的水生生物MT的pI通常在3.5～6.0范圍內(nèi)[11]。蛋白質(zhì)在等電點時，因為沒有相同電荷而互相排斥的影響，溶解度最小，極易沉淀析出，因此可以根據(jù)蛋白質(zhì)帶電性質(zhì)的差異、形狀大小的不同通過電泳的方法分離純化金屬硫蛋白。

1.3可誘導(dǎo)性

金屬硫蛋白作為一種應(yīng)激蛋白，具有顯著的可誘導(dǎo)性，可以采用物理或者化學(xué)方法對生物體進(jìn)行誘導(dǎo)產(chǎn)生MT。最常用的方法是重金屬誘導(dǎo)，許多金屬例如Hg、Ag、Cu、Cd、Zn等都能誘導(dǎo)MT的合成[12]。一些激素如糖皮質(zhì)激素、腎上腺激素、胰高血糖素和環(huán)磷酸腺苷（cAMP）等通過增加肝臟MT-mRNA的水平誘導(dǎo)MT的合成。日常生活中，生物體會在各種外在刺激條件下引起MT合成增加，從而防衛(wèi)保護(hù)機體[13]。安建平等[12]通過不同濃度Cd2+誘導(dǎo)黃瓜產(chǎn)生金屬硫蛋白，1 000 mg/L Cd2+誘導(dǎo)黃瓜幼葉組織產(chǎn)生金屬硫蛋白的產(chǎn)量最高，可達(dá)2.62 μg/g。目前，大多數(shù)學(xué)者采用重金屬誘導(dǎo)MT合成，但是重金屬對生物體有害，且較難去除。郭祥學(xué)等[13]用Zn誘導(dǎo)藍(lán)藻提取分離出類金屬硫蛋白組分，為金屬硫蛋白功能深入研究提供新的途徑。

1.4穩(wěn)定性與光譜特性

MT結(jié)合金屬能力的順序為Hg2+>Ag+>Cu2+>Cd2+>Zn+，且與Cd2+或者Ag+結(jié)合后，很難被其他金屬置換[14]。在酸性條件下，MT上結(jié)合的金屬可以脫去，去金屬的硫蛋白在低pH值下較穩(wěn)定。中性條件下，硫蛋白分子間發(fā)生二硫交聯(lián)，進(jìn)而形成大分子聚合物，生理活性發(fā)生一些變化。因此，環(huán)境中pH的高低、MT結(jié)合金屬與否，以及結(jié)合金屬的種類直接影響MT的穩(wěn)定性和存在形式 [15]。

MT的特征吸收峰與其氨基酸組成和所結(jié)合的金屬種類密切相關(guān)，一般蛋白質(zhì)在280 nm處有特征吸收峰，由于MT不含芳香族氨基酸且金屬通過硫酯鍵與蛋白質(zhì)結(jié)合因而具有特殊吸收光譜。MT與不同金屬結(jié)合產(chǎn)生的不同的特征吸收峰為： Zn-MT 225 nm，Cd-MT 250 nm， Cu-MT 275 nm，Hg-MT 300 nm，因此可以根據(jù)吸收峰的不同對MT進(jìn)行分離鑒定[16-17]。金屬硫蛋白在脫掉金屬離子后，于190 nm處有一明顯的鍵吸收峰。

2金屬硫蛋白的提取和分離純化

2.1金屬硫蛋白的提取技術(shù)

關(guān)于MT的結(jié)構(gòu)與功能的研究是當(dāng)今化學(xué)、生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要課題之一，隨著研究工作的不斷深入，對MT的用量和純度的要求越來越高。勻漿離心法是提取海洋生物中MT最常采用的方法，提取劑選擇性質(zhì)穩(wěn)定且與生理體液相容性好的Tris-HCl（三羥甲基氨基甲烷，簡稱 Tris）緩沖溶液。不同濃度、pH的提取液，以及樣本與緩沖液的質(zhì)量體積比、勻漿液離心轉(zhuǎn)速大小，時間長短，都會對MT的提取率產(chǎn)生影響。因此，不同的方法，提取的 MT含量和純度等也不盡相同[18]。王俊坤[19]通過響應(yīng)面優(yōu)化分析，改進(jìn)魚肝中 MT提取工藝，當(dāng)提取劑Tris-HCl緩沖液pH在8.0～8.5，提取溫度在45～52 ℃，緩沖液的濃度為 0.25 mol/L，物料比為 1∶7，提取時間為1 h，可獲得最佳提取效果。

2.2金屬硫蛋白的分離純化技術(shù)

為深入研究金屬硫蛋白結(jié)構(gòu)和功能特性及其相關(guān)性，需要對金屬硫蛋白提取液進(jìn)行濃縮處理。在蛋白的純化過程中，一次性處理較多樣品時，可以采用超濾法進(jìn)行脫鹽濃縮，不但耗時短，濃縮的效率高，而且可降低蛋白質(zhì)的損失率 [20]。

目前，金屬硫蛋白分離純化技術(shù)主要有：膜分離技術(shù)、高效液相色譜[21]、凝膠過濾色譜、離子交換色譜[22]、毛細(xì)管電泳法[23]等。最常用的方法是凝膠過濾和離子交換技術(shù)相結(jié)合方法。凝膠過濾法的缺點是不能將 MT 的亞型分開，所以一般采用高效液相色譜法（HPLC）對MT進(jìn)行微量分離。高效液相色譜具有分離效果顯著、精密度與靈敏度佳、重現(xiàn)性好等優(yōu)點，對于復(fù)雜成分的分離鑒定更有應(yīng)用價值。ICP-MS技術(shù)干擾較少，精密度高，分析速度快，檢出限較低，動態(tài)線性范圍寬，并且可提供準(zhǔn)確的同位素信息。高效液相色譜法（HPLC）與質(zhì)譜儀（ICP-MS）聯(lián)用，不僅可以將微量MT分離，還能將MT亞型較好地分離，從而獲得較高純度的金屬硫蛋白[24]。

3金屬硫蛋白的檢測技術(shù)

基于金屬硫蛋白的理化特性、生物特性以及免疫學(xué)特性，主要檢測方法有：金屬親和層析、疏基檢測（電化學(xué)法和分光光度法）、蛋白質(zhì)檢測（免疫法和色譜法）。兔肝Zn-MT是常用的MT標(biāo)準(zhǔn)品。

3.1金屬親和層析法

金屬親和層析法（金屬飽和法）主要是根據(jù)MT熱穩(wěn)定性和對不同金屬的親和力的差異性建立，間接測定MT中金屬含量的增加量，從而計算出MT的含量。該法迅速而簡單，是測定MT最普遍使用較成熟的方法，但是金屬除與MT結(jié)合外，可能會結(jié)合其他干擾性的小分子化合物，使測定結(jié)果不夠準(zhǔn)確[25]，如汞飽和法中Hg+除了與MTs結(jié)合，也會結(jié)合其他小分子量化合物。

3.2電化學(xué)法

電化學(xué)法原理是根據(jù)巰基（-SH）在汞滴電極表面產(chǎn)生的氧化還原反應(yīng)引起電位變化建立的，通過測定巰基含量間接定量金屬硫蛋白含量。它打破了金屬飽和法的限制，具有特異性好、靈敏度高等優(yōu)點。目前，主要測定方法有示差脈沖伏安法（DPV）[25]、示差脈沖極普法（DPP）、陽極溶出伏安法（ASV）等[26]。Oliveria等[27]采用示差脈沖極普法測定歐洲鰻鱺（Anguilla anguilla L）不同部位的金屬硫蛋白含量，回收率范圍在 97%～103%，準(zhǔn)確度較高。電化學(xué)法的缺點是對待測樣品純度要求較高，當(dāng)樣品的含量較低時靈敏度差，其他含巰基官能團(tuán)的蛋白質(zhì)化合物存在會影響分析結(jié)果[28-29]。

3.3分光光度法

分光光度法是根據(jù)巰基與5，5-二硫硝基苯甲酸（DTNB） 反應(yīng)產(chǎn)生的一種黃色物質(zhì)硫代硝基苯甲酸陰離子（TNBA），TNBA在波長412 nm處具有強吸峰。該方法對低含量MT靈敏度較差，Viarengo 等[30]在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將2 mol/L NaCl加入DTNB試劑中，2 mol/L NaCl可使 MT 結(jié)構(gòu)改變暴露-SH，有利于樣本與 DTNB 反應(yīng)。

3.4免疫分析法

金屬硫蛋白分子量較低，利用其免疫特異性制成抗體單體來檢測金屬硫蛋白的含量。免疫法適用于微量檢測，最大優(yōu)點是靈敏度高、特異性好，靈敏度在pg/mL級，對于金屬硫蛋白含量低的樣品仍具有較好的檢測結(jié)果。近年來，學(xué)者們先后建立蛋白質(zhì)印跡分析法、放射性免疫監(jiān)測法和酶聯(lián)免疫吸附法 [31]。免疫分析法缺點：不能實現(xiàn)蛋白同分異構(gòu)體的定量分析，并且需要高特異性抗體來源，由于抗體比較難制備等原因影響該法發(fā)展。

3.5色譜分析法

一般蛋白質(zhì)在280 nm處有特征吸收峰，而金屬硫蛋白通過硫酯鍵與蛋白質(zhì)結(jié)合具有特殊吸收光譜，通過圓二色譜法（CD）或磁圓二色譜（MCD） 測量其在 220～350 nm的吸光度進(jìn)而定性定量MT。在分析不同亞型的MT時，學(xué)者一般采用HPLC分離技術(shù)與AAS、MS、FD等檢測器聯(lián)用，通過MT標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行對照，確定待測樣品MT的濃度，靈敏度低于1 μg/mL。Park等[32]運用RP-HPLC-FD方法測定狼鱸（Dicentrarchus labrax）肝組織中MT總量，測定結(jié)果相比分光光度法高出1.30～1.95倍，更準(zhǔn)確地反映肝組織MT含量。

4金屬硫蛋白的生物學(xué)功能研究現(xiàn)狀

4.1解除或降低重金屬的毒害作用

重金屬元素具有蓄積毒性，當(dāng)重金屬在機體蓄積達(dá)到一定量后，會導(dǎo)致重金屬中毒。研究表明，當(dāng)機體出現(xiàn)重金屬急性中毒后，會出現(xiàn)惡心、嘔吐等癥狀。機體長期處于重金屬的環(huán)境，心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等會受到嚴(yán)重傷害。金屬硫蛋白中大量巰基賦予其螯合重金屬離子功能，進(jìn)而解除重金屬對大腦、肝、腎等重要器官的損傷。有關(guān)MT 對重金屬的解毒作用的報道已經(jīng)有很多。張敬旭等[33]研究表明，鉛引起的腦組織脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的增強與MT的缺失有關(guān)，并引發(fā)鉛的神經(jīng)發(fā)育毒性。MT結(jié)合金屬能力的順序為Hg2+>Ag+>Cu2+>Cd2+>Zn+，且MT與Cd2+或者Ag+螯合后，其他金屬將很難置換Cd2+和Ag+ [34]。MT具有抗酶解的優(yōu)點，能夠被人體完整吸收。MT不但對重金屬元素有抑制和解毒的作用，在基本元素的調(diào)節(jié)中也起重要作用，是目前臨床上最理想的生物螯合解毒劑[35]。

4.2清除自由基和抗氧化作用

機體在新陳代謝過程中會產(chǎn)生一些具有強氧化性的化合物，如羥基自由基、氧自由基等，這些自由基會損害機體的組織和細(xì)胞，進(jìn)而引發(fā)健康問題，并出現(xiàn)衰老等生理現(xiàn)象。MT中的巰基能保護(hù)細(xì)胞器及其他重要的生化物質(zhì)，如酶類、DNA 等免受自由基的侵害 [34]。MT清除自由基能力較強，清除氧自由基的能力是谷胱甘肽的25倍，清除羥基自由基的能力是超氧化物歧化酶的10 000倍[36]。Akashi等[37]和Wong等[38]研究發(fā)現(xiàn)，大米和西瓜中的重組 MT可以有效地清除巰基自由基。

金屬硫蛋白是體內(nèi)最佳的抗氧化調(diào)節(jié)劑，抗氧化特性一直備受科學(xué)家的關(guān)注。MT可以通過結(jié)合或釋放金屬離子來調(diào)節(jié)自由基的水平，對由于金屬離子調(diào)節(jié)機制穩(wěn)態(tài)失衡對機體造成的氧化損傷起到一定預(yù)防和修復(fù)作用[39]。MT易被多種機制誘導(dǎo)產(chǎn)生，防止細(xì)胞因氧化所造成的炎性浸潤，顯著提高機體的免疫調(diào)節(jié)能力及抗氧化能力。鄒學(xué)敏等[40]將MT注射到鉻中毒小鼠發(fā)現(xiàn)，小鼠肝組織SOD活性和丙二醛（MDA）含量能夠得到有效提高，MT還可以較好地修復(fù)鉻引起的肝臟氧化損傷，說明MT對機體具有保護(hù)和修護(hù)的雙重功效。

4.3抗腫瘤功能

癌癥是人體的頭號殺手，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)迫切需求新型有效的抗癌藥物，MT 抗腫瘤的生物功能已經(jīng)引起人們的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)MT參與腫瘤細(xì)胞的分化、增生及凋亡，同時MT的重金屬解毒，抗自由基作用可保護(hù)細(xì)胞抵御致癌物質(zhì)的作用。在一些腫瘤組織中，可檢測到 MT的過度表達(dá)，張燕等[41]研究發(fā)現(xiàn)，MT在機體中表達(dá)與腫瘤組織的分化有一定聯(lián)系，MT的表達(dá)與腫瘤組織的分化成反比，進(jìn)而說明 MT 的抗腫瘤作用。MT參與腫瘤細(xì)胞的分化和增生，降低癌癥發(fā)生的概率，并能有效減輕抗腫瘤藥物毒副作用[42]。細(xì)胞受致癌物刺激后會產(chǎn)生一系列的保護(hù)機制來清除致癌物，MT作為一種細(xì)胞凋亡抑制劑，其水平增高可能是這些保護(hù)機制之一[43]。

4.4抗輻射

金屬硫蛋白組分具有一定的抗電離輻射的能力，各種電離輻射作用下大量的自由基會在機體產(chǎn)生，生物體功能將直接或間接受到損傷。研究發(fā)現(xiàn)，小鼠經(jīng)過一次性強額度電離輻射后，可誘導(dǎo)小鼠肝臟 MT-mRNA 的轉(zhuǎn)錄，從而顯著延長小鼠存活時間。此外，進(jìn)入生物體內(nèi)的半胱氨酸能被MT大量吸收，作為二硫鍵修復(fù)原料，修復(fù)生物體內(nèi)受損的細(xì)胞[44]。

5金屬硫蛋白的應(yīng)用現(xiàn)狀

5.1金屬硫蛋白在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

金屬硫蛋白的抗病作用已經(jīng)被多次證明，在治療癌癥、血管疾病、重金屬中毒及營養(yǎng)缺乏癥等方面功效顯著[45]。金屬硫蛋白參與癌癥細(xì)胞的增殖、分化、凋亡等過程，在腫瘤預(yù)防和治療中，MT的重金屬解毒、清除自由基功能可抵御重金屬和烷化劑對細(xì)胞的致癌、致突變作用。MT與某些癌癥細(xì)胞的增殖活性密切相關(guān)，因此可作為腫瘤治療的潛在靶標(biāo)，并且能有效減輕放射療法的副作用，保護(hù)正常細(xì)胞在放療過程中免受侵害。金屬硫蛋白不僅在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)異常，而且能抑制其他重大疾病的發(fā)生與發(fā)展。研究表明，金屬硫蛋白具有抑制胃潰瘍的形成、阻止脂質(zhì)過氧化、增強吞噬細(xì)胞、抵抗輻射和光損傷、提高免疫力、促進(jìn)細(xì)胞新陳代謝等功能特性[46]。

5.2金屬硫蛋白在化妝美容品中的應(yīng)用

MT 可作為化妝品的添加劑，安全性能好，具有抗衰老、清除色素、減輕皺紋、防治皮炎的作用，消除化學(xué)型化妝品對人體的毒副作用。MT與 SOD 相比具有分子量小、易被機體吸收、清除羥自由基能力強、熱穩(wěn)定性高、半衰期長等優(yōu)點，且MT還可以拮抗紫外線、輻射等。由于 MT 為生物制劑，且為人體所固有，因此可用于美容護(hù)膚。

5.3金屬硫蛋白對重金屬中毒的檢測和環(huán)境監(jiān)測

由于 MT廣泛存在動物、植物、微生物中，且可與重金屬結(jié)合的性質(zhì)，不僅可以用于監(jiān)測海洋環(huán)境重金屬污染狀況，也可作為衡量環(huán)境重金屬污染狀況的一個生物指標(biāo)，除此之外，還可用于重金屬的回收和清除環(huán)境中的重金屬污染等方面。MT也將有望通過基因工程技術(shù)來治理重金屬污染，如通過植物自身MT的表達(dá)或外源基因?qū)雭韺崿F(xiàn)治理土壤的重金屬污染，另一方面通過水生生物富集作用減少水體中的重金屬含量，從而維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。Baudrimont 等[47]通過監(jiān)測牡蠣鰓中MT含量衡量海域中重金屬的污染狀況；Thomas等[48]將酵母MT基因插入煙草基因序列中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草吸收污染土壤中Cu2+的能力得到顯著提高。Amiard 等[49]研究認(rèn)為，貽貝體內(nèi)的MT 水平與環(huán)境中釩的含量有顯著相關(guān)性，因此MT可作為海洋中釩污染的生物監(jiān)測標(biāo)志物。

5.4金屬硫蛋白在水產(chǎn)養(yǎng)殖、加工中的應(yīng)用

MT 能作為飼料添加劑用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中，不僅可以增強水生生物的免疫力和去除重金屬，還能用作生長激素促進(jìn)水生生物的生長繁殖[50 ]。在水產(chǎn)品加工過程中，根據(jù)MT與重金屬的螯合功能有望將MT制成微型顆粒用于水產(chǎn)品中重金屬的去除[51]。

6結(jié)語

隨著 MT逐漸走入人們的視野，MT獨特的生物學(xué)功能吸引學(xué)者不斷地深入研究。在應(yīng)對大量MT產(chǎn)品需求時，快速得到純度高的MT標(biāo)準(zhǔn)品開發(fā)技術(shù)成為關(guān)鍵。不同的分離純化方法又決定著 MT產(chǎn)品的純度和提取率，所以根據(jù)不同的來源及產(chǎn)品采取不同的分離純化方法變得至關(guān)重要。目前，對其研究仍有很大發(fā)展空間，MT獨特的生物學(xué)作用機制仍處于推測和假說階段，如何快速分離出純度高的 MT 方法仍有待發(fā)掘。因此，深入研究MT，在不久的將來MT 必將在食品、醫(yī)藥、保健、環(huán)境、化妝品、生物工程等領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，并擁有更廣闊的市場前景。

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