Введение

Семейство белков

Металлотионеин (MT) – это семейство белков, богатых цистеином, с низкой молекулярной массой (MW в диапазоне от 500 до 14000 Да). Они локализованы в мембране аппарата Гольджи. MT способны связывать как физиологические (такие как цинк, медь, селен), так и ксенобиотические (такие как кадмий, ртуть, серебро, мышьяк, свинец) тяжелые металлы посредством тиольной группы остатков цистеина, которые составляют почти 30% от общего числа аминокислотных остатков. MT был впервые обнаружен в 1957 году Валле и Маргоше при очистке белка, связывающего Cd, из коры надпочечников лошади. MT играет роль в защите от токсичности металлов и окислительного стресса, а также участвует в регуляции обмена цинка и меди. У человека экспрессируются четыре основных изоформы (семейство 1, см. схему ниже): MT1 (подтипы A, B, E, F, G, H, L, M, X), MT2, MT3 и MT4. В организме человека большие количества синтезируются преимущественно в печени и почках. Их продукция зависит от доступности в пище таких минералов, как цинк, медь и селен, а также аминокислот гистидин и цистеин. Металлотионеины богаты тиолами, что обуславливает их способность связывать ряд микроэлементов. Металлотионеин – один из немногих эукариотических белков, играющих существенную роль в детоксикации металлов. Цинк и кадмий тетраэдрически координированы с остатками цистеина, и каждая молекула белка металлотионеина может связывать до 7 атомов Zn или Cd. Биосинтез металлотионеина, по-видимому, увеличивается в несколько раз в периоды окислительного стресса для защиты клеток от цитотоксичности и повреждения ДНК. Биосинтез металлотионеина также может индуцироваться определенными гормонами, фармацевтическими препаратами, спиртами и другими соединениями. Экспрессия металлотионеина повышается в период развития плода, особенно в ткани печени.

Функция

Основная биологическая функция металлотионеинов – поддержание гомеостаза жизненно важных металлов цинка и меди, однако металлотионеины также защищают от токсичности металлов и окислительного стресса.

Сцепление металла

Металлотионеин связывает широкий спектр металлов, включая кадмий, свинец, цинк, ртуть, медь, мышьяк, серебро и другие. Ранее считалось, что металлизация МТ происходит кооперативно, однако недавние исследования предоставили убедительные доказательства того, что связывание металлов происходит последовательно, по некооперативному механизму. Наблюдение частично металлизованного МТ (то есть сохраняющего некоторую способность связывать свободные металлы) позволяет предположить, что эти формы биологически значимы. Металлотионеины, вероятно, участвуют в поглощении, транспортировке и регуляции цинка в биологических системах. МТ млекопитающих связывает три иона Zn(II) в бета-домене и четыре – в альфа-домене. Цистеин – это серосодержащая аминокислота, отсюда и название «тионеин». Однако для некоторых форм МТ предложено участие неорганических сульфидных и хлоридных ионов. В некоторых МТ, преимущественно бактериальных, гистидин участвует в связывании цинка. Связывая и высвобождая цинк, металлотионеины (МТ) могут регулировать уровень цинка в организме. Цинк, в свою очередь, является ключевым элементом для активации и связывания определенных факторов транскрипции благодаря участию в цинковом пальце белка. Металлотионеин также переносит ионы цинка (сигналы) из одной части клетки в другую. Когда цинк попадает в клетку, он может быть захвачен тионеином (который таким образом превращается в «металлотионеин») и перенесен в другую часть клетки, где он высвобождается в другую органеллу или белок. Таким образом, тионеин и металлотионеин становятся ключевым компонентом цинковой сигнальной системы в клетках. Эта система особенно важна в мозге, где цинковая сигнализация выражена как между, так и внутри нервных клеток. Также, по-видимому, она играет важную роль в регуляции белка-супрессора опухолей p53.

Контроль окислительного стресса

Остатки цистеина в составе металлотионеинов (МТ) способны захватывать вредные окислительные радикалы, такие как супероксидный и гидроксильный радикалы. В ходе этой реакции цистеин окисляется до цистина, а ионы металлов, связанные с цистеином, высвобождаются в окружающую среду. Как описано в разделе "Экспрессия и регуляция", этот цинк может активировать синтез дополнительных МТ. Этот механизм предложен в качестве важного способа контроля окислительного стресса посредством МТ. Роль МТ в уменьшении окислительного стресса подтверждена исследованиями на мутантных линиях с нокаутом гена МТ, однако некоторые эксперименты указывают и на прооксидантную функцию МТ. В клетках млекопитающих спонтанный мутагенез в значительной степени обусловлен окислительным повреждением ДНК, и возникновение такого повреждения может быть предотвращено металлотионеином. Металлотионеин также участвует в дифференцировке и пролиферации гемопоэтических клеток, а также в предотвращении апоптоза ранних дифференцированных клеток. Повышенные уровни МТ были обратно связаны с чувствительностью к апоптозу, индуцированному этопозидом, что свидетельствует о потенциальной роли МТ как негативного регулятора апоптоза.

Выражение и регулирование

Экспрессия гена металлотионеина индуцируется широким спектром стимулов, таких как воздействие металлов, окислительный стресс, глюкокортикоиды, витамин D, водный стресс, голодание, физические нагрузки и другие. Бета-гидроксибутирилирование гистонных белков усиливает экспрессию MT2. Степень ответа на эти индукторы зависит от конкретного гена МТ. Гены МТ содержат в промоторных областях специфические последовательности, регулирующие экспрессию, включая элементы ответа на металлы (MRE), элементы ответа на глюкокортикоиды (GRE), GC-богатые участки, элементы базального уровня (BLE) и элементы ответа на гормоны щитовидной железы (TRE).

Рак

Поскольку МТ играют важную роль в регуляции факторов транскрипции, дефекты в функции или экспрессии МТ могут приводить к злокачественной трансформации клеток и, в конечном итоге, к раку. Исследования выявили повышенную экспрессию МТ при некоторых видах рака молочной железы, толстой кишки, почек, печени, кожи (меланомы), легких, носоглотки, яичников, простаты, полости рта, слюнных желез, яичек, щитовидной железы и мочевого пузыря; также обнаружены более низкие уровни экспрессии МТ при гепатоцеллюлярной карциноме и аденокарциноме печени. Имеющиеся данные указывают на то, что более высокая экспрессия МТ может вызывать устойчивость к химиотерапии.

Аутизм

В качестве гипотетической причины аутизма рассматривается токсичность тяжелых металлов, и нарушение синтеза и активности металлотионеина (МТ) может играть в этом роль. Многие тяжелые металлы, включая ртуть, свинец и мышьяк, связаны с симптомами, схожими с неврологическими проявлениями аутизма. Однако, нарушение функции МТ не было конкретно связано с расстройствами аутистического спектра. Исследование 2006 года, посвященное детям, подвергшимся воздействию тиомерсала – консерванта вакцин, показало, что уровни МТ и антител к МТ у детей с аутизмом не отличались существенно от таковых у детей без аутизма. Низкое соотношение цинка к меди рассматривается как биомаркер аутизма и предполагает, что система металлотионеина могла быть нарушена. Более того, есть данные, указывающие на то, что уровень цинка у матери может влиять на иммунную систему развивающегося плода, что потенциально может привести к аутизму и, возможно, свидетельствует о нарушении системы металлотионеина.