Metallothionein - Metallothionein

Metallothionein-Superfamilie (Pflanze)
Beta-E-Domäne von Weizen Ec-1 Metallothionein an Zinkionen gebunden . Cysteine ​​in Gelb, Zink in Violett. ( PDB : 2KAK ​)
Bezeichner
Symbol	Metallothionein_sfam
Pfam	PF00131
InterPro	IPR003019
Verfügbare Proteinstrukturen: Pfam   Strukturen / ECOD   PDB RCSB-PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum Strukturzusammenfassung PDB PDB : 1dfs ​ PDB : 1dft ​ PDB : 1dmc ​ PDB : 1dmd ​ PDB : 1dme ​ PDB : 1dmf ​ PDB : 1j5l ​ PDB : 1j5m ​ PDB : 1ji9 ​ PDB : 1m0g​

Hefe MT
Saccharomyces cerevisiae MT an Metallothionein gebunden Kupferionen. Cysteine ​​in Gelb, Kupfer in Braun. ( PDB : 1AQS ​)
Bezeichner
Symbol	Hefe-Metallothionein
Pfam	PF11403
Pfam- Clan	CL0461
InterPro	IPR022710
Verfügbare Proteinstrukturen: Pfam   Strukturen / ECOD   PDB RCSB-PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum Strukturzusammenfassung

Cyanobakterielle SmtA
Cyanobakterielles SmtA-Metallothionein, das an Zinkionen gebunden ist. Cysteine ​​in Gelb, Zink in Violett. ( PDB : 1JJD ​)
Bezeichner
Symbol	Bakterielles Metallothionein
Pfam	PF02069
Pfam- Clan	CL0461
InterPro	IPR000518
Verfügbare Proteinstrukturen: Pfam   Strukturen / ECOD   PDB RCSB-PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum Strukturzusammenfassung

Metallothionein (MT) ist eine Familie von Cystein- reichen Proteinen mit niedrigem Molekulargewicht ( MG im Bereich von 500 bis 14000 Da ) . Sie sind an der Membran des Golgi-Apparats lokalisiert . MTs haben die Fähigkeit, sowohl physiologische (wie Zink , Kupfer , Selen ) als auch xenobiotische (wie Cadmium , Quecksilber , Silber , Arsen ) Schwermetalle über die Thiolgruppe ihrer Cysteinreste zu binden , die fast 30 % ihrer Amino- Bestandteile ausmachen Säurerückstände .

MT wurde 1957 von Vallee und Margoshe bei der Reinigung eines Cd-bindenden Proteins aus der Nierenrinde von Pferden (Pferden) entdeckt . MT spielt eine Rolle beim Schutz vor Metalltoxizität und oxidativem Stress und ist an der Zink- und Kupferregulation beteiligt. Es gibt vier Hauptisoformen, die beim Menschen exprimiert werden (Familie 1, siehe Tabelle unten): MT1 (Subtypen A , B , E , F , G , H , L , M , X ), MT2 , MT3 und MT4 . Im menschlichen Körper werden große Mengen hauptsächlich in Leber und Niere synthetisiert . Ihre Produktion ist abhängig von der Verfügbarkeit der Nahrungsmineralien wie Zink , Kupfer und Selen sowie der Aminosäuren Histidin und Cystein.

Metallothioneine sind reich an Thiolen, wodurch sie eine Reihe von Spurenmetallen binden. Metallothionein bindet mehrere Zn-Ionen. Eines der wenigen eukaryontischen Proteine, die eine wichtige Rolle bei der Metallentgiftung spielen. Zink und Cadmium sind tetraedrisch an Cysteinreste koordiniert, jedes Metallothionein-Proteinmolekül kann bis zu 7 Atome von Zn oder Cd binden. Die Biosynthese von Metallothionein schien während des oxidativen Stresses um ein Vielfaches zugenommen zu haben, um die Zellen vor Zytotoxizität und DNA-Schäden zu schützen. Die Metallothionein-Biosynthese kann auch durch bestimmte Wirkstoffe oder Zustände induziert werden, zum Beispiel Hormone, Pharmazeutika, Alkohole, andere Substanzbehandlungen und vieles mehr. Metallothionein ist ein zytoplasmatisches Protein, in der Leber eines Erwachsenen ist es hauptsächlich im Zytoplasma lokalisiert. Beim menschlichen Fötus ist Metallothionein in Hepatozytenkernen lokalisiert.

Struktur und Klassifizierung

MTs kommen in einer Vielzahl taxonomischer Gruppen vor, die von Prokaryoten (wie den Cyanobakterien Synechococcus sp. ), Protozoen (wie den Ciliaten- Gattungen Tetrahymena ), Pflanzen (wie Pisum sativum , Triticum durum , Zea mays oder Quercus suber . ) reichen ), Hefe (wie Saccharomyces cerevisiae oder Candida albicans ), wirbellose Tiere (wie der Nematode Caenorhabditis elegans , das insekt Drosophila melanogaster , der Molluske Mytilus edulis oder der echinoderm Strongylocentrotus purpuratus ) und Vertebraten (wie die Hühner Gallus gallus , oder Säugetier Homo sapiens oder Mus musculus ).

Die MTs aus diesem vielfältigen taxonomischen Bereich repräsentieren eine Sequenz mit hoher Heterogenität (bezüglich des Molekulargewichts und der Anzahl und Verteilung von Cys-Resten) und zeigen keine allgemeine Homologie; trotzdem findet man Homologie innerhalb einiger taxonomischer Gruppen (wie z. B. Wirbeltier-MTs).

Ausgehend von ihrer Primärstruktur wurden MTs nach verschiedenen Methoden klassifiziert. Die erste stammt aus dem Jahr 1987, als Fowler et al. , etablierte drei Klassen von MTs: Klasse I, einschließlich der MTs, die Homologie mit Pferde-MT zeigen, Klasse II, einschließlich der restlichen MTs ohne Homologie mit Pferde-MT, und Klasse III, die Phytochelatine umfasst , Cys-reiche enzymatisch synthetisierte Peptide . Die zweite Klassifizierung wurde 2001 von Binz und Kagi durchgeführt und berücksichtigt taxonomische Parameter und die Verteilungsmuster von Cys-Resten entlang der MT-Sequenz. Daraus ergibt sich eine Klassifikation von 15 Familien für proteinhaltige MTs. Familie 15 enthält die Pflanzen-MTs, die 2002 von Cobbet und Goldsbrough weiter in 4 Typen (1, 2, 3 und 4) unterteilt wurden, abhängig von der Verteilung ihrer Cys-Reste und einer Cys-freien Region (sogenannte Spacer), die für charakteristisch ist Pflanzen-MTs.

Eine Tabelle mit den wichtigsten Aspekten der beiden letztgenannten Klassifikationen ist beigefügt.

Weitere Daten zu dieser Klassifikation sind auf der Expasy-Metallothionein-Seite zu finden.

Sekundärstrukturelemente wurden in mehreren MTs SmtA von Syneccochoccus , Säugetier MT3, Echinoderma SpMTA, Fisch Notothenia coriiceps MT, Crustacean MTH beobachtet, aber bis jetzt wird der Gehalt solcher Strukturen in MTs als gering angesehen, und ihr funktioneller Einfluss ist nicht bedacht.

Die Tertiärstruktur von MTs ist ebenfalls sehr heterogen. Während Vertebraten, echinoderm und Krustentier MTs eine bidominial Struktur mit zweiwertigen Metallen , wie Zn (II) oder Cd zeigen (II) (das Protein gefaltet ist , um so zu binden Metalle in zwei funktionell unabhängigen Domänen mit einem metallischen Cluster jeweils), Hefe- und procariotyc MTs zeigen eine monodominiale Struktur (eine Domäne mit einem einzelnen metallischen Cluster ). Obwohl für Mollusken-, Nematoden- und Drosophila-MTs keine Strukturdaten verfügbar sind, wird allgemein angenommen, dass erstere bidominial und letztere monodominial sind. Für Pflanzen-MTs sind keine schlüssigen Daten verfügbar, aber es wurden zwei mögliche Strukturen vorgeschlagen: 1) eine bidominiale Struktur ähnlich der von Wirbeltier-MTs; 2) eine codominiale Struktur, in der zwei Cys-reiche Domänen wechselwirken, um einen einzelnen metallischen Cluster zu bilden.

Die Quartärstruktur wurde für MTs nicht allgemein berücksichtigt. Dimerisierungs- und Oligomerisierungsprozesse wurden beobachtet und verschiedenen molekularen Mechanismen zugeschrieben, einschließlich intermolekularer Disulfidbildung, Brückenbildung durch Metalle, die entweder durch Cys- oder His-Reste an verschiedenen MTs gebunden sind, oder anorganische Phosphat-vermittelte Wechselwirkungen. Es wurde gezeigt, dass dimere und polymere MTs bei der Metallentgiftung neue Eigenschaften erlangen, aber die physiologische Bedeutung dieser Prozesse wurde nur im Fall von prokaryotischen Synechococcus SmtA gezeigt. Das von diesem Organismus produzierte MT-Dimer bildet ähnliche Strukturen wie Zinkfinger und besitzt eine Zn-regulierende Aktivität.

Metallothioneine haben verschiedene Metallbindungspräferenzen, die mit funktioneller Spezifität in Verbindung gebracht wurden. Beispielsweise bindet das Säugetier Mus musculus MT1 bevorzugt zweiwertige Metallionen (Zn(II), Cd(II),...), während Hefe CUP1 selektiv für einwertige Metallionen (Cu(I), Ag(I), ...). Streng metallselektive MTs mit metallspezifischen physiologischen Funktionen wurden von Dallinger et al. (1997) in Lungenschnecken (Gastropoda, Mollusca). Die römische Schnecke ( Helix pomatia ) zum Beispiel besitzt eine Cd-selektive (CdMT) und eine Cu-selektive Isoform (CuMT), die an der Cd-Entgiftung bzw. Cu-Regulierung beteiligt sind. Während beide Isoformen eine unveränderte Anzahl und Position von Cys-Resten enthalten, die für die Metallligation verantwortlich sind, wird die Metallselektivität offenbar durch Sequenzmodulation von Aminosäureresten erreicht, die nicht direkt an der Metallbindung beteiligt sind (Palacios et al. 2011).

Basierend auf diesen funktionellen Präferenzen wird derzeit eine neuartige funktionelle Klassifizierung von MTs als Zn- oder Cu-Thioneine entwickelt.

Hefe

Metallothioneine sind durch eine Fülle von gekennzeichnet Cystein - Reste und ein Mangel an generischen Sekundärstruktur Motive . Hefe-Metallothionein (MT) werden alternativ auch Kupfermetallothionein (CUP) genannt. Hefemetallothionein koordiniert viel stärker an Cu ⁺ als an Cu ²⁺ .

Funktion

Dieses Protein dient der Speicherung, dem Transport und der Entgiftung von Primärmetallen . Genauer gesagt speichert Yeast MT Kupfer und schützt daher die Zelle vor Kupfertoxizität, indem es Kupferionen stark chelatisiert .

Für die ersten 40 Reste im Protein wickelt sich das Polypeptid um das Metall, indem es zwei große parallele Schleifen bildet, die durch einen tiefen Spalt getrennt sind, der den Metallcluster enthält.

Beispiele

Hefe MT ist im Folgenden zu finden:

• Saccharomyces cerevisiae
• Neurospora crassa

Funktion

Metallbindung

Metallothionein bindet nachweislich eine breite Palette von Metallen, einschließlich Cadmium, Blei, Zink, Quecksilber, Kupfer, Arsen, Silber usw. Es wurde bereits früher berichtet, dass die Metallierung von MT kooperativ erfolgt, aber neuere Berichte haben starke Beweise dafür geliefert, dass die Metallbindung über ein sequentieller, nicht kooperativer Mechanismus. Die Beobachtung von teilweise metalliertem MT (d. h. mit einer gewissen freien Metallbindungskapazität) legt nahe, dass diese Spezies biologisch wichtig sind.

Metallothioneine sind wahrscheinlich an der Aufnahme, dem Transport und der Regulierung von Zink in biologischen Systemen beteiligt. Säugetier-MT bindet drei Zn(II)-Ionen in seiner Beta-Domäne und vier in der Alpha-Domäne. Cystein ist eine schwefelhaltige Aminosäure, daher der Name "-Thionein". Für einige MT-Formen wurde jedoch die Beteiligung anorganischer Sulfid- und Chloridionen vorgeschlagen. Bei einigen MTs, meist bakteriellen, ist Histidin an der Zinkbindung beteiligt. Durch Bindung und Freisetzung von Zink können Metallothioneine (MTs) den Zinkspiegel im Körper regulieren. Zink wiederum ist durch seine Beteiligung an der Zinkfingerregion des Proteins ein Schlüsselelement für die Aktivierung und Bindung bestimmter Transkriptionsfaktoren . Metallothionein transportiert auch Zinkionen (Signale) von einem Teil der Zelle zum anderen. Wenn Zink in eine Zelle eindringt, kann es von Thionein (das somit zu "Metallothionein" wird) aufgenommen und zu einem anderen Teil der Zelle transportiert werden, wo es an eine andere Organelle oder ein anderes Protein abgegeben wird. Auf diese Weise werden Thionein und Metallothionein zu einem Schlüsselbestandteil des Zink-Signalsystems in Zellen. Dieses System ist im Gehirn besonders wichtig, wo die Zinksignalübertragung sowohl zwischen als auch innerhalb von Nervenzellen stark ausgeprägt ist. Es scheint auch für die Regulation des Tumorsuppressorproteins p53 wichtig zu sein.

Kontrolle von oxidativem Stress

Cysteinreste von MTs können schädliche Oxidationsmittelradikale wie Superoxid- und Hydroxylradikale einfangen. Bei dieser Reaktion wird Cystein zu Cystin oxidiert und die an Cystein gebundenen Metallionen werden an das Medium freigesetzt. Wie im Abschnitt Expression und Regulation erklärt , kann dieses Zn die Synthese weiterer MTs aktivieren. Dieser Mechanismus wurde als wichtiger Mechanismus bei der Kontrolle des oxidativen Stresses durch MTs vorgeschlagen. Die Rolle von MTs bei der Reduzierung von oxidativem Stress wurde durch MT-Knockout-Mutanten bestätigt, aber einige Experimente schlagen auch eine prooxidative Rolle für MTs vor.

Metallothionein spielt auch eine Rolle bei der Differenzierung und Proliferation von hämatopoetischen Zellen sowie bei der Verhinderung der Apoptose von früh differenzierten Zellen. Die induzierten MT-Spiegel waren nachteilig mit der Empfindlichkeit gegenüber Etoposid-induzierter Apoptose verbunden, was bedeutet, dass MT ein potenzieller negativer Controller der Apoptose ist.

Ausdruck und Regulierung

Die Metallothionein-Genexpression wird durch eine Vielzahl von Stimuli induziert, wie Metallexposition, oxidativer Stress, Glukokortikoide, Vitamin D , Wasserstress, Fasten , Bewegung usw. Das Ausmaß der Reaktion auf diese Induktoren hängt vom MT-Gen ab. MT-Gene enthalten in ihren Promotoren spezifische Sequenzen für die Regulation der Expression, Elemente als Metal-Response-Elemente (MRE), Glucocorticoid-Response-Elemente (GRE), GC-reiche Boxen, Basal-Level-Elemente (BLE) und Thyroid-Response-Elemente (TRE) .

Metallothionein und Krankheiten

Krebs

Da MTs eine wichtige Rolle bei der Regulation von Transkriptionsfaktoren spielen, können Defekte in der MT-Funktion oder -Expression zu einer malignen Transformation von Zellen und letztendlich zu Krebs führen . Studien haben eine erhöhte Expression von MTs bei einigen Krebsarten der Brust, des Dickdarms, der Niere, der Leber, der Haut (Melanom), der Lunge, des Nasopharynx, der Eierstöcke, der Prostata, des Mundes, der Speicheldrüsen, der Hoden, der Schilddrüse und der Harnblase festgestellt; sie fanden auch niedrigere Spiegel der MT-Expression bei hepatozellulärem Karzinom und Leber-Adenokarzinom.

Es gibt Hinweise darauf, dass eine höhere MT-Expression auch zu einer Resistenz gegen Chemotherapeutika führen kann .

Autismus

Schwermetallvergiftung wurde vorgeschlagen als eine hypothetische Ätiologie von Autismus und Dysfunktion von MT - Synthese und Aktivität kann eine Rolle spielen. Viele Schwermetalle, darunter Quecksilber , Blei und Arsen , wurden mit Symptomen in Verbindung gebracht, die den neurologischen Symptomen von Autismus ähneln. MT-Dysfunktion wurde jedoch nicht speziell mit Autismus-Spektrum-Störungen in Verbindung gebracht. Eine Studie aus dem Jahr 2006, in der Kinder untersucht wurden, die dem Impfstoff- Konservierungsmittel Thiomersal ausgesetzt waren , ergab, dass sich die Spiegel von MT und Antikörpern gegen MT bei autistischen Kindern nicht signifikant von nicht-autistischen Kindern unterschieden.

Ein niedriges Verhältnis von Zink zu Kupfer wurde als Biomarker für Autismus angesehen und als Hinweis auf eine Beeinflussung des Metallothionein-Systems vorgeschlagen.

Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass der Zinkspiegel der Mutter den immunologischen Zustand des sich entwickelnden Babys beeinflussen kann, was zu Autismus führen kann und wiederum ein Hinweis darauf sein könnte, dass das Metallothionein-System betroffen ist.

Siehe auch

• Phytochelatine

Verweise

Weiterlesen

Externe Links

• Expasy-Metallothionein-Seite