用转基因动物研究金属硫蛋白对镉毒性的作用
作者：刘 杰
单位：66160 美国堪萨斯城,堪萨斯大学医学中心药理毒理系
关键词：
中华劳动卫生职业病杂志/980122
镉(Cd)是一种污染环境的重金属,它广泛地用于电池、合金、塑料生产及电镀工业等，并作为一种污染源存在于某些磷肥之中。镉在自然界难于降解，广泛存在于食物链中。镉的毒性取决于接触剂量的大小和接触时间的长短。大剂量、急性镉中毒可致肝、肺和睾丸损伤，而慢性镉中毒则影响肾脏、骨骼、血液及免疫系统，甚至引起癌变。体内的镉绝大部分与金属硫蛋白(Metallothionein,简称MT)结合，主要分布于肝、肾。因此，研究MT与镉毒性的关系显得至关重要。
MT为小分子的富含巯基的蛋白质，它的氨基酸组成的1/3为半胱氨酸，这些半胱氨酸的残基可以结合镉或其它金属，从而成为体内镉的“储库”。MT很容易被金属、有机化合物及各种环境刺激所诱导，故常用诱导的方法来提高组织中的MT含量以研究其功能。但至今没有特异的MT诱导剂，常用的MT诱导剂可产生许多其它副作用，故对MT的功能难以正确评价。
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近年来，随着转基因技术的推广和应用，转基因动物已成为阐明某一基因产物功能的有力手段。本文仅就利用转基因动物来研究MT对镉毒性的作用作一简要综述。
一、MT转基因动物
现已研制出MT-I和MT-III高表达型的转基因动物，以及删除MT-I/II和MT-III的转基因动物。MT-III主要分布于大脑中,参与维持锌的稳态及突触的传递功能;而MT-I和MT-II则广泛分布于各组织中，与镉毒性密切相关。故本文仅讨论MT-I/II转基因动物。MT-I的高表达型的转基因动物(以下简称MT-TG)[1]是将改造的MT-I基因序列整合入含MT的质粒中，然后将此DNA片段显微注射入小鼠受精卵中，植入假孕母鼠的宫腔。用DNA杂交检测成活的仔鼠是否携带此基因。现在应用的MT-TG动物比正常鼠多含50拷贝的MT-I基因，因此在其各组织中均有较高的MT含量，以胰腺、肝、肾和胃肠为显著(5～20倍)。组织中的MT可进一步被诱导[2]。MT-TG鼠与正常鼠外观无异，其组织中细胞色素P450酶类、抗氧化损伤酶类及锌、铜等微量元素均在正常范围之内[2]。
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MT-I/II基因删除动物，是将人工合成的DNA片段整合入含有MT-I/II基因的质粒中，以造成基因突变(MT-I)或早期蛋白质翻译的中断(MT-II)，以致具有功能的MT蛋白质不能合成[3,4]。将改造后的基因转入(transfect)胚胎干细胞(ES)中。经筛选，携带此基因的ES细胞被注射入C57小鼠的胚母细胞(Blastocyte)中，并植入假孕鼠的子宫。产生的仔鼠(Chemiria)进一步与正常鼠杂交，筛选出无MT-I/II基因的杂合子以至纯合子(Homozygous)的鼠(以下简称MT-null)。MT-null动物能正常的繁殖、生长，与正常鼠无异，说明MT-I/II并非生命所必需。在MT-null动物的组织中，MT蛋白质含量低于临界值水平，并不受MT诱导剂所诱导[5,6]。MT-null动物组织中的抗氧化酶
类、激素水平、能量代谢以及锌和铜的含量基本上处于正常范围之内[5~7]。
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二、MT对镉体内代谢动力学的影响
1.吸收:口服CdCl2吸收很差(?%)。在镉0.3～100 μmol/kg的剂量范围内，MT-TG动物从胃肠吸收镉的能力与正常动物相似;仅在镉300 μmol/kg的染毒剂量下才有明显增加的趋势。提示胃肠MT在镉口服吸收中的作用是很有限的[8]。
2.分布：不论口服还是注射染毒，镉在转基因动物组织中的“即时分布”均与正常动物相似。若口服给药，镉在主要脏器(肝、肠、心、肺、肌肉、睾丸)的分布依染毒剂量的增减而异:肾脏蓄镉随剂量加大而增加；肝/肾含镉百分比随剂量而变化。但转基因动物未见特异性，提示MT对镉的组织分布的影响是有限的[5,8]。
3.排泄：胆汁和粪便是体内镉排泄的主要途径。在MT-null动物中，较多的镉从胆汁分泌并从粪便排出[5]，支持以前有关因肝脏MT诱导而减少胆汁镉排泄的假设。
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4.组织蓄积：虽然镉的“即时分布”在MT-null鼠中与正常鼠无异，但随着染镉时间的推移，镉在MT-null鼠组织中的蓄积则大大减少，以肝、肾最为明显。例如,慢性染镉10周，MT-null动物肝、肾的镉含量仅为正常动物的1/10[9~11]。因此，镉在体内与MT的结合是其生物半衰期特别长的原因。
三、MT对镉急性毒性和肝损伤的影响
一次大剂量注射CdCl2可引起量-效相关的急性毒性。MT-TG动物可明显耐受染镉所致的急性毒性。例如:能引起对照动物死亡50%的染镉剂量，只引起不到5%的MT-TG动物死亡[12];反之,MT-null动物的死亡率则明显高于正常动物[3,4,6,13]，证实了MT对镉急性毒性的保护作用。
急性镉中毒的动物主要死于肝损伤以及随之而来的肝衰竭。MT-TG鼠明显耐受镉所致的肝损伤:在相同的染镉剂量(3.1 mg/kg)下，其血清氨基移换酶活力明显低于对照组，而组织坏死则明显减少[12]，这是因为进入肝脏的镉主要和MT结合，从而减少镉在其他主要亚细胞成分中的分布。反之，MT-null动物的血清氨基移换酶活力则数倍高于对照组，大片肝细胞的坏死清晰可见[5,13]。在急性镉中毒时，动物不但产生肝细胞坏死，同时亦产生肝细胞凋亡[14],在MT-null动物染镉后的肝脏中亦可发现比正常动物明显多的凋亡细胞[14]，以及c-jun和p53基因的异常表达[13]。以上的发现肯定了MT具有保护镉所致肝损伤的作用。
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锌可以诱导MT，预先给锌可保护镉对正常动物的急性毒性及肝损伤,而锌不能诱导MT-null动物产生MT，故不能保护镉对其急性的肝损伤。提示锌对镉急性毒性的保护作用是通过MT诱导实现的[5]。
四、MT对镉金属硫蛋白复合物(CdMT)急性肾毒性的影响
一般认为，镉的肾毒性是由CdMT所致。MT由肝脏合成，然后与镉结合成CdMT。当肝损伤或肝脏CdMT蓄积量饱和时,CdMT释放于血液中，通过肾小球滤过,并由肾小管吸收而产生肾毒性。因此，一次性大量注射CdMT已广泛用于镉肾毒性的研究。
MT-TG动物的肾脏含有5～10倍于正常动物的MT，原位杂交显示:近曲小管MT分布浓度较高。但是，MT-TG动物对CdMT(0.1～0.6 mg/kg)所致的急性肾损伤无明显的自我保护[15],而MT-null动物对CdMT所致的肾毒性亦未见明显的敏感[14]。值得注意的是,预给锌(或与CdMT一起给予)的MT-null动物，可有效地预防CdMT所致的肾损伤[5,15,16]。提示锌对CdMT急性肾毒性的保护作用并非通过诱导肾细胞内的MT实现。肾损伤是慢性镉中毒的主要特征，而细胞内的MT对CdMT的急性肾损伤似无明显的作用。
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五、MT对慢性染镉所致肾损伤的保护作用
给MT-null鼠和正常鼠慢性染镉(0.025～2.4 mg*kg-1*d-1，达10周之久)来诱发镉肾中毒。MT-null动物不能耐受长期、慢性染镉，最高耐受剂量仅约为对照组的1/10左右。用0.1 mg/kg的CdCl2染镉6周后即出现明显的肾毒性，表现为蛋白尿、酶尿、血尿素氮增高以及肾脏的广泛损伤。与此相比，正常动物须用10倍量或更多的镉才出现类似的肾毒症状[10]。在正常动物中，肾脏MT被镉诱导达平常100倍以上，至500～800 μg/g，而MT-null动物，最高耐受量的镉亦不能诱导其肾MT生成(〈2 μg/g)。如此悬殊的肾MT含量差异似为MT-null动物易发生慢性镉中毒的主要原因[10]。
用MT-null转基因动物发现了几个有关镉毒性的关键问题：(1)镉引起的肾中毒并不一定要通过CdMT来实现，因为MT-null动物不能合成CdMT，但产生肾损伤；(2)证实细胞内MT对镉的慢性毒性有保护作用；(3)对急性CdMT所致的肾损伤模型提出了质疑。最近对大鼠[17]和小鼠实验的结果均提示:急性CdMT的损伤并不能完全模拟慢性镉中毒所致的肾病理变化以及防护机制。
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六、MT对镉引起的血液系统及免疫器官毒性的影响
慢性染镉，随剂量的增加及染镉时间的延长，不仅造成肾脏毒性，而且损伤其他器官。小鼠慢性染镉10周，红细胞和血红蛋白可下降25%～45%，而白细胞总数上升2～3倍，其中中性粒细胞百分比从0.20上升至0.60，而淋巴细胞则从0.80下降至0.40。MT-null动物对镉所致的外周血象变化尤为敏感，所需剂量仅为正常对照的1/8～1/10[18]。
慢性染镉亦造成量-效相关的肝(2倍)、脾(7倍)肿大及胸腺的萎缩(下降50%)。肝、脾的病理观察发现炎症细胞浸润，巨脾细胞，细胞凋亡、增生乃至纤维化[11,18]。所有的这些变化在MT-null动物中都相当明显和严重。以上结果首次提示：细胞内的MT对镉所致血液及免疫器官的毒性亦有保护作用。
七、MT对镉所致骨骼毒性的影响
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慢性镉中毒对骨的毒性已广为人知，但其影响因素，尤其是MT的参与则无报道。给MT-null动物一次口服200 μg镉，胃肠道钙的排出量高于对照组2倍，提示MT可防止口服镉所致的骨质丢失[19]。给MT-null动物慢性染镉(0.1 mg/kg)10周，对股骨长度虽无明显影响，但骨失去光泽，骨的净重、骨灰及骨钙含量均下降达30%。X线片显示:骨两端骨质疏松、透明度增加，骨切片显示明显的病理改变。而在同等剂量下，以上病理改变在正常动物中不明显[20]。用转基因动物首次揭示了MT对镉的骨毒性也有相当程度的影响。
八、MT对镉所致的睾丸损伤作用
大剂量镉注射可在24～48小时内引起广泛的睾丸坏死，而后形成钙化、萎缩的睾丸。镉所致的睾丸损伤具有明显的动物种系差异，而MT曾被认为是防止镉睾丸损伤的重要因素之一。MT-TG动物的睾丸和卵巢的MT mRNA和相应的MT蛋白质含量较高，但却不能保护镉所致的急性睾丸和卵巢的损伤[21]。MT-null动物虽显示出易受镉所致的睾丸损伤，但与动物杂交的背景相比，则显得次要。例如:129系鼠对镉的睾丸损害敏感，C57系鼠染镉未见明显睾丸损害,由129和C57杂交的后代则对镉呈中等程度的敏感[22]。因此，MT并非为镉引起睾丸损伤的决定性因素，其它的基因和蛋白质产物的作用则有待进一步的探讨。
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九、MT、镉中毒和氧化损伤
氧化损伤已被列为镉毒性的一个重要机制。由于MT富含巯基，具有清除氧化自由基的功能,所以,MT的抗氧化损伤作用已成为近年来研究的一个重点。近来发现:镉不仅对从MT-null动物分离出的肝细胞或体外培养的胚胎细胞表现出细胞毒性，同时亦易使它们产生脂质过氧化[23,24]。缺乏MT的体外细胞亦对丁基过氧化物(t-butylhydroperoxide)、对苯琨(paraquat)等所致的氧化损伤更为敏感[23,24,7,25]。
提示:MT对镉毒性的保护作用不仅仅是与镉的结合，而且可能与MT的抗氧化作用有关。
十、小结
MT对镉的毒理作用随着转基因动物的应用日益清楚，MT对镉的吸收及镉在体内的最初分布无明显影响，但肝脏的MT可减少镉从胆汁中的排泄。组织中的MT与镉结合是镉在体内蓄积的主要原因。细胞内的CdMT一般来说是无毒的，但体循环中的CdMT可以对肾和免疫功能产生不良影响。细胞内的MT能有效地保护镉所致的急性毒性和肝损伤，也能有效地保护镉所致的肝、肾、血液及免疫系统的慢性毒性损害。MT转基因动物的实验提示:镉的肾毒作用并不一定通过CdMT，用急性CdMT染毒来探讨镉肾毒性的机制及治疗不是一个满意的模型。镉对睾丸的毒性主要取决于其它的非MT因素，MT在镉所致氧化损伤中的作用值得进一步探讨。
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参 考 文 献
1 Palmiter RD,Sandgren EP,Koeller DM,et al.Distal regulatory elements from the mouse metallothionein locus stimulate gene expression in transgenic mice.Mol Cell Biol,1993,13:5266~5275.
2 Iszard MB,Liu J,Liu YP,et al.Characterization of metallothionein-I transgenic mice.Toxicol Appl Pharmacol,1995,133:260~268.
3 Michalska AE,Choo KHA.Targeting and germ-line transmission of null mutation at the metallothionein I and II loci in mouse.Proc Natl Acad Sci USA,1993,90:8088~8092.
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4 Masters BA,Kelly EJ,Quaife CJ,et al.Targeted disruption of metallothionein I and II genes increase sensitivity to cadmium.Proc Natl Acad Sci USA,1994,91:584~588.5 Liu J,Liu YP,Klaassen CD,et al.Distribution and retention of cadmium in metallothionein null mice.Toxicol Appl Pharmacol,1996,136:260~268.
6 Liu J,Liu YP,Michalska AE,et al.Metallothionein plays less of a protective role in CdMT-induced nephrotoxicity than CdCl2-induced hepatotoxicity.J Pharmacol Exp Ther,1996,276:1216~1223.
, 百拇医药
7 Beattie J,Black D,Duncan J,et al.Characterization of mice with trageted disruption of metallothionein-I and II genes.Am J Physiol,1996,270:R971~R977.
8 Liu J,Klaassen CD.Absorption and distribution of cadmium in metallothionein-I transgenic mice.Fundam Appl Toxicol,1996,29:57~68.
9 Tohyma C,Satoh M,Kodama N,et al.Reduced retention of cadmium in the liver of metallothionein null mice.Environ Toxicol Pharmacol,1996,1:213~216.
, 百拇医药
10Klassen,CD,Liu J,Liu YP,et al.Chronic cadmium chloride-induced nephrotoxicity is not necessarily mediated through the Cd-metallothionein complex.Proc 4th MT Meeting,1997:122.
11Habeebu SS,Liu J,Liu YP,et al.MT-null mice are vulnerable to chronic cadmium-induced hepatotoxicity.Proc 4th MT Meeting,1997:147.
12Liu YP,Liu J,Klaassen CD,et al.Transgenic mice that overexpress metallothionein-I are protected from cadmium lethality and hepatoxicity. Toxical Appl Pharmacol,1995,135:222~228.
, 百拇医药
13Zheng H,Liu J,Choo KHA,et al.Metallothionein null mice are sensitive to cadmium-induced expression of liver mRNA for c-jun and p53.Toxicol Appl Pharmacol,1996,136:354~360.
14Habeebu SS,Liu J,Klaassen CD.Cadmium-induced apoptosis in mouse liver.Fundam Appl Toxicol,1996,30(supl):856.
15Liu YP,Liu J,Palmiter RD,et al.Metallothionein-I transgenic mice are not protected from cadmium-metallothionein-induced nephrotoxicity. Toxicol Appl Pharmacol,1996,137:305~236.
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16Shaikh ZA,Tang W,Sadovic S.Zinc-induced protection against Cd-metallothionein nephrotoxicity depends on glutathione status. Proc 4th MT Meeting,1997:126.
17Liu J,Habeebu SS,Liu YP,et al.Acute CdMT injection is not a good model to study chronic Cd nephrotoxicity.Proc 4th MT Meeting,1997:157.
18Liu J,Liu YP,Klaassen CD,et al.Metallothionein-null mice are susceptible to chronic Cd-induced hematotoxicity.Toxicol Sci,1998,1(supl):1609.
, 百拇医药
19Bathacharrya MH,Wilson AK,Blum CA.Metallothionein and cadmium-induced bone loss.Proc 4th MT Meeting,1997:124.
20Habeebu SS,Liu J,Klaassen CD.Cadmium-induced osteotoxicity in MT-null mice.Toxicol Sci,1998,1(supl):1606.
21Dalton T,Fu K,Enders GC,et al.Analysis of the effects of overexpression of cadmium.Environ Health Perspect,1996,104:68~76.
22Klaassen CD,Liu J.Cadmium-induced testicular injury in metallothionein null mice:Roles of mouse strain and metallothionein.Fundam Appl Toxicol,1996,30(Supl):721
, 百拇医药
23Lazo JS,Kondo Y,Dellapiazza D,et al.Enhanced sensitivity to oxidative stress in cultured embryonic cells from transgenic mice deficient in metallothionein I and II genes.J Biol Chem,1995,270:5506~5510.
24Zheng H,Liu J,Klaassen CD,et al,Hepatocytes from MT null mice are sensitive to oxidative stress induced by t-butylhydroperoxide and cadmium.Toxicol Lett,1996,136:229~235.
25Sato M,Apostolova MD,Hamaya M,et al.Susceptibility of metallothionein null mice to paraquat.Environ Toxicol Pharmacol,1996,1:221~225。
(收稿：1997-11-27), 百拇医药
单位：66160 美国堪萨斯城,堪萨斯大学医学中心药理毒理系
关键词：
中华劳动卫生职业病杂志/980122
镉(Cd)是一种污染环境的重金属,它广泛地用于电池、合金、塑料生产及电镀工业等，并作为一种污染源存在于某些磷肥之中。镉在自然界难于降解，广泛存在于食物链中。镉的毒性取决于接触剂量的大小和接触时间的长短。大剂量、急性镉中毒可致肝、肺和睾丸损伤，而慢性镉中毒则影响肾脏、骨骼、血液及免疫系统，甚至引起癌变。体内的镉绝大部分与金属硫蛋白(Metallothionein,简称MT)结合，主要分布于肝、肾。因此，研究MT与镉毒性的关系显得至关重要。
MT为小分子的富含巯基的蛋白质，它的氨基酸组成的1/3为半胱氨酸，这些半胱氨酸的残基可以结合镉或其它金属，从而成为体内镉的“储库”。MT很容易被金属、有机化合物及各种环境刺激所诱导，故常用诱导的方法来提高组织中的MT含量以研究其功能。但至今没有特异的MT诱导剂，常用的MT诱导剂可产生许多其它副作用，故对MT的功能难以正确评价。
, http://www.100md.com
近年来，随着转基因技术的推广和应用，转基因动物已成为阐明某一基因产物功能的有力手段。本文仅就利用转基因动物来研究MT对镉毒性的作用作一简要综述。
一、MT转基因动物
现已研制出MT-I和MT-III高表达型的转基因动物，以及删除MT-I/II和MT-III的转基因动物。MT-III主要分布于大脑中,参与维持锌的稳态及突触的传递功能;而MT-I和MT-II则广泛分布于各组织中，与镉毒性密切相关。故本文仅讨论MT-I/II转基因动物。MT-I的高表达型的转基因动物(以下简称MT-TG)[1]是将改造的MT-I基因序列整合入含MT的质粒中，然后将此DNA片段显微注射入小鼠受精卵中，植入假孕母鼠的宫腔。用DNA杂交检测成活的仔鼠是否携带此基因。现在应用的MT-TG动物比正常鼠多含50拷贝的MT-I基因，因此在其各组织中均有较高的MT含量，以胰腺、肝、肾和胃肠为显著(5～20倍)。组织中的MT可进一步被诱导[2]。MT-TG鼠与正常鼠外观无异，其组织中细胞色素P450酶类、抗氧化损伤酶类及锌、铜等微量元素均在正常范围之内[2]。
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MT-I/II基因删除动物，是将人工合成的DNA片段整合入含有MT-I/II基因的质粒中，以造成基因突变(MT-I)或早期蛋白质翻译的中断(MT-II)，以致具有功能的MT蛋白质不能合成[3,4]。将改造后的基因转入(transfect)胚胎干细胞(ES)中。经筛选，携带此基因的ES细胞被注射入C57小鼠的胚母细胞(Blastocyte)中，并植入假孕鼠的子宫。产生的仔鼠(Chemiria)进一步与正常鼠杂交，筛选出无MT-I/II基因的杂合子以至纯合子(Homozygous)的鼠(以下简称MT-null)。MT-null动物能正常的繁殖、生长，与正常鼠无异，说明MT-I/II并非生命所必需。在MT-null动物的组织中，MT蛋白质含量低于临界值水平，并不受MT诱导剂所诱导[5,6]。MT-null动物组织中的抗氧化酶
类、激素水平、能量代谢以及锌和铜的含量基本上处于正常范围之内[5~7]。
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二、MT对镉体内代谢动力学的影响
1.吸收:口服CdCl2吸收很差(?%)。在镉0.3～100 μmol/kg的剂量范围内，MT-TG动物从胃肠吸收镉的能力与正常动物相似;仅在镉300 μmol/kg的染毒剂量下才有明显增加的趋势。提示胃肠MT在镉口服吸收中的作用是很有限的[8]。
2.分布：不论口服还是注射染毒，镉在转基因动物组织中的“即时分布”均与正常动物相似。若口服给药，镉在主要脏器(肝、肠、心、肺、肌肉、睾丸)的分布依染毒剂量的增减而异:肾脏蓄镉随剂量加大而增加；肝/肾含镉百分比随剂量而变化。但转基因动物未见特异性，提示MT对镉的组织分布的影响是有限的[5,8]。
3.排泄：胆汁和粪便是体内镉排泄的主要途径。在MT-null动物中，较多的镉从胆汁分泌并从粪便排出[5]，支持以前有关因肝脏MT诱导而减少胆汁镉排泄的假设。
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4.组织蓄积：虽然镉的“即时分布”在MT-null鼠中与正常鼠无异，但随着染镉时间的推移，镉在MT-null鼠组织中的蓄积则大大减少，以肝、肾最为明显。例如,慢性染镉10周，MT-null动物肝、肾的镉含量仅为正常动物的1/10[9~11]。因此，镉在体内与MT的结合是其生物半衰期特别长的原因。
三、MT对镉急性毒性和肝损伤的影响
一次大剂量注射CdCl2可引起量-效相关的急性毒性。MT-TG动物可明显耐受染镉所致的急性毒性。例如:能引起对照动物死亡50%的染镉剂量，只引起不到5%的MT-TG动物死亡[12];反之,MT-null动物的死亡率则明显高于正常动物[3,4,6,13]，证实了MT对镉急性毒性的保护作用。
急性镉中毒的动物主要死于肝损伤以及随之而来的肝衰竭。MT-TG鼠明显耐受镉所致的肝损伤:在相同的染镉剂量(3.1 mg/kg)下，其血清氨基移换酶活力明显低于对照组，而组织坏死则明显减少[12]，这是因为进入肝脏的镉主要和MT结合，从而减少镉在其他主要亚细胞成分中的分布。反之，MT-null动物的血清氨基移换酶活力则数倍高于对照组，大片肝细胞的坏死清晰可见[5,13]。在急性镉中毒时，动物不但产生肝细胞坏死，同时亦产生肝细胞凋亡[14],在MT-null动物染镉后的肝脏中亦可发现比正常动物明显多的凋亡细胞[14]，以及c-jun和p53基因的异常表达[13]。以上的发现肯定了MT具有保护镉所致肝损伤的作用。
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锌可以诱导MT，预先给锌可保护镉对正常动物的急性毒性及肝损伤,而锌不能诱导MT-null动物产生MT，故不能保护镉对其急性的肝损伤。提示锌对镉急性毒性的保护作用是通过MT诱导实现的[5]。
四、MT对镉金属硫蛋白复合物(CdMT)急性肾毒性的影响
一般认为，镉的肾毒性是由CdMT所致。MT由肝脏合成，然后与镉结合成CdMT。当肝损伤或肝脏CdMT蓄积量饱和时,CdMT释放于血液中，通过肾小球滤过,并由肾小管吸收而产生肾毒性。因此，一次性大量注射CdMT已广泛用于镉肾毒性的研究。
MT-TG动物的肾脏含有5～10倍于正常动物的MT，原位杂交显示:近曲小管MT分布浓度较高。但是，MT-TG动物对CdMT(0.1～0.6 mg/kg)所致的急性肾损伤无明显的自我保护[15],而MT-null动物对CdMT所致的肾毒性亦未见明显的敏感[14]。值得注意的是,预给锌(或与CdMT一起给予)的MT-null动物，可有效地预防CdMT所致的肾损伤[5,15,16]。提示锌对CdMT急性肾毒性的保护作用并非通过诱导肾细胞内的MT实现。肾损伤是慢性镉中毒的主要特征，而细胞内的MT对CdMT的急性肾损伤似无明显的作用。
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五、MT对慢性染镉所致肾损伤的保护作用
给MT-null鼠和正常鼠慢性染镉(0.025～2.4 mg*kg-1*d-1，达10周之久)来诱发镉肾中毒。MT-null动物不能耐受长期、慢性染镉，最高耐受剂量仅约为对照组的1/10左右。用0.1 mg/kg的CdCl2染镉6周后即出现明显的肾毒性，表现为蛋白尿、酶尿、血尿素氮增高以及肾脏的广泛损伤。与此相比，正常动物须用10倍量或更多的镉才出现类似的肾毒症状[10]。在正常动物中，肾脏MT被镉诱导达平常100倍以上，至500～800 μg/g，而MT-null动物，最高耐受量的镉亦不能诱导其肾MT生成(〈2 μg/g)。如此悬殊的肾MT含量差异似为MT-null动物易发生慢性镉中毒的主要原因[10]。
用MT-null转基因动物发现了几个有关镉毒性的关键问题：(1)镉引起的肾中毒并不一定要通过CdMT来实现，因为MT-null动物不能合成CdMT，但产生肾损伤；(2)证实细胞内MT对镉的慢性毒性有保护作用；(3)对急性CdMT所致的肾损伤模型提出了质疑。最近对大鼠[17]和小鼠实验的结果均提示:急性CdMT的损伤并不能完全模拟慢性镉中毒所致的肾病理变化以及防护机制。
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六、MT对镉引起的血液系统及免疫器官毒性的影响
慢性染镉，随剂量的增加及染镉时间的延长，不仅造成肾脏毒性，而且损伤其他器官。小鼠慢性染镉10周，红细胞和血红蛋白可下降25%～45%，而白细胞总数上升2～3倍，其中中性粒细胞百分比从0.20上升至0.60，而淋巴细胞则从0.80下降至0.40。MT-null动物对镉所致的外周血象变化尤为敏感，所需剂量仅为正常对照的1/8～1/10[18]。
慢性染镉亦造成量-效相关的肝(2倍)、脾(7倍)肿大及胸腺的萎缩(下降50%)。肝、脾的病理观察发现炎症细胞浸润，巨脾细胞，细胞凋亡、增生乃至纤维化[11,18]。所有的这些变化在MT-null动物中都相当明显和严重。以上结果首次提示：细胞内的MT对镉所致血液及免疫器官的毒性亦有保护作用。
七、MT对镉所致骨骼毒性的影响
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慢性镉中毒对骨的毒性已广为人知，但其影响因素，尤其是MT的参与则无报道。给MT-null动物一次口服200 μg镉，胃肠道钙的排出量高于对照组2倍，提示MT可防止口服镉所致的骨质丢失[19]。给MT-null动物慢性染镉(0.1 mg/kg)10周，对股骨长度虽无明显影响，但骨失去光泽，骨的净重、骨灰及骨钙含量均下降达30%。X线片显示:骨两端骨质疏松、透明度增加，骨切片显示明显的病理改变。而在同等剂量下，以上病理改变在正常动物中不明显[20]。用转基因动物首次揭示了MT对镉的骨毒性也有相当程度的影响。
八、MT对镉所致的睾丸损伤作用
大剂量镉注射可在24～48小时内引起广泛的睾丸坏死，而后形成钙化、萎缩的睾丸。镉所致的睾丸损伤具有明显的动物种系差异，而MT曾被认为是防止镉睾丸损伤的重要因素之一。MT-TG动物的睾丸和卵巢的MT mRNA和相应的MT蛋白质含量较高，但却不能保护镉所致的急性睾丸和卵巢的损伤[21]。MT-null动物虽显示出易受镉所致的睾丸损伤，但与动物杂交的背景相比，则显得次要。例如:129系鼠对镉的睾丸损害敏感，C57系鼠染镉未见明显睾丸损害,由129和C57杂交的后代则对镉呈中等程度的敏感[22]。因此，MT并非为镉引起睾丸损伤的决定性因素，其它的基因和蛋白质产物的作用则有待进一步的探讨。
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九、MT、镉中毒和氧化损伤
氧化损伤已被列为镉毒性的一个重要机制。由于MT富含巯基，具有清除氧化自由基的功能,所以,MT的抗氧化损伤作用已成为近年来研究的一个重点。近来发现:镉不仅对从MT-null动物分离出的肝细胞或体外培养的胚胎细胞表现出细胞毒性，同时亦易使它们产生脂质过氧化[23,24]。缺乏MT的体外细胞亦对丁基过氧化物(t-butylhydroperoxide)、对苯琨(paraquat)等所致的氧化损伤更为敏感[23,24,7,25]。
提示:MT对镉毒性的保护作用不仅仅是与镉的结合，而且可能与MT的抗氧化作用有关。
十、小结
MT对镉的毒理作用随着转基因动物的应用日益清楚，MT对镉的吸收及镉在体内的最初分布无明显影响，但肝脏的MT可减少镉从胆汁中的排泄。组织中的MT与镉结合是镉在体内蓄积的主要原因。细胞内的CdMT一般来说是无毒的，但体循环中的CdMT可以对肾和免疫功能产生不良影响。细胞内的MT能有效地保护镉所致的急性毒性和肝损伤，也能有效地保护镉所致的肝、肾、血液及免疫系统的慢性毒性损害。MT转基因动物的实验提示:镉的肾毒作用并不一定通过CdMT，用急性CdMT染毒来探讨镉肾毒性的机制及治疗不是一个满意的模型。镉对睾丸的毒性主要取决于其它的非MT因素，MT在镉所致氧化损伤中的作用值得进一步探讨。
, 百拇医药
参 考 文 献
1 Palmiter RD,Sandgren EP,Koeller DM,et al.Distal regulatory elements from the mouse metallothionein locus stimulate gene expression in transgenic mice.Mol Cell Biol,1993,13:5266~5275.
2 Iszard MB,Liu J,Liu YP,et al.Characterization of metallothionein-I transgenic mice.Toxicol Appl Pharmacol,1995,133:260~268.
3 Michalska AE,Choo KHA.Targeting and germ-line transmission of null mutation at the metallothionein I and II loci in mouse.Proc Natl Acad Sci USA,1993,90:8088~8092.
, 百拇医药
4 Masters BA,Kelly EJ,Quaife CJ,et al.Targeted disruption of metallothionein I and II genes increase sensitivity to cadmium.Proc Natl Acad Sci USA,1994,91:584~588.5 Liu J,Liu YP,Klaassen CD,et al.Distribution and retention of cadmium in metallothionein null mice.Toxicol Appl Pharmacol,1996,136:260~268.
6 Liu J,Liu YP,Michalska AE,et al.Metallothionein plays less of a protective role in CdMT-induced nephrotoxicity than CdCl2-induced hepatotoxicity.J Pharmacol Exp Ther,1996,276:1216~1223.
, 百拇医药
7 Beattie J,Black D,Duncan J,et al.Characterization of mice with trageted disruption of metallothionein-I and II genes.Am J Physiol,1996,270:R971~R977.
8 Liu J,Klaassen CD.Absorption and distribution of cadmium in metallothionein-I transgenic mice.Fundam Appl Toxicol,1996,29:57~68.
9 Tohyma C,Satoh M,Kodama N,et al.Reduced retention of cadmium in the liver of metallothionein null mice.Environ Toxicol Pharmacol,1996,1:213~216.
, 百拇医药
10Klassen,CD,Liu J,Liu YP,et al.Chronic cadmium chloride-induced nephrotoxicity is not necessarily mediated through the Cd-metallothionein complex.Proc 4th MT Meeting,1997:122.
11Habeebu SS,Liu J,Liu YP,et al.MT-null mice are vulnerable to chronic cadmium-induced hepatotoxicity.Proc 4th MT Meeting,1997:147.
12Liu YP,Liu J,Klaassen CD,et al.Transgenic mice that overexpress metallothionein-I are protected from cadmium lethality and hepatoxicity. Toxical Appl Pharmacol,1995,135:222~228.
, 百拇医药
13Zheng H,Liu J,Choo KHA,et al.Metallothionein null mice are sensitive to cadmium-induced expression of liver mRNA for c-jun and p53.Toxicol Appl Pharmacol,1996,136:354~360.
14Habeebu SS,Liu J,Klaassen CD.Cadmium-induced apoptosis in mouse liver.Fundam Appl Toxicol,1996,30(supl):856.
15Liu YP,Liu J,Palmiter RD,et al.Metallothionein-I transgenic mice are not protected from cadmium-metallothionein-induced nephrotoxicity. Toxicol Appl Pharmacol,1996,137:305~236.
, http://www.100md.com
16Shaikh ZA,Tang W,Sadovic S.Zinc-induced protection against Cd-metallothionein nephrotoxicity depends on glutathione status. Proc 4th MT Meeting,1997:126.
17Liu J,Habeebu SS,Liu YP,et al.Acute CdMT injection is not a good model to study chronic Cd nephrotoxicity.Proc 4th MT Meeting,1997:157.
18Liu J,Liu YP,Klaassen CD,et al.Metallothionein-null mice are susceptible to chronic Cd-induced hematotoxicity.Toxicol Sci,1998,1(supl):1609.
, 百拇医药
19Bathacharrya MH,Wilson AK,Blum CA.Metallothionein and cadmium-induced bone loss.Proc 4th MT Meeting,1997:124.
20Habeebu SS,Liu J,Klaassen CD.Cadmium-induced osteotoxicity in MT-null mice.Toxicol Sci,1998,1(supl):1606.
21Dalton T,Fu K,Enders GC,et al.Analysis of the effects of overexpression of cadmium.Environ Health Perspect,1996,104:68~76.
22Klaassen CD,Liu J.Cadmium-induced testicular injury in metallothionein null mice:Roles of mouse strain and metallothionein.Fundam Appl Toxicol,1996,30(Supl):721
, 百拇医药
23Lazo JS,Kondo Y,Dellapiazza D,et al.Enhanced sensitivity to oxidative stress in cultured embryonic cells from transgenic mice deficient in metallothionein I and II genes.J Biol Chem,1995,270:5506~5510.
24Zheng H,Liu J,Klaassen CD,et al,Hepatocytes from MT null mice are sensitive to oxidative stress induced by t-butylhydroperoxide and cadmium.Toxicol Lett,1996,136:229~235.
25Sato M,Apostolova MD,Hamaya M,et al.Susceptibility of metallothionein null mice to paraquat.Environ Toxicol Pharmacol,1996,1:221~225。
(收稿：1997-11-27), 百拇医药