メタロチオネイン (metallothionein) は、1957年にMargoshesとValleeによってウマの腎臓からカドミウムを結合するタンパク質として発見された、金属結合性のタンパク質である。その名前の由来は金属 (metal) と硫黄 (thio) を豊富に含むタンパク質 (nein) から名付けられた。メタロチオネインは全ての動物細胞に存在し、植物中にはファイトケラチンが認められる。分子中に最大7-12個の重金属イオンを結合できることから、必須微量元素の恒常性維持あるいは重金属元素の解毒の役割を果たしていると考えられている。また、抗酸化性タンパク質としても注目されている。
ラットのメタロチオネイン-2の三次元立体構造
立体構造はリボンで表され、青色側がN末端、赤色側がC末端である。分子中に5つのカドミウム原子（赤い球）と2つの亜鉛原子（青い球）を含有している。なお、N末端（メチオニン残基）にはアセチル基が結合しているが、画像上では省略した。
構造
メタロチオネインは分子量およそ6,000~7,000の低分子タンパク質である。哺乳動物では61~68アミノ酸残基で構成され、その1/3にあたる20残基がシステインである。また、メタロチオネインは芳香族アミノ酸を含まないため、タンパク質を簡易に検出する際に用いられるUVスペクトルにおける 280 nm の吸収が観測されない。アミノ酸配列は下等動物から高等動物まで保存されており、特にシステインの配列はよく保存されている。
メタロチオネインにおける金属結合ドメインのモチーフは、CxCあるいはCxxCである。メタロチオネインは2つのドメインに分けられ、C末端側をα-ドメインと呼び、N末端側をβ-ドメインと呼ぶ。α-ドメインで4つの、β-ドメインで3つの金属と結合している。さらに、β-ドメインはα-ドメインよりも反応性に富み、他分子との金属交換反応では、まずβ-ドメインから金属が提供される。
ヒトにおいては、メタロチオネイン-I から -IV までの4種のアイソフォームが存在し、メタロチオネイン-I はさらに、10種程のサブクラスがある。名前が示すとおり、システイン由来のチオール基 (-SH) に富み、チオール基を介して金属を取り込む性質を有する。結合できる金属種はd軌道に電子を10個含む金属種である。メタロチオネイン1分子中に結合できる金属数は、亜鉛やカドミウムで最大7個、銅では最大12個である。
メタロチオネインに結合する金属種は18種類と言われているが、通常生体に存在するメタロチオネインは亜鉛を結合した形（Zn-MT）である。一般に、亜鉛と置換しうる金属種は、銅（Cu+）、カドミウム（Cd2+）、鉛（Pb2+）、銀（Ag+）、水銀（Hg2+）、およびビスマス（Bi2+）である。金属に対する親和性は金属により異なり、安定度定数は銅で1019~1017、カドミウムで1017~1015、亜鉛で1014~1011である。また、生体内での半減期も金属種により異なり、Cd-MTで約80時間、Cu-MTで約20時間、Zn-MTで約17時間である。
局在
メタロチオネイン-Iおよびメタロチオネイン-IIはほとんどの臓器で発現しているが、特に肝臓、腎臓、小腸およびすい臓で多く発現している。細胞内では細胞質および核に存在するが、細胞周期のSおよびG2期には核、G1期には細胞質に局在している。タンパク質の発現量は動物種により相違が見られる。ヒト、イヌ、ネコ、ブタおよびヤギの肝臓では、湿重量あたりおおよそ400〜700 µgであるのに対し、サル、ウシ、ヒツジでは200 µg、ウサギやネズミでは2〜10 µgとばらつきが見られる。また、分子種間でも発現量に相違が見られ、ヒトでは一般にメタロチオネイン-IIの方がメタロチオネイン-Iよりも多く発現している。
メタロチオネイン-IIIは脳で発現している。他に、舌、胃、心臓、腎臓および生殖器官でmRNAの発現が見られる。また、メタロチオネイン-IVはある種の扁平上皮細胞で発現している。
誘導
メタロチオネインは、亜鉛やカドミウム等の金属の他に、グルココルチコイド、過酸化水素、インターロイキン-6等、種々の刺激で誘導される。
金属による誘導は、MTF-1 (metal transcriptional factor) およびMRE (metal responsive element) を介した経路と活性酸素種を介した経路があると考えられている。亜鉛はMTF-1と結合、核移行後、メタロチオネインのプロモーター部位のMREと結合し、メタロチオネインが誘導される。他にカドミウムと銅がこの経路を介すると言われるが、MTF-1と直接結合しうるのは亜鉛のみである。
活性酸素種による誘導は、過酸化水素が良く知られ、プロモーター部位のARE (antioxidant responsive element) を介した誘導である。また、一部プロテインキナーゼ経路を介するとも考えられている。
さらに、メタロチオネインはGRE (glucocorticoid responsive element) やAP-1サイトを持ち、グルココルチコイドやサイトカインにより誘導を受ける。
機能
メタロチオネインの生理的な役割については数多くの報告されており、代表的には以下の通りである
- 必須微量元素の恒常性維持、あるいは過剰な重金属の解毒
- 活性酸素種などのラジカルやアルキル化剤の消去
1. は分子中に金属を取り込む性質に由来し、生物にとって必須ではあるが、その反応性の高さ故に毒性も有する重金属種の管理を行っている。さらに、代謝や転写を司る酵素に亜鉛含有酵素が多く存在することから、それらの酵素への亜鉛提供による代謝および転写調節の働きも示唆されている。
2. はシステイン残基のチオール基がラジカル種と容易に反応する性質に由来する。すなわち、金属と結合していないチオールが毒性を有するラジカル種を消去している。また、メタロチオネインは20残基のシステインを有することから、この消去能は高く、酸化に対する防御因子として高い能力を持っている。さらに、サイトカインなどの生理活性物質や四肢緊縛、紫外線などの外的ストレスでも誘導されることから、生体防御物質としての働きも注目されている。
MT-IIIは、他の分子種では見られない神経発育抑制活性を持ち、中枢神経系に重要な機能を有すると考えられる。MT-IVに関しては詳細は不明である。
医学的研究においては、ビスマスや亜鉛などメタロチオネインを誘導する化合物の前投与により、金属や活性酸素種の毒性軽減が試みられてきた。具体的には、ビスマス化合物投与により、シスプラチン（抗ガン剤）の代表的な副作用である腎毒性が軽減できる。また、ガンの発生との関連性も議論されている。肝ガンなどの一部を除く多くのガン病変でメタロチオネインが誘導されていることが明らかとなっている（肝ガンでは減少）。しかしながら、直接的な関与に関しては未だ議論中である。
