研  究  主  題

Heavy metal sequestration mechanism in fission yeast and plants  

國立臺灣大學   微生物與生化所   生物化學研究室

莊 榮 輝  與 520 研究室 所有 共同研究人員

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一、金屬在細胞中的角色：

1) 緣起： 植物對環境的毒害只有逆來順受 → 植物細胞如何有效地排除重金屬的毒害？

2) 背景： 週期表過渡元素 (Group IIB) 金屬 Zn, Cd, Hg 同一列元素化性類似，而離子大小有差異。

3) 實例：許多酵素或基因活化分子，都需要金屬離子參與其分子構造中：

荷爾蒙受體 Glucocorticoid hormone receptor:  [Cys-X-X-Cys] ... Zn²⁺

蛋白脢 Carboxypeptidase (metal protease):  [Glu-His-His] ... Zn²⁺  

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二、金屬硫汰 metallothioneins：

發現歷史：  

Margoshes & Vallee (1957) 發現馬腎臟中的鎘結合物質 metallothionein (MT)。

MT 構造：

1) 分子量約 6,000~7,000，所含 61 至 74 個胺基酸中有 20 個 Cys，且多以 Cys-X-Cys 序列存在。

2) 每分子 MT 可結合七個鎘離子； 無 His 及芳香族胺基酸。

3) MT 是轉譯的產物，可由細胞中的金屬濃度所調控，有相當複雜的基因調控機制。

MT 分類：

Class I:     典型的 MT，分子上的 Cys 位置固定，與馬的 MT 有極大相似性。

Class II:   與第一類的 Cys 位置較不相似，但確有 MT 功能。

Class III: 植物中的鎘結合物質，非轉譯產物，稱為 植物螯合素 phytochelatin (PC)。

植物的 MT：

1) MT 可在 soybean root 及 seed 中發現，抗小鼠 MT 的抗體對此 MT 有交叉反應。

2) Ec protein 是小麥胚芽中一種類似 MT 的蛋白質，可由 ABA 所誘生。

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MT 生理功能：

1) Protective against toxic metals (與重金屬結合而隔離之)

2) Zn-dispensing / regulating system (細胞內鋅的貯存池)

3) Free radical scavenger (含 -SH 基可消耗細胞內自由基)

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三、植物螯合素  phytochelatins：

發現歷史：  

Cadystin 酵母菌 (Hayashi et al, 1981) → Phytochelatin 植物 (Zenk et al., 1986)

PC 分子構造： 通式 (g-Glu-Cys)_n-Gly (n = 2 ~ 11)

1) 為何使用 g-Glu 而非一般的 a-Glu COOH？ 可形成自由度很大的胜汰片段 (PC)。

2) Glutathione → 先產生 (PC)n → 遇鎘再形成 PC complexes (LMW → HMW)。

3) PC synthase (PCS) → PCS 基因已被選殖出來，但其調控機制仍然未明。

PC₂ 分子的脊骨構造極為自由：

細胞中鎘的隔離途徑：  (見下圖)

1) PC 的產生隨著鎘的加入而增多 → 植物或酵母菌在鎘環境下會產生 PC。 

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上圖說明：

a) 當重金屬侵襲細胞時，細胞外層可能會吸附重金屬，作為第一線的防禦。

b) 若重金屬鎘已侵入細胞，會破壞大部分胞內酵素，使得細胞生長受阻。 某些植物細胞可誘生 PC 合成脢 (PCS) 產生植物螯合素 PC，結合入侵的重金屬。

c) PC 先與重金屬結合成分子量較低的 LMW 複合體，作為應急的處理方式，快速除去重金屬，避免細胞受到傷害。

d) LMW 複合體被送入液泡，加上硫成為分子量較大的 HMW 複合體，是較穩定的貯存方式。

e) HMW 複合體可能再送出細胞，目前機制不明。      

PCS 對 GSH 的可能催化機制，產生 PC₂。

2) HMT1 在液泡膜上把 PC-Cd 複合物送入液泡，進行 LMW → HMW 轉換。

LMW 及 HMW 複合物間的轉換：

LMW 逐漸轉換成 HMW，而且其分子越來越緊密 (上圖)。另外，在試管中，LMW 可以加入 sulfide 後轉變成 HMW。

3) 鎘最後可能送出細胞外？ 以鎘處理的酵母菌外表有變化，可以電子顯微鏡觀察。

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4) 胞外也有鎘結合蛋白 (H6)，含有高量的酸性胺基酸及六個 His；H6 的胺基酸序列以質譜儀分析得如下圖。

Phytoremediation：

利用植物對重金屬的吸收能力，來清除土壤中的鎘污染。例如，可以用台灣 芒草 對重金屬污染土地做吸附；也可以利用 布袋蓮 對污染的水地進行復育。

綜合討論：

1) MT 及 PC 是用來結合重金屬；或是作為細胞內 還原基團 的儲存庫？

2) 是植物的 MT 退化掉？ 或是動物失去了 PC？

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References (Review paper)

Cobbett CS (2000) Phytochelatin biosynthesis and function in heavy-metal detoxification. Curr Opin Plant Biol 3: 211~216  (最新最詳盡有關 PCS 的報導)

Cobbett CS (2000) Phytochelatin and their roles in heavy metal detoxification. Plant Physiol 123: 825~832  (同上面作者在 phytochelatin 方面的整體評論)

Linking

Cunningham SD, Ow DW (1996) Promises and prospects of phytoremediation. Plant Physiol  110: 715~719

Hamer DH (1986) Metallothionein. Ann Rev Biochem  55: 913~951 (古典的 MT Review)

Mejare M, Bulow L (2001) Metal-binding proteins and peptides in bioremediation and phytoremediation of heavy metals. Trends Biotech 19: 67~73 (最新的一篇簡短 review)

Ow DW (1993) Phytochelatin-mediated cadmium tolerance in Schizosaccharomyces pombe. In Vitro Cell Dev Biol  29P: 213~219 (精簡說明鎘在酵母菌細胞內的隔離機制)

Rauser WE (1995) Phytochelatins and related peptides. Plant Physiol  109: 1141~1149 (PC 構造)

Riordan JF, Vallee BL ed (1991) Methods in Enzymology, Vol 205, Metallobiochemistry (Part B): Metallothionein and related molecules, Academic Press (相當完全的一本有關 MT 的專書，可供作實驗操作手冊之用，也包含 phytochelatins)

Robinson NJ, Tommey AM, Kuske C, Jackson PJ (1993) Plant Metallothioneins. Biochem J  295: 1~10 (對植物的 MT 有相當詳細的整理)

Salt DE, Smith RD, Raskin I (1998) Phytoremediation. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 49: 643~668 

Steffens JC (1990) The heavy metal-binding peptides of plants. Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol  41: 553~575 (Phytochelatin 入門)

References  (Juang RH)

Juang RH, McCue KF, Ow DW (1993) Two purine biosynthetic enzymes that are required for cadmium-tolerance in Schizosaccharomyces pombe utilize cysteine sulfinate in vitro. Arch Biochem Biophys  304: 392~401

Wu JS, Sung HY, Juang RH (1995) Transformation of cadmium-binding complexes during cadmium sequestration in fission yeast. Biochem Mol Biol Int  36: 1169~1175 

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建立日期：2000/4/13； 更新日期： 2012/11/16

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