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肠道铁吸收调控的研究进展 (作者授权)
2012-10-3

 

李丰益

四川大学华西第二医院 儿童血液肿瘤研究室

发表于:《中国小儿血液与肿瘤》杂志, 2006 ; 11(6):324-328.

铁作为一种微量元素在机体内具有非常重要的作用,如通过形成血红蛋白、肌红蛋白参与体内氧和二氧化碳气体等在组织间的运输;通过形成多种细胞色素蛋白参与细胞线粒体内电子传递和能量的代谢;通过作为核糖核苷酸还原酶、腺苷脱氨酶、 NADPH 氧化酶等的辅基而参与遗传物质 DNA 的合成、免疫反应等机体内许多重要的生命过程。缺铁不仅会使机体出现贫血,也会导致对机体免疫系统、肌肉运动系统、智能与神经系统的损害;相反体内铁负荷过重,特别是肝脏、心脏等组织的实质细胞内的铁负荷过重,将使机体继发皮肤色素沉着、糖尿病、关节炎、器官硬化、睾丸萎缩等。

正常情况下,体内的铁量是相对恒定的,以一个成年男性为例,其体内铁的总量约 3 ~ 4g ,相当于每 kg 体重含铁量 50mg ,新生儿则较高(约 75mg/kg )。人体中的铁约 2/3 以血红蛋白和肌红蛋白的形式存在;另外 1/3 则以铁蛋白、转铁蛋白或其他含铁蛋白和含铁酶的形式存在的;而以游离铁形式存在于组织细胞内(也称可变铁池—— labile iron pool, LIP )或循环体液中的铁则非常非常少,但他们对于调控细胞铁稳态、以 Fenton 氏反应所形成的自由基参与机体免疫防御反应或在导致对机体的过氧化损伤等过程中却是非常重要的。

从铁代谢的角度也可将体内的铁分成三部分:一部分是日常吸收入体内的外源性铁,如通过肠道从食物中吸收的铁;一部分是体内组织、细胞及体液中的内源性铁,包括储存铁和处于细胞内或循环体液中的功能性铁池;还有一部分就是日常通过大小便排泄、肠壁和皮肤上皮细胞脱落等而从体内丢失的铁(每天的排泄量约 1 ~ 2mg )。处于血浆中循环状态下的铁通常是以与转铁蛋白结合的形式存在的,转铁蛋白是一种主要由肝脏合成的糖蛋白,生理 pH 条件下与铁的亲和力很高,能结合 1 ~ 2 个 Fe 3+ ,一般情况下血浆中转铁蛋白的铁饱和度仅为 1/3 不到,尚具有相当大的结合铁的能力,也就是说循环血浆中铁离子几乎均以同转铁蛋白结合的形式存在,而以游离形式存在的则非常低。与转铁蛋白结合的铁也是外源性铁吸收转化为内源性铁和体内各组织细胞间铁转运的主要形式。在长期的生物进化过程中,机体并未获得对铁排泄量的调控能力,也就是说体内铁多了,机体不会增加排铁,相反体内铁少了,机体也不会减少排铁。因此,要维持体内铁的平衡,满足细胞增殖分化,特别是红系造血对铁的需要,机体通过肠道对铁吸收进行精准的调控是特别重要的。

我们知道血红蛋白主要存在于红细胞内,其功能的发挥也有赖于红细胞的完整性,而红细胞的寿命是有限的,一般为 120 天。这就意味着体内每天大约有 1% 的衰老红细胞要被肝、脾、骨髓单核巨噬细胞系统吞噬破坏,同时每天有大约 1% 的新生红细胞从造血组织补充到循环系统中,由于体内红系造血对铁的需求是最大的,经估算伴随着红细胞的新老更替,体内每天大约有 28mg 铁参与造血过程中铁的代谢。正常情况下,这些铁中绝大部分可由单核巨噬细胞系统吞噬破坏衰老红细胞后,通过对衰老红细胞中铁的摄取、储存和再动用而提供,另外很小的一部分(约 1 ~ 2mg )则由外源性铁通过肠道吸收并转入血循环后所提供。用同位素标记的方法进行研究后发现,肠道对一般膳食中铁的吸收率为 5% ~ 10% ,因此,要维持体内铁的稳态,理论上对膳食铁的需求量每天仅需约 20mg 就足够了。

与人体对其它营养素的吸收类似,铁吸收的主要部位在小肠,特别是小肠上段的十二指肠。研究者们先后提出了铁蛋白( ferritin , Fn )、转铁蛋白( transferrin , Tf )等途径参与肠道铁吸收转运假说。前者认为机体缺铁时能促进肠粘膜细胞合成、分泌去铁铁蛋白 (apo-Fn) ,后者能与肠腔中游离的铁结合并将其转入肠粘膜细胞内,但随后的免疫学研究发现,铁缺乏的动物肠道吸收铁的细胞内几乎不含 Fn , Mclaren 等( 1958 )对遗传性血色素沉着症患者肠铁吸收和调节的研究中也发现患者铁增多虽与肠铁吸收增加有关,但患者肠粘膜中 Fn 并无明显变化,表明其肠铁吸收增多与 Fn 无关。后者以 Green 等( 1968 )为代表,认为肠粘膜细胞可以 Tf 为铁载体,将 Tf 分泌到肠腔内与铁结合后再与肠粘膜细胞上的 TfR ( transferritin receptor )结合,通过 TfR 介导的内吞途径将食物中的铁吸收转运到细胞内,但该理论本身也存在很多不能解释的问题,如研究发现无 Tf 血症的患者体内不仅不发生缺铁反而会出现铁负荷过重,随后的研究也证实:虽然肠细胞基底膜面有 TfR 存在, TfR-Tf 摄铁途径也被证实为体内许多组织细胞获取铁的方式,但肠细胞面向肠腔的微绒毛膜上并无 TfR 表达,说明 Tf - TfR 途径可能并不参与小肠细胞对肠腔中外源性铁的吸收。随着分子生物学技术的不断发展,以及铁代谢研究的不断深入,特别是围绕遗传性缺铁和血色素沉着症等铁代谢疾病所进行的深入研究,几种新的铁代谢分子相继被发现,使我们对肠道铁吸收和体内铁稳态的调控机制渐渐地有了较为清楚的认识。

成熟小肠细胞是一种两极化的矢量细胞,也就是说肠细胞是有方向性的,其面向肠腔的微绒毛膜和面向血循环的基底膜无论是在膜蛋白的组成或是在细胞膜所担负的功能等方面都是不同的,肠腔中的外源性铁要通过小肠吸收并转入体内需穿过 3 个屏障:首先需穿过面向肠腔的小肠细胞微绒毛膜,其次是在小肠细胞内从微绒毛膜面转移到基底膜面,最后才穿过基底膜进入血液。进入肠腔中的有机铁或无机铁虽可分别经不同的转运途径被吸收,但其吸收转运都是受机体严格控制的。目前参与食物中有机铁(主要是以血红素形式存在的铁)吸收转运的蛋白尚未最终被确定,有关食物中有机铁吸收的机制仅是推测在小肠上皮细胞微绒毛膜上有一种血红素受体转运蛋白,该蛋白可介导肠腔中的血红素通过肠道铁吸收的第一道屏障,吸收入小肠细胞中的血红素经胞内血红素氧化酶( haem oxygenase, HO )作用后分解并游离出 Fe 2+ 后,再完成肠道铁吸收转运的后续过程。目前关于小肠铁吸收转运的机理,得到较多认同的观点是 Easthan 等提出的非受体介导的铁吸收转运学说。下面主要介绍肠道非血红素铁(无机铁)吸收及机体铁稳态调控机制的有关研究进展。

一、肠道非血红素铁吸收的机制:

1. 肠道铁吸收的第一道屏障

铁穿过小肠细胞面向肠腔面的微绒毛膜是小肠铁吸收的限速步骤,当机体缺铁时,发生在该处的铁吸收增加,反之则减少。食物中的无机铁绝大部分是以 Fe 3+ 形式存在的,肠道铁吸收的第一步首先是在位于小肠细胞微绒毛膜上的细胞色素 b 高铁还原酶 1(cytochrome b ferric reductase1 , Cybrd1) 的作用下,将 Fe 3+ 还原成 Fe 2+ ,再经小肠细胞面向肠腔的微绒毛膜面上的二价金属转运体( divalent metal transporter1,DMT-1 )将 Fe 2+ 转入胞内。

Cybrd1 最早也称为十二指肠细胞色素 b ( Duodennal cytochrome b, Dcyt b )是 McKie 等 2001 年分离并鉴定出的具有高铁还原酶活性的基因,定位于人体 2 号染色体,编码一个 286 残基的蛋白产物,与细胞色素 b561 有 50% 左右的同源性,由于分子内缺乏与具有提供电子的 NADH 、 NADPH 或黄素辅基结合的基序,在参与 Fe 3+ 还原的过程中推测需要与维生素 C 或其它组份形成聚合体。用 Northern Blot 方法证实 cybrd1 基因存在多种转录剪切本,其酶活性的变化可受铁内铁状况、低氧、感染等因素的影响。

DMT-1 又称二价阳离子转运体( divalent cationic transporter1,DCT-1 )或天然抗性相关巨噬细胞蛋白 2(natural resistance-associated macrophage protein-2 , Nramp2) ,已证实铁经 DMT-1 转运的过程还伴随着质子的同向转移。有关 DMT-1 参与机体铁吸收和转运功能的证实源于对两种遗传性缺铁模型小鼠的研究,分别为 mk 型( microcytic anemia type, mk 型)鼠和 b 型 (Belgrade type, b 型 ) 鼠,这两种模型鼠均呈现出以小肠铁吸收和红细胞铁利用障碍为特征的遗传性小细胞低色素性贫血,无论是增加膳食中铁的供应还是静脉补铁都不能使之恢复, Fleming 等( 1997 和 1998 年)先后证实这两种小鼠的小细胞低色素贫血与 DMT-1 基因 185 位密码子发生 G → A 突变有关,该突变导致其蛋白质产物 185 位的 gly 残基被 Arg 残基替代。进一步分别用野生型和突变型的 DMT-1 基因对 HEK293T 细胞进行转染后发现,正常 DMT-1 基因的过量表达能促进细胞铁的吸收,但突变型的 DMT-1 基因转染却不能促进该细胞对铁的吸收。

DMT-1 基因是溶质转运家族 11 中的第 2 个成员( solute carrier family 11 member 2,SLC 11A 2 )定位于人体 12q13 ,长 4409bp ,编码 1 个 561 氨基酸残基的蛋白质(分子量约 90KD ),具有十二个跨膜结构域,广泛分布于全身多种组织和细胞中,比如小肠近端、肾、胸腺、大脑等。但其 mRNA 含量以十二指肠中最高,通过免疫荧光技术测定发现, DMT-1 在十二指肠刷状缘膜上的分布与载体介导的二价铁吸收位点是一致的,此外它在细胞 TfR-Tf 摄铁循环途径中所形成的内吞小体膜、以及细胞内质膜上也有较广泛的分布 , 说明 DMT-1 不仅可以作为小肠微绒毛膜上铁的载体参与铁从肠腔到小肠细胞内的转运,而且还涉及到体内许多组织细胞内铁的转运。 DMT-1 作为二价金属离子载体,不仅可以转运铁,还可以转运 Zn 2+ 、 Mn 2+ 、 Cu 2+ 、 Co 2 + 、 Ni 2+ 和有毒金属离子 Pb 2+ 和 Cd 2+ 。对缺铁的小肠绒毛细胞进行微电极穿刺并测量其细胞膜膜电位差( Vm )时发现:刷状缘的超级化和铁聚集都明显增加,表明增高的膜电位差可为铁吸收的增加提供动力,而且还伴随着质子的同向转移。

2. 铁在小肠细胞内的转移

在跨过肠腔微绒毛膜进入小肠细胞后,铁可能继续被转运并通过小肠细胞基底膜而进入血循环中,或与小肠细胞内特异的胞浆蛋白结合成为储存铁或功能性铁,具体通过哪条途径则主要由机体对铁的需求所决定。当需求高时,铁优先通过基底膜进入血液;需求低时,铁则可以与特异胞浆蛋白结合的形式滞留在细胞内,一部分可根据身体对铁的需要情况,重新动用并转入血循环中,另一部分则可能随肠细胞的衰老脱落而返回肠腔。目前研究最清楚的细胞内结合铁的胞浆蛋白是去铁铁蛋白( apo-ferritin , apo-Fn ), apo-Fn 是由 24 个亚单位组成的中空多聚体,组成铁蛋白的亚单位有心型( heart type, H 型)和肝型( liver type,L 型)两种,一个铁蛋白分子最多可结合 4500 个铁离子。有研究显示在肠细胞和肝细胞等内的铁蛋白主要由 L 型亚单位组成,但 H 型亚单位由于具有铁氧化还原酶的活性,它对于铁离子进入 apo-Fn 中空体内,或者从铁蛋白中再动用出铁都是必不可少的。从肠腔进入肠细胞内的二价铁可在 apo-Fn 表面被氧化成三价铁,然后进入中空体内,以铁蛋白的形式成为储存铁。

关于小肠细胞内铁从微绒毛膜向基底膜处转运的分子机制仍不清楚,有学者提出小肠细胞中可能有一种陪伴蛋白,这种蛋白在细胞内可能具有把铁运输到目的细胞器(如线粒体)或其他胞内蛋白处的作用。 Conrad 等( 1997 )提出在小肠细胞(其吸收面无转铁蛋白受体)和 K562 细胞内可能存在一个新的铁转运机制,他们报道了两种生化和免疫特性都与铁蛋白和转铁蛋白不同的蛋白:整合素( integrin )和移铁素( mobilferrin ),并且推测这两种蛋白可能在细胞内铁的转运过程中起作用。

3. 铁穿过基底膜的转移

Anderson 等( 1998 )在对 sla ( sex-linked anaemia )小鼠的研究中发现 sla 小鼠与 mk 小鼠有类似的小细胞低色素性贫血, mk 小鼠表现出来的特征是小肠微绒毛膜的铁吸收发生障碍,但铁从肠细胞基底膜转运进入血循环的过程是正常的,而 sla 小鼠则相反,它在微绒毛膜处的铁吸收是正常的,但进入血循环的过程却有障碍,这表明肠细胞作为一种矢量细胞在参与肠道铁吸收转运过程中,其微绒毛膜与基底膜可能存在不同的铁转运体。通过对 sla 小鼠进行克隆分析后显示,负责基底膜面铁转运的载体可能包括两种蛋白质成分,一种为高铁转运体( ferroportin l , FPN1 ),也称铁调节转运体 1 ( iron regulated transporter 1, Ireg1 )或金属转运蛋白 1 ( metal transport protein 1,MTP1 ),也是溶质转运家族 11 中的第 3 个成员( SLC 11A 3 ),它对 Fe 3+ 跨基底膜的转运是必须的,;另一种为肝铜绿素( hephaestin , Hp ),专门负责基底膜处 Fe 2+ 到 Fe 3+ 的转换。 Hp 为血浆铜蓝蛋白的类似物( Vulpe , 1999 ),该蛋白仅含有一个跨膜区,表明它本身并不是铁载体,可能在基底膜铁的转运过程中,作为一种含铜的铁氧化酶通过与 FPN1 相互作用而发挥铁氧化酶活性,使 Fe 2+ 被氧化成 Fe 3+ , 从而有利于铁从肠细胞中释放入血液并与转铁蛋白结合。

采用 FISH 技术 Haile (2000 年 ) 将 FPN1 基因定位于人体 2q32 、鼠的 1B 染色体区域,该基因编码 1 个 571 氨基酸残基的蛋白质,该蛋白具有十个跨膜结构域,在小肠近端、肝、脾、胎盘、肾等组织广泛分布。并且在细胞和组织中的分布位点与铁从基底膜向外转运的方向是一致的,因此它完全可以作为基底膜上铁的载体参与肠道铁向血循环特异性转运的过程。

二、体内铁稳态调控的机制

前已述及铁对于人体是一把双刃剑,维持体内铁的动态平衡是非常重要的。目前有关调控肠道铁吸收和体内铁平衡的机制主要有两种假说,一种是通过铁代谢转录后调控机制,以肠道隐窝细胞为靶点的编程说;另一种是以肝抗微生物肽( hepcidin antimicrobial peptide, HAMP )作为调控因子,以肠道(可能主要是成熟肠细胞)和单核巨噬系统细胞等为靶点的 HAMP 调控说。两者均有大量的实验依据,现分别介绍如下:

1. 隐窝细胞编程说

该假说主要认为:小肠隐窝细胞作为成熟肠细胞的前体细胞可以感知体内(通过血循环中转铁蛋白的铁饱和度)铁的变化,当血循环中铁浓度降低时,通过隐窝细胞膜上转铁蛋白受体( transferritin receptor, TfR )转入胞内的铁下降,导致胞内可变铁池( labile iron pool, LIP )下降,进而使胞内铁调节蛋白( iron regulation protein, IRP ) / 铁效应元件( iron responsive element, IRE )间结合活性增高,这样隐窝细胞感受到缺铁后,则可通过铁代谢转录后调控机制使新分化形成的成熟肠细胞中负责铁吸收、转运的相关蛋白质( DMT-1 、 IREG-1 等)的表达水平上调,肠道铁吸收转运能力增强,以使更多的铁从肠腔中转入体内;当感受机体的铁多了以后,则会降低肠细胞中相应铁转运蛋白的表达,使从肠道进入血循环的铁减少 , 最终使体内铁浓度重新达到平衡。

从不同角度对肠道铁吸收调控进行的研究显示:参与肠道铁吸收转运的 DMT1 和 FPN1 等分子的 mRNA 非翻译区均含有 IRE 结构域。 IRE 为一种茎环结构,位于 3' - 端的 IRE 与 IRP 结合后,可使 mRNA 分子更稳定,从而有利于该基因的表达;而位于 5' - 端的 IRE 与 IRP 结合后,则对相应基因的表达产生抑制作用。当机体缺铁后,经测定隐窝细胞内的 LIP 是降低的,胞内的 IRP 与 IRE 的结合活性是增强的,伴随着铁转运体和 / 或 cybrd1 和 Hp 酶的 mRNA 水平和 / 或蛋白质水平的升高,小肠细胞铁吸收转运能力则相应提高。从隐窝细胞分化为成熟小肠细胞所需的时间与机体产生缺铁到肠道铁吸收能力增强所需的时间间隔相同这一点来看,将隐窝细胞作为体内铁稳态调控靶点的观点也受到支持。正常生理 pH 条件下 TfR1 与铁饱和转铁蛋白( diferric transferritin , 2Fe-Tf )间的亲和力较 TfR2 的高许多,因此隐窝细胞从血循环中转运铁的过程推测主要是由 TfR1 执行的,但隐窝细胞上 TfR - 人白细胞抗原相关血色素沉着症基因产物( HLA-linked hemochromatosis gene, HFE ) - b 2 微球蛋白( b 2 -microgolubin, b 2 M )是以复合体形式存在的, TfR 功能的正常发挥需要复合体中其他成分的帮助,当 HFE 发生基因突变而使其蛋白结构和功能受到影响后,则隐窝细胞可能将不能通过该机制正常地感知血循环中铁浓度的变化。临床资料已证实:Ⅰ型遗传性血色病( Hereditary Hemochromatosis , HH )就是 HFE 基因发生突变,当形成 C282Y 纯合子、 C282Y/H63D 双重杂合子或其它突变时,其隐窝细胞内明显缺铁,而肠道铁吸收能力较正常时高 2 ~ 3 倍,这种铁吸收代谢调控的紊乱,最终导致机体产生铁负荷过重,其体内总铁含量相当于正常人的 5 ~ 10 倍。

TfR2 与 TfR1 的最大区别是其 mRNA 分子的 3 ¢ - 端非翻译区不含 IRE ,因此其表达不受细胞铁代谢转录后调控机制的控制。细胞 TfR2 虽可通过 TfR-Tf 途径参与铁的吸收,但对其在体内的功能则倾向于认为与铁代谢的调控有关。 TfR2 主要在肝脏细胞、红系造血细胞等中高表达,而无论是小肠隐窝细胞或是成熟小肠细胞均不是 TfR2 表达的优势细胞,因此很难用肠道隐窝细胞编程说解释因 TfR2 基因突变所致的 Ⅲ 型 HH 发生体内铁负荷过重的机制,说明该假说仍有相当的缺陷。

2. HAMP 调控说

Frazer DM 和 Anderson GJ ( 2003 年)提出了一个铁代谢调控的新模型,他们认为正常情况下,对肝脏 Hepc 表达水平的控制是体内铁稳态调控的中心环节,肝脏 HFE 和 TfR2 的功能均与调节 Hepc 的表达有关。即存在于肝细胞膜上的 HFE 、 TfR1 和 TfR2 分子可以感知血循环中 Fe-Tf/2Fe-Tf 与去铁转铁蛋白( apo-transferritin, apo-Tf )间浓度的变化,① 当体内铁状况正常时, TfR1 部分被 Fe-Tf/2Fe-Tf 结合,部分可与膜上的一些 HFE 分子结合,膜上另一些游离 HFE 分子则可成为肝细胞核 HAMP 基因的活化信号;同时部分被 Fe-Tf/2Fe-Tf 结合的 TfR2 分子也可作为 HAMP 基因活化的信号,刺激肝细胞产生正常水平的 Hepc 。② 当体内缺铁时,血循环中 Fe-Tf/2Fe-Tf 浓度显著降低,膜上的 HFE 基本上均与 TfR1 分子结合,而缺乏活化 HAMP 基因的游离 HFE 分子;同时 TfR2 分子也很难与 Fe-Tf/2Fe-Tf 结合而作为 HAMP 基因活化的信号,使肝细胞产生的 HAMP 水平趋近于零。③ 当体内铁负荷过重时, TfR1 几乎全部与 Fe-Tf/2Fe-Tf 结合,而不能与膜上的 HFE 分子结合,游离 HFE 分子数的增加更有利于肝细胞核 HAMP 基因的活化;加上被 Fe-Tf/2Fe-Tf 饱和的 TfR2 分子对 HAMP 基因表达的活化作用,使肝细胞产生的 HAMP 水平明显增加。这样作为 HAMP 的主要效应靶器官——肠道在感受血中 HAMP 浓度变化后,通过调节 DMT-1 、 FPN-1 等的表达水平使吸收入肠细胞和转入血循环中的铁量相应变化,以使体内铁稳态达到新的平衡。该模型将肝脏作为体内铁稳态调控的中心,阐明了体内铁浓度、 HAMP 浓度与肠道铁吸收转运间的关系,也可较好的从 HAMP 产生的质和量方面的变化的角度解释Ⅰ型(与 HFE 基因有关)、Ⅱ型(与 HAMP 基因有关)、Ⅲ型 HH (与 TfR2 基因有关)发生铁负荷过重的病理机制,特别是可以很好地从铁代谢角度解释感染、慢性炎症、肿瘤等慢性疾病发生继发性贫血的机制。

HAMP 通常被称为肝脏分泌的杀菌蛋白( hep atic bacteri cid al prote in , Hepcidin ),又称肝脏表达的抗微生物肽( liver expressed antimicrobial peptide, LEAP-1 ),现统称为 HAMP 。 Krause 等 (2000 年 ), Park 等和 Pigeon 等 (2001 年 ) 通过各自独立的研究将人 HAMP 基因定位于 19q13.1 , HAMP 基因有 3 个外显子,编码一个 84 氨基酸残基的前体蛋白,循环中的 HAMP 仅包括 C- 端 20 、 22 或 25 个氨基酸残基,其 N- 端 24 个氨基酸残基的信号肽部分,及信号肽后直到含 5 个寡聚精氨酸残基的蛋白酶水解位点的整个 N- 端部分均在成熟过程中则被剪去 , 几种成熟 HAMP 分子均含 8 个半胱氨酸( Cys )残基,经质谱和化学分析方法研究证实这些 Cys 残基可形成 4 对链内二硫键,它们对维持 HAMP 的结构和功能是非常重要的。目前认为 HAMP 的功能主要是参与体内铁代谢的调控,它对肠道铁吸收可起负调控作用,而同时对单核巨噬细胞系统铁储存起正调控作用,其抗微生物的活性可能也是通过影响细胞铁代谢而实现的。 HAMP 水平增高可抑制肠道铁吸收,促进铁在单核巨噬细胞中储存;相反 HAMP 表达水平的降低则有利于肠道铁的吸收及单核巨噬细胞铁的释放和再动用。

大量的体内或体外实验已证实低铁膳食或去铁胺等药物处理所造成的缺铁,低氧或贫血(如急、慢性溶血性贫血)等条件下,肝细胞 HAMP 的转录水平和 / 或蛋白质水平都是下降的,相应的肠道铁转运相关蛋白表达却是增高的。 Nicolas 等采用基因剔除( gene knockout )技术剔除小鼠 HAMP 基因上游的刺激因子 2 ( upstream stimulatory factor2, USF2 )基因后,导致 HAMP 无表达或低表达,进而使该实验小鼠发生铁负荷过重;他们还通过转基因手段制备了 HAMP 表达水平受肝脏特异性 transthyretin 启动子控制的小鼠,当 HAMP 高表达时则会导致实验动物发生致死性的严重缺铁性贫血; Nemeth 等发现不仅铁负荷过重可增加体内 HAMP 的表达,感染和炎症因素刺激也有同样的效应,如脂多糖 (LPS) 作为炎症刺激因子可使受处理动物尿中的 HAMP 浓度显著增高,同时伴随血清铁蛋白(既是一种铁储存蛋白,也是一种急时相反应蛋白)的增高,两者有很好的相关性。体外研究还发现 IL-6 可显著提高受处理细胞 HAMP 的表达水平,而 IL-1 和 TNF- a 则不能,说明 HAMP 属于一种Ⅱ型急时相反应蛋白。 Nicolas 等一次性用松节油处理小鼠造成炎症模型 16h 后,即可观察到 HAMP mRNA 表达水平较对照组增加 6 倍,而血清铁浓度则降低 50% ;同样方法对缺乏 HAMP 基因表达的小鼠进行处理则不出现低铁血症,说明 HAMP 的异常表达与 ACD 时铁代谢紊乱的发生密切相关。 Weintein 等在一例铁剂治疗无效的难治性贫血患者中,发现该患者患有肝脏腺瘤, HAMP 呈异常高表达,当肝脏腺瘤被手术切除后,随着 HAMP 表达水平降低,贫血自然恢复。提示因肝脏腺瘤而产生 HAMP 的高水平表达,进而引起的铁代谢紊乱可能是导致该肝脏腺瘤患者发生 ACD 的最主要原因。

现已发现了多种 HAMP 基因突变与体内铁代谢紊乱有关,如 Roetto 等发现的 93delG 和 166C → T 两种突变, Roetto 等( 2003 年)报道的一种 HAMP 蛋白 C70R 突变, Delatycki 等( 2004 年) 新报道的一种 HAMP 基因 233 位 G → A 导致其蛋白质 78 位氨基酸由 C → T 的突变, Matthes 等( 2004 年) 在研究两个 HH 葡萄牙家系中发现由于 HAMP 基因 5' 端未翻译区的突变,导致在 Kozak 序列区出现一个新的起始密码 。以上这些突变或是影响到 HAMP 基因的表达,使体内 HAMP 水平异常降低,或是导致了 HAMP 蛋白结构和功能的变化,使患者体内的 HAMP 不能行使正常的功能,进而使体内铁吸收转运过程失控,大量的铁从肠道吸收并沉积在肝脏等组织的实质细胞内,而单核巨噬系统中的铁却异常降低,产生 HH 表型。 Papanikolaou 等( 2003 年)在患遗传性血色素沉着症的希腊裔家族中巧妙地在 1 号染色体上定位了一个未知功能的 LOC148738 转录单位,其蛋白产物称为 Hemojuvelin (幼年型血色素沉着症相关蛋白, HJN ),或称为 HFE2 基因,并确定了多个与其 HH 表型相关的突变(如 G320V 替代突变),推测该蛋白可能是 HAMP 表达的调控子; Le Gac 等( 2004 年)报道 I 型 HH (为 C282Y 纯合子突变)中,个别患者具有 HJN 基因 S 105L ,E302K,N372D,R335Q 或 L101P 和 G320V 等突变,其铁指标较单纯 C282Y 型 HH 患者明显增高,说明即使具有杂合型 HJV 基因突变的 I 型 HH ,其铁负荷也是更加严重。

以上实验证据既是对该假说的支持,也说明 HAMP 在铁内铁代谢调控中处于非常重要的地位。

三、结 语

TfR-Tf 转铁途径是机体绝大多数细胞从循环体液中摄取铁的主要途径,由 IRP 和带有 IRE 结构的铁代谢相关基因相互作用所进行的铁代谢转录后调控,可能是细胞自身的一种主动性铁代谢调控机制。但高等动物和人是一个由多器官系统组成的复杂生物体,各种细胞的功能均有明确的分工,并受体内某种因素所协调控制。就细胞铁代谢来说,有的细胞可能主要是参与铁的吸收,有的主要参与铁的储存和再动用,有的主要是使用铁(如成熟红细胞),那么细胞除直接感受环境中铁浓度的变化,通过转录后调控机制进行自身铁代谢调控外,是否还受某种外在体液因素的调控呢?是什么因素在协调体内不同组织细胞间铁的代谢,使体内铁代谢保持动态平衡的呢? HAMP 的发现使人们终于寻找到了这样一种分子。肠道细胞、单核巨噬细胞作为体内 HAMP 作用的两大靶细胞,均可感受体内 HAMP 浓度的变化而对细胞铁代谢做出相应的调节。 HAMP 作为一种激素样小分子多肽物质,推测其功能的发挥有赖于与靶细胞的相应受体作用,但一直以来都未能确定并找到 HAMP 的受体。最近 Nemeth 等( 2004 年)报道 HAMP 可以与 FPN1 相互作用,并通过诱导 FPN1 分子发生细胞内化和降解的方式调节肠细胞内铁向血循环中的转运,为 HAMP 作用机制的研究提供了新的思路。

综上所述我们认为体内铁代谢的紊乱与许多疾病的发生密切相关,对铁代谢机制特别是体内铁稳态调控机制进行深入研究,将有助于对相关疾病发病机制的认识,并从铁代谢的角度对这些疾病的治疗提出新的治疗策略。

主要参考文献:

•  Fleming MD, Romano MA, Su MA, et al. ramp2 is mutated in the anemic Belgrade (b) rat: evidence of a role for Nramp 2 in endosomal iron transport. Proc. Nat. Acad. Sci. 1998,95:1148

•  Anderson GJ, Murphy TL, Cowley L, et al. Mapping the gene for sex-linked anemia: an inherited defect of intestinal iron absorption in the mouse. Genomics 1998, 48:34

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