謝超 王曉凡 叢敏

鐵是人體內(nèi)細(xì)胞代謝和重要生理過(guò)程所必需的元素,包括氧氣運(yùn)輸、線(xiàn)粒體呼吸、核酸復(fù)制、氧化還原反應(yīng)的催化和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)等。然而,當(dāng)存在過(guò)多的“游離”鐵時(shí)會(huì)誘發(fā)芬頓反應(yīng)(Fenton reaction)催化自由基的產(chǎn)生,從而破壞DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì),損傷細(xì)胞和組織器官。所以維持全身鐵穩(wěn)態(tài),滿(mǎn)足機(jī)體生理需要的同時(shí)限制過(guò)量鐵的毒性顯得十分重要[1, 2]。

一、全身鐵穩(wěn)態(tài)

由于人和其他哺乳動(dòng)物缺乏鐵排泄機(jī)制,因此鐵穩(wěn)態(tài)取決于鐵損失和鐵吸收之間的平衡,以及從循環(huán)巨噬細(xì)胞和肝細(xì)胞儲(chǔ)存中釋放的鐵與在生物過(guò)程中利用鐵之間的匹配。紅細(xì)胞生成是體內(nèi)鐵元素的主要消耗者,人體每天需要20～24 mg的鐵元素來(lái)生成新的紅細(xì)胞,以替代因衰老而失去的紅細(xì)胞。在穩(wěn)定狀態(tài)下,巨噬細(xì)胞從衰老的紅細(xì)胞中回收鐵并以轉(zhuǎn)鐵蛋白的形式在體內(nèi)運(yùn)輸供骨髓造血或者其他組織利用;而小腸和皮膚細(xì)胞脫落等造成的少量鐵損失(每天1～2 mg)可通過(guò)飲食中鐵的吸收得到補(bǔ)償[2]。

血漿鐵的主要來(lái)源是腸上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。膳食鐵主要以?xún)煞N形式存在,即血紅蛋白鐵和非血紅蛋白鐵,這兩種形式的鐵都被小腸(主要是十二指腸)上皮細(xì)胞所吸收。膳食中大多數(shù)非血紅蛋白鐵是三價(jià)鐵(Fe3+),Fe3+先被十二指腸細(xì)胞色素B(duodenal cytochrome B,DcytB) 等還原酶還原為二價(jià)亞鐵(Fe2+),然后通過(guò)腸上皮細(xì)胞頂膜表面的二價(jià)陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白-1(divalent metaltransporter 1 ,DMT1)轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)。血紅蛋白鐵的攝取也是通過(guò)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用來(lái)實(shí)現(xiàn),但具體的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制尚不清楚[3]。巨噬細(xì)胞通過(guò)吞噬衰老的紅細(xì)胞獲得鐵,即紅細(xì)胞被降解,其所含鐵被回收。鐵從腸上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞通過(guò)鐵運(yùn)蛋白(ferroportin,FPN)釋放到血漿中。FPN是哺乳動(dòng)物中目前已知唯一能將鐵從胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)出胞外的轉(zhuǎn)運(yùn)體,是由(SLC40A1)基因編碼的產(chǎn)物[4]。通過(guò)FPN輸出到血漿中的Fe2+,先被循環(huán)中的銅藍(lán)蛋白和腸上皮細(xì)胞基底側(cè)的亞鐵氧化酶(hephaestin)氧化,然后與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合(transferrin,TF)結(jié)合形成全轉(zhuǎn)鐵蛋白(holotransferrin,Holo-TF)。Holo-TF被運(yùn)輸?shù)饺砀鱾€(gè)組織利用,主要用于紅細(xì)胞生成。機(jī)體在穩(wěn)態(tài)環(huán)境中,血漿中95%的鐵來(lái)源于巨噬細(xì)胞回收的衰老紅細(xì)胞中的鐵,另外5%由飲食吸收,以補(bǔ)充皮膚、腸道上皮脫落等造成的鐵丟失[5]。

二、鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)

鐵調(diào)素(hepcidin)是由HAMP基因編碼的肝臟合成的一種小分子肽類(lèi)激素,是目前已知的唯一天然FPN配體,hepcidin與FPN結(jié)合導(dǎo)致配體-受體復(fù)合物的泛素化、內(nèi)吞和降解,從而減少鐵入血[6]。由于FPN介導(dǎo)所有細(xì)胞的鐵輸出,因此從飲食中吸收鐵的腸上皮細(xì)胞、參與衰老的紅細(xì)胞或者其他細(xì)胞的鐵循環(huán)再利用的巨噬細(xì)胞,以及參與鐵儲(chǔ)存的肝細(xì)胞,均受到hepcidin/FPN軸的調(diào)節(jié)。HAMP基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)涉及到幾種途徑,包括細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)鐵儲(chǔ)備或轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度變化的響應(yīng)。肝臟鐵濃度增加導(dǎo)致肝竇內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生大量肝細(xì)胞骨形態(tài)發(fā)生蛋白-6 (bone morphogenetic protein 6,Bmp6)。BMP6與其受體(BMPR)結(jié)合導(dǎo)致BMPR磷酸化,從而促使Smad蛋白-1(mothers against decapentaplegic homologue 1,Smad1)、Smad5或Smad8的磷酸化。這些蛋白與Smad4形成復(fù)合物,Smad4被轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核內(nèi),并與編碼hepcidin的HAMP基因啟動(dòng)子上的BMP反應(yīng)元件相互作用,導(dǎo)致HAMP轉(zhuǎn)錄和hepcidin表達(dá)。在BMP調(diào)控hepcidin表達(dá)的過(guò)程中,血幼素(haemojuvelin,HJV) 作為BMP的一種協(xié)同受體,與BMP-BMPR復(fù)合體結(jié)合參與此信號(hào)通路對(duì)hepcidin表達(dá)的調(diào)節(jié)[7-9]。另一方面,血漿轉(zhuǎn)鐵蛋白的飽和度也參與了hepcidin的調(diào)節(jié),這一過(guò)程涉及遺傳性血紅蛋白沉著蛋白(HFE)、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體-1 (TFR1)和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體-2(TFR2)之間相互作用的轉(zhuǎn)換。當(dāng)Holo-TF與TFR1相結(jié)合時(shí),HFE與TFR1的結(jié)合被破壞,導(dǎo)致HFE移位后與TFR2和HJV形成復(fù)合物來(lái)調(diào)節(jié)hepcidin的轉(zhuǎn)錄。HFE和TFR2可通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular-signal-regulated kinase,ERK)通路來(lái)增加HAMP基因的轉(zhuǎn)錄;HFE-TFR2復(fù)合物也可與BMPR-HJV復(fù)合物相互作用,通過(guò)Smad途徑調(diào)節(jié)HAMP基因的轉(zhuǎn)錄。此外,hepcidin的表達(dá)也受其他因素的調(diào)節(jié):如慢性炎癥時(shí),由炎癥細(xì)胞產(chǎn)生的白細(xì)胞介素-6(interleukin 6,IL6)介導(dǎo)的Janus激酶(Janus kinase,JAK)和轉(zhuǎn)錄激活因子-3(activators of transcription 3,STAT3)通路調(diào)控的hepcidin表達(dá),以及紅細(xì)胞產(chǎn)生的紅細(xì)胞鐵酮,與未知的配體相互作用,能降低HAMP的轉(zhuǎn)錄[2, 5]。

細(xì)胞內(nèi)同樣存在調(diào)控鐵攝取與儲(chǔ)存的元件。鐵的細(xì)胞內(nèi)流和儲(chǔ)存都受鐵反應(yīng)元件——鐵調(diào)節(jié)蛋白(iron responsive element-iron regulatory protein,IRE-IRP)系統(tǒng)的調(diào)控。當(dāng)細(xì)胞鐵水平較低時(shí),IRP與IRE結(jié)合。當(dāng)細(xì)胞鐵水平升高時(shí),IRP發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)移或降解,因而削弱了它們與IRE的相互作用。IRP與IRE的結(jié)合對(duì)靶蛋白合成具有的抑制或者促進(jìn)作用,取決于IRP是與目的mRNA的非翻譯區(qū)(UTR) 的5′端抑或是3′端結(jié)合[10-12]。在細(xì)胞缺鐵時(shí),IRP與TFR1 mRNA3′非翻譯區(qū)的IRE核苷酸序列相互作用,IRE-IRP相互作用能穩(wěn)定TFR1 mRNA,并增加TFR1蛋白的合成,以促進(jìn)低鐵條件下更多的鐵攝取。與TFR1不同,鐵蛋白mRNA的5′非翻譯區(qū)存在IRE,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵濃度降低時(shí),IRE-IRP相互作用,抑制鐵蛋白mRNA的翻譯,導(dǎo)致鐵蛋白減少。相反,當(dāng)鐵在細(xì)胞中累積時(shí),IRE-IRP相互作用減少,導(dǎo)致TFR1表達(dá)減少,鐵蛋白增加[13]。

三、TFR2在鐵穩(wěn)態(tài)中的作用及其相關(guān)的鐵過(guò)載

TFR1一直被認(rèn)為是哺乳動(dòng)物體內(nèi)唯一的TF受體。直到1999年,有研究報(bào)道了另一種TF受體,命名為T(mén)FR2,其一級(jí)結(jié)構(gòu)與TFR1相似。TFR2基因通過(guò)不同的啟動(dòng)子至少可以轉(zhuǎn)錄出兩種亞型:全長(zhǎng)型TFR2α和較短型TFR2β。TFR2α是一種2型膜蛋白,在肝細(xì)胞和紅系前體細(xì)胞中選擇性表達(dá),而TFR2β主要在各種細(xì)胞胞質(zhì)中低水平表達(dá)[14]。盡管與TFR1一樣同為膜蛋白,全長(zhǎng)型TFR2也可以與holo-TF相互作用,但是其基本上不會(huì)促進(jìn)鐵的攝取,而是作為全身鐵狀態(tài)的感受器。因?yàn)門(mén)FR2 mRNA的表達(dá)在鐵負(fù)荷或鐵螯合下沒(méi)有明顯的變化,而TFR1在鐵負(fù)荷下表達(dá)減少,在鐵螯合存在的情況下表達(dá)增加。TFR1通過(guò)鐵調(diào)節(jié)蛋白-鐵反應(yīng)元件(IRP-IRE)相互作用受轉(zhuǎn)錄后調(diào)控,而TFR2不受IRP調(diào)控,TFR2 5′和3′UTR區(qū)均不包含IRE元件,其表達(dá)主要受血漿中holo-TF的影響。血漿holo-TF可顯著上調(diào)TFR2α,使其更加穩(wěn)定。此外,TFR2對(duì)holo-TF的親和力明顯低于TFR1。這些TFR2表達(dá)模式均提示其主要功能不是細(xì)胞鐵的攝取,而是機(jī)體鐵感應(yīng)機(jī)制的重要部分[15]。

上文提到,HFE-TFR1-TFR2之間存在相互作用激活下游通路調(diào)控hepcidin的表達(dá)。有研究表明,在體內(nèi),影響了HFE與TFR1結(jié)合的TFR1突變小鼠體內(nèi)hepcidin mRNA水平明顯高于野生對(duì)照組,而影響了TF與TFR1結(jié)合的TFR1突變小鼠的表型與HFE基因敲除小鼠的表型類(lèi)似,表明HFE在調(diào)控hepcidin表達(dá)中發(fā)揮重要作用[16]。此外,在體外重組肝細(xì)胞過(guò)表達(dá)TFR1后,并沒(méi)有比野生對(duì)照組hepcidin 的表達(dá)升高[17, 18],這些結(jié)果提示TFR1水平對(duì)hepcidin表達(dá)調(diào)控的直接影響并不大。此外,有研究指出,僅破壞HFE/TFR1復(fù)合物不能調(diào)節(jié)hepcidin的表達(dá),只有在TF和TFR2存在的情況下,才能實(shí)現(xiàn)hepcidin mRNA的上調(diào),證明了TF/ TFR2/HFE復(fù)合物參與了hepcidin的上調(diào);并猜測(cè)在高鐵條件下,TFR1結(jié)合TF釋放出HFE,隨后HFE與TFR2和TF結(jié)合,該復(fù)合體激活下游信號(hào)而使hepcidin的表達(dá)增加[19]。盡管有研究表明:在體外培養(yǎng)系統(tǒng)中,通過(guò)細(xì)胞過(guò)表達(dá)HFE與TFR2,可以檢測(cè)到HFE與TFR2相互作用,且holo-TF的存在會(huì)增強(qiáng)其結(jié)合[20]。但同時(shí)也有研究發(fā)現(xiàn),在體外構(gòu)建的HFE和TFR2穩(wěn)定共表達(dá)體系中,經(jīng)holo-TF作用后未檢測(cè)到兩者間的相互作用,且在體內(nèi)未觀察到HFE和TFR2的相互作用[21]。在體內(nèi),TFR2和HFE通過(guò)獨(dú)立的途徑調(diào)節(jié)hepcidin,即使在沒(méi)有功能性TFR2的情況下,過(guò)表達(dá)HFE的小鼠也會(huì)增加hepcidin的表達(dá)。此外,在人和小鼠模型中,HFE和TFR2同時(shí)缺失比單獨(dú)缺失都會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的鐵負(fù)荷表型[22]。綜上所述,TFR2與HFE既可以各自獨(dú)立調(diào)節(jié)hepcidin的表達(dá),也可通過(guò)相互作用形成復(fù)合物影響hepcidin水平,具體的調(diào)控模式仍需進(jìn)一步深入研究。

有研究發(fā)現(xiàn),TFR2與holo-TF的結(jié)合可以激活K562細(xì)胞以及肝細(xì)胞中的ERK信號(hào)通路,且ERK通路的活化在holo-TF誘導(dǎo)的hepcidin表達(dá)過(guò)程中是必需的。Holo-TF激活ERK后,磷酸化Smad1/5/8水平的增加,顯示出BMP/HJV通路與ERK1/2通路之間調(diào)控hepcidin的交互作用[23]。此外,研究表明HFE和TFR2參與ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),并伴有弗林蛋白酶(Fruin)表達(dá)的調(diào)節(jié)。Furin是一種原蛋白轉(zhuǎn)化酶,在hepcidin表達(dá)中具有多種作用:它可以將prohepcidin加工成成熟的hepcidin,并參與BMP的成熟,從而誘導(dǎo)hepcidin的表達(dá)。它還可以裂解HJV產(chǎn)生可溶性HJV,并對(duì)hepcidin的表達(dá)發(fā)揮抑制作用。 沉默TFR2將導(dǎo)致Fruin表達(dá)的抑制,進(jìn)而通過(guò)其對(duì)prohepcidin和BMP成熟的調(diào)控以及可溶性HJV的產(chǎn)生,進(jìn)一步調(diào)控hepcidin的水平[24]。

上文提到,HFE/TFR2復(fù)合物與BMP/HJV復(fù)合物之間存在相互作用。有研究采用不同的鐵負(fù)載模型探討HFE與TFR2對(duì)BMP通路調(diào)控進(jìn)而對(duì)不同細(xì)胞類(lèi)型鐵沉積做出的反應(yīng)。在膳食鐵負(fù)載模型(鐵沉積主要在肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞)中,與正常對(duì)照飲食相比,HFE和TFR2雙基因敲除小鼠(HFe-/-/TFR2-/-)在高鐵飲食刺激下,HAMP基因表達(dá)依然上調(diào),但顯著低于WT小鼠對(duì)高鐵飲食刺激的反應(yīng)。通過(guò)對(duì)HFE和TFR2單基因缺乏小鼠,即TFR2-/-和HFe-/-小鼠,與HFe-/-/TFR2-/-小鼠的比較,證實(shí)TFR2對(duì)BMP6以及hepcidin的表達(dá)發(fā)揮重要調(diào)控作用。而在鐵-右旋糖酐鐵負(fù)荷模型(鐵沉積主要在肝非實(shí)質(zhì)細(xì)胞)中,TFR2-/-、HFe-/-和HFe-/-/TFR2-/-小鼠中BMP6水平與野生型小鼠相當(dāng),表明在肝臟非實(shí)質(zhì)細(xì)胞中,Bmp6的誘導(dǎo)獨(dú)立于HFE和TFR2。盡管在鐵-右旋糖酐鐵負(fù)荷后,BMP6水平升高,但在TFR2-/-和HFE-/-/TFR2-/-小鼠中, hepcidin的表達(dá)明顯低于野生型小鼠。這表明,肝內(nèi)非實(shí)質(zhì)細(xì)胞鐵沉積誘導(dǎo)肝細(xì)胞內(nèi)hepcidin表達(dá)依賴(lài)于TFR2[25]。

綜上所述,TFR2對(duì)于不同細(xì)胞類(lèi)型中鐵沉積作出的貢獻(xiàn)不同。鐵沉積在肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞時(shí),TFR2參與了BMP6相關(guān)通路的調(diào)控,當(dāng)鐵沉積在肝非實(shí)質(zhì)細(xì)胞時(shí),TFR2似乎獨(dú)立于BMP6的誘導(dǎo),但對(duì)肝細(xì)胞中hepcidin的誘導(dǎo)起一定的作用。有關(guān)TFR2與BMP6之間相互作用的具體分子機(jī)制和模式尚不完全清楚。

已有不同國(guó)家報(bào)道過(guò)TFR2相關(guān)的原發(fā)性鐵過(guò)載(Ⅲ型遺傳性血色病)病例,癥狀較經(jīng)典的HFE突變病例更輕[26-28]。TFR2相關(guān)的鐵過(guò)載主要是通過(guò)上述信號(hào)通路改變hepcidin的表達(dá)而導(dǎo)致的。此外, TFR2基因敲除小鼠或者TFR2突變小鼠,為人類(lèi)研究Ⅲ型遺傳性血色病的分子病理學(xué)機(jī)制提供了很好的動(dòng)物模型[29-31]。

四、展望

目前,雖然已知TFR2主要是通過(guò)以上幾條通路調(diào)節(jié)hepcidin的表達(dá),進(jìn)而調(diào)控全身鐵穩(wěn)態(tài),但是其中各通路及分子之間的關(guān)系、調(diào)控模式目前尚不完全清楚;TFR2與HFE之間是否始終存在相互作用,兩者之間相互獨(dú)立調(diào)控hepcidin的表達(dá)是因?yàn)榻⒌哪Ｐ筒煌€是存在其他原因,這些問(wèn)題需要更多不同的體內(nèi)外模型來(lái)研究。關(guān)于TFR2對(duì)不同肝臟細(xì)胞類(lèi)型鐵沉積的反應(yīng)及其扮演的角色,相關(guān)數(shù)據(jù)我們也是知之甚少;Smad4是否是TFR2下游ERK的靶點(diǎn)等問(wèn)題都需要更多的研究來(lái)闡明。雖然鐵攝取并不是TFR2的主要功能,卻有研究發(fā)現(xiàn)TFR2促進(jìn)培養(yǎng)細(xì)胞中holo-Tf的攝取,TFR2將holo-Tf轉(zhuǎn)運(yùn)至紅系前體細(xì)胞的溶酶體以攝取鐵[32]。因此,我們?nèi)鄙賂FR2的結(jié)構(gòu)-功能數(shù)據(jù)來(lái)闡明TFR1和TFR2之間的受體功能差異。盡管TFR2在遺傳性血色病中的影響不及經(jīng)典的HFE,但它能夠與其他分子相互作用在多條通路起作用,對(duì)TFR2的深入研究將有助于我們更加清晰地了解其對(duì)hepcidin的調(diào)控以及遺傳性血色病的分子機(jī)制,最終服務(wù)于臨床。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。