Hepcidin研究进展

张 丽,张连峰

(中国医学科学院实验动物研究所北京协和医学院比较医学中心,卫生部人类疾病比较医学重点实验室,北京 100021)

综述与专论

Hepcidin研究进展

张 丽,张连峰

(中国医学科学院实验动物研究所北京协和医学院比较医学中心,卫生部人类疾病比较医学重点实验室,北京 100021)

Hepcidin是肝脏特异性表达的一种小分子抗菌肽,是铁代谢的负调节激素。与炎症性贫血、遗传性血色沉着病等疾病的发病机制密切相关。证据显示,Hepcidin直接抑制肠上皮细胞铁吸收和诱导单核巨噬细胞铁滞留。同时,Hepcidin还具有广谱抗菌活性,与固有免疫密切相关。铁超载、感染、炎症及细胞因子可诱导 Hepcidin表达,而贫血和缺氧则抑制其表达。Hepcidin的发现及其相关的铁离子运输机制的研究,将为铁离子吸收及分配的铁稳态调节和炎症性贫血、遗传性血色沉着病中的铁代谢障碍的分子机制探索开辟新的途径。本文就 Hepcidin的分子特征、表达调控及生物学功能等方面研究进展进行综述。

铁代谢;固有免疫;激素;调控;心脏

Hepcidin是 2000年发现的由肝脏特异表达的小分子防御性抗菌肽,但后来的研究表明其不仅具有广谱抗菌活性,而且还参与调节铁吸收,目前被认为是维持铁稳态极其重要的负调节激素[1]。实验表明,Hepcidin具有抑制小肠对铁的吸收和可能促进铁在网状内皮系统中滞留等作用,介导血色素沉着病、慢性病贫血等多种铁代谢紊乱性疾病,但其作用机制仍停留于假说阶段,迄今为止也还未找到Hepcidin的受体。因此,Hepcidin功能与作用机制的研究已成为当前铁代谢及相关疾病研究领域中的热点问题之一。本文就 Hepcidin的分子生物学功能、作用机制及最新的研究进展进行综述。

1 Hepcidin的分子生物学特征

除小鼠外,Hepcidin基因在人和其他动物只有一个拷贝,人 Hepcidin基因定位于 19号染色体(19q13.1),由三个外显子和两个内含子组成[2,3]。Hepcidin基因 5′端与上游刺激因子 2基因(Upstream stimulatory factor 2,USF2)紧密相连,两者之间只有 1.24 kb的间隔,且在此间隔片段中存在着转录因子 CAAT增强子结合蛋白(CAAT enhancer binding protein,C/EBP)、核因子-KB(NF-kB)和肝细胞核因子 (Hepatic nuclear factor,HNF)的结合位点[3]。

人类 Hepcidin的合成主要是在肝脏中,首先产生一个 84个氨基酸残基组成的早期多肽,在 Gly24和 Ser25间酶切位点处酶切,去掉 24个氨基酸残基组成的信号肽,最终形成含 60个氨基酸残基组成的前体肽。转运进入血液的前体肽被前肽转化酶(Propeptide convertase,PC)在其 N端不同位点处酶切,可形成具有生物活性的多种小分子多肽[4]。在人尿液中可检测到三种成熟的 Hepc分子,分别为25个氨基酸(Hepc25)、22个氨基酸 (Hepc22)和 20个氨基酸小肽 (Hepc20),其中 20和 25个氨基酸的多肽是 Hepcidin的主要存在形式,二者的浓度较高(一般可达 10～30μg/L),且体外抗微生物活性最强。Hepc20在溶液中通常以单体形式存在,而Hepc25则是以多聚体的形式存在,这一性质或许说明这两种小分子肽有着不同的生物活性[5]。

小鼠有两个 Hepc基因 (Hepcl和 Hepc2),均定位于 7号染色体,cDNA长 1654 bp,94%序列完全相同[6]。小鼠 Hepcl基因与人 Hepc基因序列 76%完全相同,而 Hepc2基因与人 Hepc基因序列 58%相同。小鼠 Hepcl和 Hepc2前体蛋白均由 83个氨基酸残基组成,89%序列完全相同。成熟 Hepcl和Hepc2蛋白由 25个氨基酸残基组成,两者 68%序列相同,但 8个半胱氨酸残基的位点高度保守。虽然 Hepcl和 Hepc2高度相似,但是转基因小鼠实验表明,二者在调节铁代谢功能上有较大差异[7]。

2 Hepcid in的激素活性

Hepcidin的合成可以为饮食中的铁或者肝脏中铁增加所诱导。Hepcidin缺失的 USF2敲除小鼠肝、胰、心脏出现铁超载,最终导致肝脏、胰腺和脾脏铁离子沉积引起血色沉着病,表明 Hepcidin控制肠铁离子吸收和铁离子在单核巨噬细胞的滞留[6,8,9]。Roetto等[10]鉴定出 Hepcidin基因突变导致人类两个家系患有严重的血色沉着病。Hepc1基因过表达小鼠一出生就患有严重的幼年血色沉着病,表明胎儿 Hepc1抑制铁离子自胎盘向发育中的胎儿运输[9],综上,Hepc1是小肠和胎盘铁离子运输的调节因子,它可以诱导脾脏巨噬细胞内铁离子滞留,参与来自老化红细胞的铁离子再循环,Hepcidin作为一种铁调激素在机体铁稳态调控方面发挥着至关重要的作用[11]。

3 Hepcid in表达调控

肝脏是 Hepcidin的主要合成场所,心脏、脊髓、肺也有少量的表达,但前列腺、睾丸、卵巢、小肠、结肠和膀胱几乎没有表达[4,12]。小鼠 Hepcl和 Hepc2基因同样高水平表达于肝细胞,但 Hepc2在胰腺的表达水平相对而言更高,其它组织无表达或表达水平很低,二者表达具有组织差异性[13],提示它们可能具有不同的生物学功能。

3.1 铁超载、感染及炎症诱导 Hepcidin表达

机体铁负荷增加诱导 Hepcidin表达水平升高另外,Hepcidin的表达不仅受机体铁储备调节,饮食铁也可诱导 Hepcidin表达[6,14,15]。

各种细菌、真菌、原生动物等引起的感染均可诱导小鼠或病人肝脏 Hepcidin表达水平的上调,松节油、脂多糖、弗氏完全佐剂等致炎物质均可显著上调肝细胞 Hepcidin mRNA的表达,抑制网状内皮细胞内铁的释放,减少消化道对铁的吸收,从而降低血清铁水平[16-18]。Hoppe等[19]首次报道,男性患者心脏手术术后急性期应急反应引起血铁过少症,血清中的 Hepcidin和 Hepcidin前体肽的浓度上调。

3.2 贫血、机体缺铁及缺氧下调 Hepcidin的表达

当机体处于贫血和缺氧状态时可显著降低Hepcidin的表达以及增加对铁的吸收作用,铁从巨噬细胞释放增加,从而使更多的铁用于红系造血,贫血和缺氧下调 Hepcidin表达可能是通过细胞生成素 (Erythropoietin,EPO)介导的[5,12,16]。

3.3 发育对肝脏 Hepcid in表达的调控

研究发现,鼠肝 Hepcidin mRNA水平在整个胚鼠发育过程中均处于 Northern Blot方法检测水平以下,仅在出生时出现快速、短暂而较强的表达,此后明显下调,成年后又高水平表达[17,20]。这可能与出生后突然的高氧环境显著诱导 Hepcidin表达有关,也可能是分娩应激反应产生的大量细胞因子通过C/EBP等信号转导途径诱导 Hepc表达。出生后Hepc表达又重新下调至低水平,这可能有利于新生儿肠道铁的吸收。另外,成人肝细胞 Hepcidin基因的表达水平是各种人类肝细胞瘤细胞株表达水平的142倍,表明 Hepcidin的基因表达也可能与肝细胞本身的分化状况相关[18]。

3.4 肝细胞 Hepcidin表达的调节因子和重要激活分子

在 HFE变异相关的血色病和 HFE缺乏的鼠中, Hepcidin基因表达是降低的,说明 HFE是 Hepcidin基因表达的一个调节因子[21]。在最近的一个关于肝脏 Hepcidin表达调节的模型中,发现肝细胞表面的HFE蛋白与高铁转铁蛋白竞争与肝细胞表面的转铁蛋白受体结合,未结合的肝细胞表面的 HFE蛋白可增加肝脏 Hepcidin的表达和释放[22]。

USF2敲除小鼠 Hepcidin表达缺失,并引起肝、胰、心脏出现铁超载,最终导致铁离子沉积引起血色沉着病[8],可见 USF2对 Hepcidin的表达有某种调节作用。Bayele[23]通过定点突变发现转录调节因子USF1/USF2及 c-Myc/Max顺式或者反式协同调节 Hepcidin的表达从而与铁代谢相关。最新研究发现,USF2通过调节 Hepcidin的表达对于胆道闭锁的病理进程有促进作用[24]。人和小鼠 Hepc基因5′上游序列中均存在转录因子 C/EBP,HNF等的结合元件。研究表明 C/EBP可显著增强人和小鼠Hepc基因启动子活性[20],而 HNF4a(肝细胞核因子4)不能诱导 Hepc基因启动子活性。

4 Hepcidin的作用机制

在人体,小肠是吸收铁的唯一部位,肝脏和网状内皮系统是铁储存的主要部位,而利用铁的主要部位是骨髓。人体存在着严格的铁代谢调节机制,可以确保体内铁始终处于正常生理水平。这种机体铁稳态关键依赖于小肠铁吸收与机体铁需求之间的平衡。当机体缺铁时,小肠铁吸收会相应增加;而机体铁含量太高时,小肠则会减少铁吸收。Hepcidin通过结合到铁转运蛋白上调节大的铁离子流动、诱导内化和溶酶体降解。Hepcidin通过对铁的代谢两个重要途径即铁在十二指肠上皮细胞的吸收过程和铁在巨噬细胞重吸收利用中产生影响而改变铁的代谢[22,25]。Hepcidin第二个可能的作用是影响胞内铁离子吸收。其间接作用可以为肠细胞、巨噬细胞或肝细胞内铁离子浓度升高所激活[26,27]。

此外,Frazer等[21]在失血导致红系增生与肠道铁吸收有滞后期机理的研究中发现,肝细胞Hepcidin表达的降低在红系增生 3 d后出现,同时十二 指肠二 价金属转 运 体 (divalent metal transporter1,DMT1)、铁调节转运体 1(Iregl)增加,认为延迟反应主要由 Hepcidin引起,并且 Hepcidin对骨髓成熟红细胞有直接作用。由于研究的深入,部分学者认为关键的铁感受器不是位于肠道,而是存在于肝、骨髓以及其他的组织,如果不断有新的证据出现,则原有的十二指肠转运体模型就可能需要更正。

5 Hepcid in是机体天然免疫的一种效应分子

Hepcidin基因序列和结构在物种间高度保守,其蛋白结构在不同物种间也高度保守,均具有 8个半胱氨酸残基形成的 4个二硫键,类似抗菌肽的特征结构——胱氨酸结,是 Hepcidin发挥辅助抗菌作用的结构基础。Hepcidin体外可抑制大肠埃希菌、表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌、B群链球菌、白假丝酵母和曲霉的生长繁殖,是人体“天然免疫”重要效应分子。体内铁的平衡与机体免疫力密切相关,过量的铁会损伤机体免疫力,使机体易受需铁细菌感染。Hepcidin通过下调肠吸收,下调网状内皮组织释放从而有效降低血清铁,抑制病原体对铁的摄取,成为宿主防御病原体的重要机制之一。铁超载患者和小鼠对一些细胞内和血液病原体更易感,甚至只是增加适度的铁摄入就减少宿主对感染的抵抗力[28,29]。研究发现 Hepcidin在固有免疫中通过对铁代谢的调节而起作用,Hepcidin是引起铁代谢紊乱的主要原因,其具体细节还需进一步的研究[30]。

6 Hepcid in在心脏中的表达调节及作用

铁负荷增加和心脏疾病诸如舒张功能障碍、心率不齐及扩张型心肌病存在联系。心肌缺血可导致心脏铁蛋白含量上升,增加程度和缺血程度相关。尽管已经发现心肌铁含量上升和心脏疾病之间存在联系,但是对于心脏铁代谢的调节却了解很少。

Hepcidin在大鼠心脏中有表达,分布在心肌细胞的闰盘区域,并且免疫活性[31]。心脏中 Hepcidin的表达受到调节以对低氧和炎症等产生应答。和肝脏相反,心脏中 Hepcidin的表达应答低氧时显著上调。心脏 Hepcidin的表达主要起到局部的作用,以这个假设为前提,心脏中 Hepcidin的表达上调可能解释先前报道的缺血相关的铁蛋白含量增加的现象。

7 展望

Hepcidin是负责调控铁离子循环再利用和铁稳态的一种激素。Hepcidin可能自类似于昆虫的脂肪体(肝脏)内表达的一种抗菌肽演变而来,和昆虫内抗菌肽的合成一样,感染和炎症可诱导 Hepcidin合成。如宿主防御最初诱导合成 IL-6,而 IL-6可诱导Hepcidin合成,从而抑制巨噬细胞铁离子循环利用并很快导致血铁过少症。Hepcidin过表达作为炎症引发的贫血的重要病理指标,而 Hepcidin缺乏则导致多数家族性血色沉着病和无效性红血球生成性贫血伴随铁离子吸收增加。Hepcidin在维持铁离子稳态及相关疾病中的重要作用表明血浆及尿中Hepcidin的化验分析对于铁离子类疾病的诊断和检测将十分有用。开发出 Hepcidin的药理学激动肽和拮抗剂对于该类疾病的治疗将具有重要价值。最新研究表明,铁离子调节多肽 Hepcidin在心脏中也有表达,是一种内在的心脏调节激素,与心脏局部铁代谢相关,而且它的表达同样受到低氧和炎症的调节。未来的研究应该重视 Hepcidin的表达在心脏中的病理作用和其在心脏疾病中的意义。

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The Advance on Hepcidin Research

ZHANGLi,ZHANGLian-feng

(KeyLaboratory of Human Disease ComparativeMedicine,Ministry of Heath, Institute ofLaboratoryAnimal Science,Chinese Academy ofMedical Sciences&ComparativeMedical Center, PekingUnionMedical College,Beijing 100021,China)

Hepcidin,a s mall antimicrobial peptide synthesized predominantly in the liver,is the presumed negative regulator of iron homeostasis and plays a most significant role in the etiopathogenesis of the hemochromatosis and, as recently shown,anemia in chronic inflammatory diseases.Many evidences demonstrate that hepcidin directly controls the intestinal uptake of iron and leads to the iron retention within monocytes/macrophages.Meanwhile,hepcidin displays a broad spectrum of antibiotic activity against a variety of bacteria,viruses,fungi,and protozoa,being crucial in the innate immune response. Its expression is induced in iron overload,infection,and inflammation,and by some cytokines,and suppressed in hypoxia and anemia.The discovery of hepcidin and its role in the regulation of iron transport has provided a molecular explanation of the homeostatic regulation of iron absorption and distribution,and of itsmalfunction in hereditary hemochromatosis and anemia of inflammation.The current review summarizes the related research advances of hepcidin in molecular characteristics,expression regulation and biological function.

Iron metabolism;Innate immunology;Hormone;Regulation;Heart

R-33

A

1671-7856(2010)01-0052-05

2009-03-19

张丽,博士生,研究方向:心肌病发病机制。

张连峰。E-mail:zhanglf@mail.cnilas.org