铁调素受体-膜铁转运蛋白的研究进展*

刘玉洁 综述,耿　惠 审校

(青海大学附属医院血液科，西宁 810001)



铁调素受体-膜铁转运蛋白的研究进展*

刘玉洁 综述,耿惠△审校

(青海大学附属医院血液科，西宁 810001)

[关键词]铁代谢；膜铁转运蛋白；铁调素

膜铁转运蛋白(ferroportin，Fpn) 是唯一已知的膜铁输出蛋白，并且在不同类型细胞间铁的转运是必需的。Fpn在机体铁稳态中的重要性已经在人体及动物的研究中得到验证。铁调素(hepcidin)通过与它的受体Fpn相结合，介导了Fpn的内化降解作用，来调控十二指肠吸收铁进入血液循环及巨噬细胞循环再利用铁，从而维持机体的铁稳态。

Fpn首先由Donovan等于2000年采用定位克隆的方法从低血红蛋白贫血的斑马鱼中分离鉴定出来,随后由Abboud和McKie等分别用不同的方法鉴定了该基因，并分别命名为金属转运蛋白1(metal transporter protein1，MTP1)和铁调节转运蛋白1(iron-regulated transporter1，IREG1)。Fpn在将细胞内铁输出到血液中发挥必要的作用，它的变化会引起铁的超载或铁的缺乏，因此，Fpn的调节对维持机体铁稳态非常关键。Fpn的表达可以在多种水平(包括转录、转录后及翻译后)被调节。本文将就Fpn的结构、分布、功能、表达的调节及其在临床中的应用前景作一综述。

1Fpn的分子结构及基因结构

Fpn的结构至今仍未被明确阐明，然而Fpn被推测是一种含有12个预测的跨膜结构域的膜结合蛋白，它由571个氨基酸组成，相对分子质量约为62×103，且与二价金属离子转运体1(DMT1)高度同源。Fpn的氨基酸序列很容易从基因组计划中检索出来，其N端是溶于胞质中的，然而其C端的定位是尚不明确的[1]。Yeh等[2]研究发现抗原决定簇的存在可能会影响Fpn的结构。多年来，学者们对Fpn是作为单体发挥功能还是以一种低聚体的形式发挥作用的问题做了很多研究，但仍然存在争议，且没有得出确切的结论[3]。

目前，斑马鱼、非洲爪蟾、小鼠、大鼠和人的Fpn的cDNA已被克隆，小鼠、大鼠和人的Fpn序列同源性大于90%。人的Fpn相应的Fpn1(SLC40A1)基因定位于2号染色体上，长度为20 kb，且含有8个外显子。其mRNA 的5′末端非翻译区含有一个典型的铁反应元件(IRE)，且能够与铁调节蛋白(IRP)相结合[4]。

2Fpn的分布及功能

Fpn高表达于脾脏巨噬细胞、十二指肠上皮细胞及肝脏细胞，从而能够使巨噬细胞从衰老的红细胞中重新利用铁，使十二指肠上皮细胞从饮食中吸收铁，使肝脏细胞储存铁。Fpn在肾小球细胞、近端小管细胞、肺及支气管上皮细胞、胎盘合体滋养层细胞、心肌细胞、脑细胞等也有表达。Xu等[5]研究证明Fpn在人的成骨细胞也有表达。

Fpn在上述细胞中的表达说明它在铁转运中发挥重要作用。Fpn1基因的缺失或突变会引起多种铁紊乱性疾病，例如铁超载疾病(主要是遗传性血色素沉着病及β珠蛋白缺乏性贫血)及缺铁性贫血(与感染、炎性疾病及某些恶性肿瘤相关的贫血，慢性肾病性贫血，难治性贫血)。近来，Mao等[6]研究发现小鼠Fpn1基因的缺失或突变能够引起包括神经管闭合延迟在内的严重的发育畸形。这些都强调了Fpn的调节对维持机体铁稳态是非常关键的。此外，尽管Fpn对锌、铜等其他金属离子也有转运作用，但是亲和力较低。

3Fpn的表达的调节

研究表明，至少有3种调节机制来调节Fpn的水平：转录调节、翻译控制及蛋白水平调节。

3.1Fpn的转录调节研究已经表明，Fpn的转录可以被铁缺乏、缺氧、过渡金属、亚铁血红素、炎症性的细胞因子等多种因素调节。这些广泛的调节因素强调了Fpn在维持机体铁稳态的重要作用。但是至今为止，有关Fpn基因表达的转录调节方面的研究仍需完善。

3.1.1缺氧对Fpn的调节机体铁吸收增加的一个主要的生理性诱因就是缺氧或贫血。红细胞生成增加导致了铁的吸收增加及Fpn mRNA水平的提高。缺氧导致铁代谢相关基因的转录发生了巨大变化。Taylor等[7]研究表明低氧诱导因子-2α(HIF-2α)是Fpn转录的直接激活者。而缺氧反应的基础是转录因子中HIF家族成员的稳定性。Mastrogiannaki 等[8]研究发现，Hamp靶向缺失的小鼠的小肠中HIF-2α的特定缺失导致了DMT1及Fpn mRNA水平的下降，从而表明了Fpn转录调节的重要性。Wilkinson等[9]发现HIF-2α的表达依赖于IRP1，这个结果进一步强调了铁与缺氧之间的关系。

3.1.2亚铁血红素及金属对Fpn转录的调节亚铁血红素是一种多种类型蛋白(比如血红蛋白、肌红蛋白及细胞色素)的非阮基聚合体，它是调节多种基因表达的传感器分子。研究表明铁、亚铁血红素以及其他过渡金属能够诱导Fpn的转录。Marro等[10]的研究已经证实：噬红细胞作用首先依赖亚铁血红素诱发巨噬细胞中Fpn及血清铁蛋白mRNA的表达，然后依赖铁刺激Fpn及血清铁蛋白mRNA 的翻译，这些都依赖于位于Fpn基因转录起始点上游7 kb的功能性的巨噬细胞活化因子识别元件(maf recognition elements，MARE)的存在。也有研究证明铁也能够转录性的调节Fpn的水平。Aydemir等[11]发现，当铁超载时，Fpn mRNA及异种核RNA的水平就会升高，且转录水平也会升高。然而研究结果表明使用不同的细胞类型获得的结果不尽相同。一些案例表明了亚铁血红素及铁在Fpn的转录中独立地发挥作用。例如，Marro等[10]表明在RAW264.7小鼠的巨噬细胞中，亚铁血红素或缺乏原卟啉IX的铁能够诱导Fpn的转录，且添加铁盐对Fpn的转录没有影响。相反的，Knutson等表明在小鼠巨噬细胞样细胞株J774中，亚铁血红素铁的释放促使了亚铁血红素诱导的Fpn的转录[11]。Troadec等[12]研究表明转录因子MTF-1的活化同样能够诱导Fpn的转录，MTF-1在锌介导的Fpn mRNA感应现象中发挥重要的作用。

3.1.3炎症抑制Fpn的转录炎症刺激能够诱导铁调素的表达，细菌产物通常通过桥样受体发挥作用。炎症同样能影响Fpn的转录，这种对Fpn转录的作用独立于特定的细胞因子，因为IL-6、TNF-α及IL-1基因缺失的小鼠都对血铁过少的脂多糖起反应，并能减少Fpn mRNA的水平。

3.2Fpn的翻译控制在翻译水平，Fpn的表达是受其5′末端及3′末端非翻译区的铁反应序列调控的。Fpn mRNA的翻译能够被低水平细胞内铁抑制且被高水平细胞内铁促进，这都是由5′末端非翻译区IRE/IRP反应体系所造成的。Mok等[13]用辐射诱导小鼠Fpn1的突变，从而导致了Fpn1启动子区一个58 bp的微缺失，这个缺失改变了转录起始点并消除了5′-IRE，导致了早期产后发育阶段十二指肠及肝脏细胞中的Fpn1蛋白水平的升高，携带此种突变的小鼠表现出一种复杂的表型，包括：出生时的红细胞增多症，随后成年后的铁超载疾病以及随小鼠年龄的增加而出现的贫血。3′末端非翻译区通过微小RNA依赖机制翻译性调节Fpn的表达，微小RNA是一种非编码小RNA，它能够结合靶mRNA的3′末端非翻译区，从而驱动了Fpn翻译性的表达及mRNA的降解[1]。最近的研究发现选择性的灭活小鼠巨噬细胞里的IRP2，对Fpn的表达或巨噬细胞内铁的含量都没有影响，这使得IRP介导的Fpn mRNA翻译控制的重要性受到了质疑。

3.3Fpn的蛋白水平调节Fpn的表达也能被翻译后地调节。一旦Fpn表达就会被锁定到细胞表面，细胞表面Fpn的聚集决定了铁的输出量，细胞表面Fpn的水平受其合成率、内化率及降解率高度地调节。

3.3.1铁调素介导的Fpn的内化铁调素介导的Fpn的内化降解作用在铁稳态的维持中起着关键作用。铁调素或Fpn的产物发生变化或者二者之间的相互作用都能引起铁超载疾病或缺铁性贫血[14]。

铁调素的水平受多种因素调节，缺氧及红细胞生成增加能使铁调素的水平下降，慢性炎症(比如关节炎或肿瘤相关的炎症)及机体铁含量的增加能使铁调素的水平升高。慢性炎症引起的铁调素水平升高使得铁吸收减少，从而导致铁限制性的红细胞生成，这就是所谓的慢性炎症性贫血。

已经有很多研究描述了巨噬细胞及其他多种人工培养的细胞中铁调素介导的Fpn内化的发生机制。Auriac等[15]发表了一个有挑战性的Fpn内化作用的发生机制。他们利用初级培养的骨髓组织获得了巨噬细胞或一个巨噬细胞株。研究发现，Fpn与位于巨噬细胞胞膜里且被脂质筏包含的微畴样结构有关联。这些胞膜结构是富含胆固醇、神经鞘脂及各种各样膜蛋白(包括GPI-锚合蛋白或传统的跨膜蛋白)的短程有序的结构。有实验用菲律宾菌素(一种能抑制脂质筏依赖性的胞吞作用的抗菌素)将胆固醇屏障后，铁调素介导的Fpn的内化率明显降低，使Fpn与脂质筏的结合对铁调素介导的Fpn内化作用变得不可或缺。感兴趣的是，用氯丙嗪抑制网格蛋白介导的胞吞作用后，并不能阻止铁调素介导的Fpn内化作用，这与先前Domenico等[16]所得的铁调素与网格蛋白共同介导Fpn的内化作用的研究结果是相互矛盾的。大部分关于磷酸化的研究报道之后，铁调素介导的Fpn内化作用的细胞特异性解释了存在这些明显差异的原因，在转染HEK293细胞(一种永生的细胞株)中完成了网格蛋白介导的Fpn内化作用，然而Auriac等在初级及永生巨噬细胞的培养基中完成了Fpn与脂质筏之间的关联性的研究。很显然，尚需要更多的研究来证实在Fpn的内化降解作用中，JAK-2或脂质筏介导途径各自发挥的作用。

3.3.2不依赖于铁调素的Fpn的内在化铁调素是唯一已知的能够介导Fpn内在化的配体。然而有研究证明Fpn的内在化可以不依赖于铁调素。铜蓝蛋白(ceruloplasmin,Cp)是多铜氧化酶家族中的一员，它普遍存在于脊椎动物体中，且具有广泛的生物功能。Cp通过其铁氧化酶活性在细胞内铁输出中发挥一定的作用，能够促进Fe3+与转铁蛋白的结合。很多研究发现，Cp靶基因的缺失能够影响机体的铁代谢。另外，血浆铜蓝蛋白缺乏症的患者表现出正常的铜稳态，但是铁稳态却受到了严重的影响，血浆铜蓝蛋白缺乏症是非常罕见的由Cp基因突变引起的常染色体疾病。Cp被看作是继铁调素之后的维持Fpn稳定性的次要因素：(1)Cp能稳固浆膜上Fpn对铁的输出功能；(2)Cp的缺乏或无功能的Cp的存在能够导致Fpn在特定的细胞中发生降解。De Domenico等[17]研究发现，当Cp缺乏时，一个无法运输铁的Fpn的突变体(N174I)并没有发生内在化。后来研究发现，使用免疫沉淀法从59Fe标记但缺乏Cp的细胞中可以得到被59Fe结合的野生型的Fpn；使用同样方法从59Fe标记并表达Cp的细胞中得到没有59Fe结合的Fpn。这些发现引出了这样一个假设：Cp缺乏时，铁结合于Fpn且不能分离下来从而影响了Fpn的构象。进一步假设到：构象发生变化的Fpn可以被E3连接酶所识别，从而导致Fpn被标识并发生内化降解作用。他们同时证明由Cp的缺乏所引起的Fpn的内在化是不依赖于铁调素及JAK-2的，但是依赖于K273及Nedd4-2的泛素化[18]。Kono等[19]研究表明Cp能部分抑制铁调素介导的Fpn的内化作用。然而，Cp影响铁调素介导的Fpn的内化作用的机制是尚不明确的[20]。尽管学者们对Cp与Fpn的相互作用做了很多研究，但仍没有得出确切的结论。然而基于Kono的研究发现，可以推断Cp能与铁调素竞争性的结合Fpn。

4Fpn在临床中的应用前景

Fpn的发现对铁限制性贫血(例如与感染、炎性疾病及某些恶性肿瘤相关的贫血，慢性肾病性贫血，难治性贫血)及铁超载疾病(主要是遗传性血色素沉着病及β-珠蛋白生成障碍性贫血)的诊断和治疗有重要的临床应用前景。Sun等[21]以铁调素-Fpn轴为目标，发现了慢性病贫血及炎症相关性贫血的新颖的治疗方案。有研究表明，使乳腺癌的小鼠模型转染Fpn，能够明显地减缓其乳腺癌的生长速度。而且Pogribny等[22]研究表明，Fpn的表达及铁调素基因可能被用作乳腺癌患者的个体化治疗的导向。另外，Wang等[23]通过研究60例肝细胞癌患者的Fpn的表达水平，推断Fpn是肝细胞癌的关键蛋白，并推断Fpn可能是判断肝细胞癌预后的一个独立标准，且可能作为肝细胞癌的一个新的治疗靶向。

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doi:·综述10.3969/j.issn.1671-8348.2016.08.037

* 基金项目：青海省科技计划项目(2014-ZJ-720)。

作者简介：刘玉洁(1988-)，硕士,主要从事血液病方面的研究。△通讯作者，E-mail:gh0227@sina.com。

[中图分类号]Q26

[文献标识码]A

[文章编号]1671-8348(2016)08-1110-04

(收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-10-29)