铁调节转运体1在癫痫发生、发展中作用的研究进展

陈海燕，黄建敏

(右江民族医学院附属医院，广西百色 533000)

癫痫治疗困难，易发生癫痫持续状态，致残率和致死率高。铁调节转运体1(IREG1)是细胞内铁向细胞外释放的关键通道，在机体铁代谢平衡的维持中扮演着重要角色。IREG1广泛分布于机体中枢神经系统中，参与血脑屏障铁的转运以及神经细胞铁的释放。研究表明，IREG1低表达可引起脑铁超载，导致帕金森病、阿尔茨海默病、脑出血等疾病的发生。癫痫患者IREG1存在高表达，其机制尚不明确，现将IREG1在脑内的结构、分布、功能、表达的调节以及其与癫痫的关系作一综述。

1 IREG1概述

1.1 IREG1的结构与分布 IREG1又称膜铁转运蛋白(FPN1)或金属转运蛋白(MTP1)，是目前发现的惟一的跨膜铁输出蛋白。2000年，3个独立的研究小组采用不同的方法分离鉴定了该基因并予命名。IREG1是一种由571个氨基酸组成的膜结合蛋白，其编码基因SLC40A1位于2号染色体上，长度约20 kb，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，能够与铁调节蛋白相结合。至今，IREG1的结构尚未被完全阐明，首先结构域的数量不明确，它被预测含有12个跨膜结构域，其N端是溶于胞质中的，然而其C端的定位尚不明确，其次IREG1是单体抑或是二聚体亦不明确[1]。IREG1遍及全身各种组织，在脑外主要表达于十二指肠、胎盘、肝、肾、心脏和骨骼肌[2]。在脑内神经元中，IREG1高表达于神经元的胞体、大脑皮质、海马、脑干、小脑和丘脑。而在纹状体、苍白球和下丘脑很少表达。在非神经元细胞中，IREG1高度表达于少突胶质细胞、脉络丛上皮细胞和血脑屏障的内皮细胞以及突触小泡内[3]。在血脑屏障中，IREG1作为内皮细胞基底膜上的铁转运体，参与血脑屏障铁的转运，然而突触小泡中IREG1的作用目前尚不清楚，可能起着抵抗铁毒性的作用[4]。

1.2 IREG1在脑内的转运 外周循环的铁进入脑内主要有3个途径[5]：转铁蛋白(GPI-anchored MTf)/转铁蛋白受体(TfR)途径；乳铁蛋白(Lf)/乳铁蛋白受体(LfR)途径及糖基磷脂酰肌醇锚型黑色素转铁蛋白(MTf)/分泌型黑色素转铁蛋白(Secreted MTf-Fe)途径。以Tf/TfR途径最重要，IREG1在此途径中发挥关键性作用。最先是血清Tf运输铁，形成Fe3+-Tf复合物，到达血脑屏障，与脑毛细血管内皮细胞膜上的TfR结合，接着由TfR介导的内吞作用进入内皮细胞，在酸性环境下，Fe3+被解离还原为Fe2+，然后通过二价金属转运体转运进入内皮细胞胞质内，最后由IREG1运输出内皮细胞，在膜铁转运蛋白辅助蛋白(HP)或铜蓝蛋白(CP)的帮助下氧化为Fe3+后进入脑组织。进入脑间质的Fe3+大部分以Tf结合铁的形式存在，小部分Fe3+及少量Fe2+以非Tf结合铁的形式存在。各种神经细胞通过摄入、利用或储存脑间质铁离子的方式进行机体铁代谢。由此可见，IREG1是神经细胞铁输出的关键通道，对维持脑铁代谢的平衡起着至关重要的作用，IREG1的变化必定会影响脑铁含量的变化，可能诱发帕金森病[6]、阿尔茨海默病[6]、脑出血[7]等神经系统铁代谢相关疾病。

1.3 IREG1在脑内的功能 Donovan等[8]研究认为，IREG1基因敲除小鼠很快死亡，是由于IREG1蛋白表达下调导致铁积累，提示IREG1很可能参与了细胞铁输出。通过显微镜在非洲爪蟾卵母细胞中注射铁离子，发现IREG1表达可增加铁离子的流出[9]。这些研究表明，IREG1具有神经细胞铁释放的功能。此外，Gao等[10]实验表明，IREG1表达减少会引起大鼠大脑皮质和海马的铁沉积。细胞内铁离子沉积可通过多种机制导致细胞凋亡。其中最主要的是过量铁离子可与细胞内的超氧化物自由基反应产生活性氧自由基，造成神经细胞的氧化应激损伤，甚至死亡。另外铁离子还可引起线粒体内Ca2+代谢紊乱直接导致细胞凋亡[11]。在大鼠蛛网膜下腔出血模型中[12]，铁代谢相关蛋白IREG1和CP表达下降，引起神经细胞内的铁沉积，进一步加重脑水肿和血脑屏障通透性的破坏。CP为脑内IREG1参与神经细胞铁释放和血脑屏障铁转运过程中所必需的一种辅助蛋白，具有亚铁氧化酶活性。当缺乏CP时，IREG1单独不能完成细胞铁释放[13]。以上研究均表明，IREG1在血脑屏障铁离子转运和神经细胞铁释放中起重要作用。除此以外，研究[9,14,15]表明IREG1还具有转运细胞内锌、锰和镉等过渡金属的功能，从而减少其毒性保护细胞。同时，IREG1的转录受到锌、锰和镉等多种重金属的诱导。可能的机制是重金属与IREG1启动子上的两个金属反应元件结合诱导突变发生，阻止金属转录因子激活，从而阻止了金属转录因子介导的IREG1基因的转录，使得IREG1 表达水平下调，最终导致细胞内铁沉积。表明IREG1发挥了对锌、锰和镉等金属转运的重要作用及受到金属的调控。

1.4 IREG1的表达调控 缺铁、缺氧可影响IREG1的调控。研究发现，缺铁可诱导IREG1的转录，但需要缺氧诱导因子-2α的参与[16]；在体外培养O-2A祖细胞缺氧模型中，随时间的延长，IREG1 mRNA和蛋白水平表达均下调，提示IREG1可能参与O-2A祖细胞的缺氧损伤过程，缺氧调控IREG1的表达[17]。在神经细胞、巨噬细胞、呼吸道上皮细胞、心肌细胞、肝细胞、成骨细胞，IREG1基因的表达随细胞内铁离子的升高而增加，随细胞内铁离子的降低而减少，提示细胞内铁离子对IREG1的表达可能存在转录和翻译水平的调控[18]。IREG1 的这种随细胞内铁离子含量的改变而变化的意义在于：细胞通过调节铁离子的释放来维持细胞内铁离子的平衡，并且通过该调节作用，可达到减少铁离子介导的氧化应激作用对细胞的损害。然而小肠上皮细胞和胎盘细胞却与此相反，高铁离子状态可下调二者IREG1的表达，而低铁离子状态下，IREG1的表达被上调。这种差异可能与细胞种类不同有关，小肠上皮细胞和胎盘细胞的功能是将外源性铁向血液转运，因而，可能存在与其他类型细胞有不同的铁代谢机制。缺铁、缺氧对IREG1的表达起调节作用, 但其机制目前尚不清楚。对IREG1起调节作用的另一个重要因素是铁调素(Hepc)。Hepc是由肝脏合成的在机体铁稳态维持中起重要作用的铁负性调节激素，IREG1是Hepc的受体，Hepc通过内化和降解作用来调控IREG1，抑制细胞内的铁离子释放[19]。经侧脑室内注射Hepc后，IREG1表达发生显著改变，且不同的脑区具有明显的区域特异性；在大脑皮层和海马组织IREG1表达明显减少，而在黑质组织表达明显升高[12，20，21]。出现不同的原因考虑大脑皮层、海马神经细胞非转铁蛋白摄铁功能增强, 释放铁的作用减弱，而黑质有可能降低了非转铁蛋白铁的摄取, 增加了铁的释放，抑或Hepc只是脑内IREG1众多调控因子的一种。Hepc对IREG1表达起调控作用，但是脑铁代谢的调节机制异常复杂,Hepc与IREG1之间的关系仍然需要进一步的研究来明确。

2 IREG1在癫痫的发生、发展中的作用

Guo等[22]通过在大鼠额叶注入氯化亚铁，数分钟后可观察到大鼠出现癫痫发作，脑电图记录到尖波、棘波、棘慢波等癫痫样放电，病理检查显示铁离子注射区大量神经元缺失，胶质细胞增殖，以及异常的神经元放电环路。此结果提示铁离子导致局部神经细胞过度凋亡，进而导致癫痫的发生。且皮质下注射铁离子诱导癫痫目前已被证实为一种可靠的模拟人类外伤后癫痫的动物模型[23]。在皮下注射铁螯合剂，可显著降低癫痫模型大鼠海马神经元线粒体内的铁沉积，减轻线粒体氧化应激损伤的程度，减少海马神经元死亡，同时能降低tau蛋白磷酸化水平[24,25]。Zhang等[26]采用MRI技术观察64例颞叶癫痫的患者，发现了其大脑皮质呈弥漫性铁沉积，而皮质下结构铁减少，在癫痫患者中脑铁可能有重新再分配的机制，并提示异常增加的铁通过脂质过氧化影响蛋白质的功能，同时增加细胞外谷氨酸的兴奋性，抑制多巴胺受体的功能，从而导致癫痫的发生。以上动物实验及人体试验均证实了铁离子代谢异常参与了癫痫的发生与发展。IREG1表达异常是引起脑铁代谢紊乱的关键性因素，提示IREGl表达异常可能与癫痫发生发展相关。国内学者柯贤军等[27]通过对35例耐药性癫痫患者脑组织中IREG1 mRNA表达进行研究，发现IREG1 mRNA在耐药性癫痫患者术后脑组织中存在高表达，提示IREG1可能参与了耐药性癫痫的形成，并在其发病机制中起一定作用。研究发现，IREG1能将无毒的Fe3+从细胞内转移到细胞外还原为有毒性的Fe2+[5]，而Fe2+可起到催化脂质过氧化花生四烯酸释放、前列腺素的激活和白三烯级联等作用，引起神经元变性、死亡或凋亡，同时，细胞外Fe2+的增加还可以激活细胞外信号传导激酶(ERK)，影响细胞骨架蛋白tau的磷酸化作用[6]，导致神经元形态改变以及突触重构，诱导苔藓纤维芽生，形成异常兴奋性网络，诱导癫痫发作并参与耐药性癫痫的发生和发展[28]。但是目前IREG1参与耐药性癫痫发生的机制尚未完全阐明。

综上所述，IREG1是目前发现的惟一的铁输出蛋白，在脑内广泛分布，对血脑屏障铁转运和神经细胞铁释放至关重要。IREG1的表达受到Hepc、缺铁、缺氧、过渡金属等因素的影响，其中Hepc调控最重要，但调控机制仍然不十分明确。IREG1与癫痫有关，但IREG1在癫痫病变过程中的确切作用和机制仍不清楚。以IREG1作为靶点的癫痫治疗药物开发可能具有广阔的发展前景。

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