铁代谢异常与肿瘤研究进展

蒋金朋，王夙斐，易村犍 (长江大学第一临床医学院 荆州市第一人民医院妇产科，湖北 荆州 434000)

铁是一种必需的营养元素。然而，铁离子在氧化和还原状态之间的转换会产生对细胞有害的活性氧(ROS)，因此受到严密复杂的调控。由于铁是体内重要大分子的重要组成成分,参与ATP、氧的运输、DNA合成等重要的生命活动。现有大量研究显示细胞内铁代谢失调导致的铁过量与肿瘤的发生、增殖与转移有关[1,2]。现研究显示肿瘤细胞对铁表现出更强的依赖性，同时更容易消耗铁。尽管有大量的研究，铁和癌症之间的具体联系仍然没有完全解释清楚。简要地介绍正常铁代谢及对铁代谢异常的新认识、铁代谢异常与肿瘤发生及转移的机制，提供关于铁和癌症之间的联系的新观点，这可能为预测癌症预后和治疗提供新方法。

1 细胞内正常铁代谢

铁是一种必需的微量元素，参与人体多种代谢过程。体内铁平衡是通过精细调节铁的摄入和再利用来维持的。

1.1 铁在体内摄取过程

铁在食物中主要以氧化态(Fe3+)存在。Fe3+在肠道中被铁还原酶(如十二指肠细胞色素b还原酶 Dcytb)作用形成还原态(Fe2+)，并被二价金属转运蛋白1(DMT1)所摄取[3,4]。而血红素铁被肠细胞通过未知的机制吸收，并被血红素加氧酶1(HO-1)作用形成还原态(Fe2+)。肠细胞所吸收的铁最终被膜铁转运蛋白(ferroportin，FPN)运输，通过基底外侧膜运输到血液循环中[3]。被FPN运输的Fe2+通过与膜结合的多铜氧化酶蛋白(hephaestin,HEPH)在肠细胞的基底外侧表面再氧化，然后加载到转铁蛋白(transferrin,TF)上，转铁蛋白可在血浆中循环并将铁转运到外周组织[4]。饱和转铁蛋白通过与细胞表面上的转铁蛋白受体(transferrin receptor 1,TFR1)结合形成TFR1 / TF-(Fe3+)2复合物而将铁胞吞进入细胞，细胞内铁一部分作为活性物质参与生理代谢，另一部分存储于铁蛋白中。

1.2 铁代谢调节

在血清铁的调控网络中，铁调素(hepcidin)负性调节机制占优势，铁调素是在肝脏合成的肽类激素，当储存铁增加时，肝脏即补充生成铁调素降低血清铁的水平。这一调节机制中的一个重要分子便是细胞膜表面的FPN，铁调素通过与FPN结合使其泵铁的能力减弱，从而其抑制肠黏膜细胞和巨噬细胞等将铁释放到血浆，进而降低血清铁浓度。

在细胞内铁的调控网络中，铁反应蛋白( iron response protein, IRP1和IRP2)是重要的调控蛋白，它们主要影响的是转铁蛋白受体及铁蛋白的表达数量[5]。铁反应元件( iron re-sponse element, IRE)是一段特别的mRNA序列，具二级结构可影响蛋白的翻译，IRP与 TfR1 mRNA 上的3′端 IRE 结合后，可稳定这段mRNA，使其翻译出更多的转铁蛋白受体。但是在细胞内铁充足时，过量的胞质铁使IRP不稳定，阻止它们与IRE结合，TfR1mRNA在细胞内降解加快，进而减少铁转移至细胞内[3,4]，维持一个适宜的细胞内环境。

2 铁代谢与癌症

随着对正常铁代谢机制的阐明，铁与癌症之间的关系在分子层面上越发清晰。癌细胞在铁代谢上的改变主要有以下几个方面：

2.1 铁吸收、储存与癌症的关系

转铁蛋白受体(TFR1)对铁吸收调节至关重要，研究表明癌细胞的TFR1表达增加[6，7]。在乳腺癌[8]，肾细胞[9]，和非小细胞肺癌[10]中，过表达TFR1的肿瘤细胞对铁的吸收速度加快，其相应患者预后也较差。同时TFR1也可受铁反应蛋白(IRP)转录后水平调控，从而调控细胞内铁[11]。这些研究结果已经应用于TFR1靶向治疗，通过抗体直接靶向作用TFR1，或间接作用于结合TFR1的转铁蛋白结合物，实现肿瘤特异性药物传送[6， 7]。

在正常细胞中，铁蛋白螯合铁用于储存，同时减少铁介导产生的自由基。在癌细胞中，铁蛋白对癌细胞同样不可或缺，研究表明，用small hairpin RNA靶向干扰铁蛋白的H和L亚单位可抑制肿瘤细胞的生长[12]。在乳腺癌的研究中我们了解到，癌基质细胞中铁蛋白高表达，进一步的分析表明，这种富含铁蛋白的基质细胞是渗入肿瘤的CD68+巨噬细胞[13]，这类巨噬细胞可以合成并局部分泌铁蛋白。除了基质细胞之外，与非胶质母细胞瘤相比，胶质母细胞瘤表达更多铁蛋白[12]。

2.2 铁外排与癌症的关系

FPN在巨噬细胞、肝细胞、胚胎合体滋养层细胞和肠上皮的基底膜细胞表达丰富，由它介导并由铁调素调节的铁外排机制在肿瘤生长和转移中起重要作用，许多癌症患者出现FPN的调节紊乱。进一步研究表明，FPN下调促进乳腺癌生长，而FPN上调阻碍肿瘤生长[14]。与正常对照相比，FPN在乳腺癌，前列腺癌和肝细胞癌细胞中显着减少[14，15]。在乳腺癌中，FPN减少与患者不良预后相关指标相关,如雌激素受体缺乏，组织学高级别，淋巴结转移等[15]。在乳腺癌细胞中高表达FPN可抑制小鼠癌症异种移植物的生长[15，16]。此外，乳腺癌细胞中FPN过表达不仅与肺和肝脏癌转移率下降相关，而且FPN过表达的癌组织有着更低的上皮间质转化标志物水平，如：Snail1，Twist1，ZEB2和vimentin[16]。

同时，FPN的表达在转录、转录后和翻译后水平均受到调节。在巨噬细胞中,血红素通过降解Bach1，导致FPN的转录去抑制作用，Bach1可与FPN启动子序列中存在的抗氧化剂反应元件结合并抑制其转录[17]。影响FPN转录的另一个因素是缺氧，在肠上皮细胞中缺氧诱导因子的活化可以上调FPN的表达[18]。在前列腺癌中，Nrf2通过上调FPN抑制前列腺癌细胞活力、有丝分裂和转移[19]。在转录后，FPN可受铁反应蛋白(IRP)精细地调控。大多数细胞类型主要表达FPN亚型1amRNA，这种亚型含有5'IRE。在铁缺乏条件下，IRP结合5'IRE，阻遏FPN翻译并降低细胞膜上FPN的表达[20]。FPN也被铁调素翻译后调节，其与FPN结合导致FPN退化和溶酶体中的蛋白水解[21]。在癌细胞中FPN表达降低的机制尚不完全清楚。据报道，FPN基因(SLC40A1)的异常DNA甲基化有助于乳腺肿瘤中FPN的下调[14]。

2.3 癌症中的铁转运蛋白-铁调素轴(hepcidin-ferroportin)

铁调素(Hepcidin)抑制肠粘膜细胞和巨噬细胞释放铁入血清，维持铁铁代谢的稳定。许多类型癌症患者的血清铁调素水平升高。铁调素在前列腺癌细胞中高表达，并通过增加细胞内铁来调节细胞增殖，迁移和凋亡[22]。铁调素受多种信号通路的调控，其中骨形态发生蛋白(BMP)和白细胞介素-6(IL-6)炎症通路发挥重要作用。BMP，IL-6都有助于增强前列腺癌中铁调素的合成增加[23]。高血浆铁调素阻断铁从肠上皮细胞和巨噬细胞(促成癌症中的贫血)的循环，并且还可以通过降解FPN导致肿瘤细胞中铁的蓄积，从而导致信号通路的激活，例如 Wnt[24]和NF-κB[25]信号通路，它们有助于肿瘤进展。除肝脏合成的铁调素外，癌细胞也合成铁调素。例如乳腺癌、结直肠癌和前列腺癌细胞合成的铁调素含量比非恶性肿瘤细胞高[15，22，23]。由癌细胞产生的铁调素启动局部自分泌信号传导，以降解膜FPN，从而导致细胞内高铁[15， 23]。同时肿瘤中高铁调素表达与肿瘤的转移进展和不良预后有关[15]。因此，铁调素在癌症中的失调导致细胞内铁平衡改变，其促癌性质可能是由于其能够通过启动FPN的退化和降解，增加了肿瘤细胞中的细胞内铁含量而实现的。

2.4 铁死亡(Ferroptosis)与癌症的关系

2012年Dixon 等[26]人研究erastin 杀死含有致癌基因RAS突变的肿瘤细胞的作用机制时，首次发现并报道了这一新型细胞死亡方式——铁死亡(ferroptosis)，这是一种依赖于脂质过氧化反应驱动的非凋亡性细胞死亡方式,其特征是细胞死亡过程中伴随着大量的铁离子累积和脂质过氧化。现研究证明可通过调节细胞内铁的含量从而改变细胞对铁死亡的敏感性，通过增加转铁蛋白和TFR1可增加细胞内铁从而促进铁死亡[26]。热休克蛋白B1( heat shock protein B1，HSPB1) 通过抑制TFR1的表达而降低细胞内铁离子浓度，因此过表达的HSPB1会抑制铁死亡[27]。在体内，当敲低HSPB1 mRNA的表达时，可增强了铁离子诱导(erastin)的抗肿瘤活性[27]。

2.5 MiRNAs与癌症的关系

最近还发现了一些新的调节机制，这些调节机制可能导致特异性的铁代谢改变。微小RNA(miRNA)是参与基因转录后水平调控的非编码小分子RNA。Sangokoya等[28]人通过添加外源性铁或去铁胺螯合铁后，检测调节FPN的miRNA表达差异，鉴定出44种差异表达的miRNA。并预测其中两种miRNA(miR-485-3p和miR-194)的靶点是FPN基因。在缺铁细胞系中，miR-485-3p被大量诱导出来的，并介导的FPN依赖性铁流出减少。现多个研究证明miR-152[29]、miR-320[30]、miR-31和miR-194[31]均可以通过作用FPN，从而调控细胞内铁代谢。因此，确定miRNA是否在癌细胞中上调，以及是否有助于肿瘤中减少FPN的表达将是具有重要临床意义的。

除了控制铁的流出外，miRNAs还可调控铁摄入的相关蛋白。TFR1被证明是miRNA-210的直接靶点，过表达miRNA-210抑制TFR1，降低转铁蛋白对铁的吸收和增殖[32]。利用TCGA数据库发现TFR1与miRNA-152之间呈负相关，与非肿瘤肝组织相比，人肝癌组织中的RNA-152水平降低，TFR1过表达[29]。FTH在侵袭性较高的三阴性乳腺癌细胞系中上调，并证明了FTH与miR-200b负相关，表明FTH是miR-200b的直接靶点。因为miR-200b靶向铁蛋白重链(FTH)，所以miRNA也可控制铁储存蛋白的表达[33]。

2.6 表观遗传学与癌症相关研究

表观遗传学是研究除不涉及DNA序列变化外，其他机制引起的细胞表型和基因表达的可遗传的改变，主要在基因转录层面调控基因表达。在癌细胞中已经报道了与铁代谢相关表观遗传学改变。在近端启动子的CpG岛处观察到DNA甲基化是基因沉默的表观遗传机制。一项研究表明在乳腺癌中FPN基因启动子处的CpG岛甲基化，导致癌细胞中FPN表达降低[14]。铁调素是FPN的负调控因子，也受启动子甲基化控制，是通过甲基化铁调素调节因子间接调节的[23]。SOSTDC1是铁调素的负调节因子，前列腺癌中通过启动子甲基化所沉默[23]。SOSTDC1沉默增加了铁调素的表达，减少了FPN，增加了前列腺肿瘤细胞中的细胞内铁。组蛋白的乙酰化是控制基因表达的另一种表观遗传机制。通常，组蛋白乙酰化为基因的活性转录提供开放的染色质结构来对转录激活[34]。恶性细胞经常表现出组蛋白脱乙酰酶(HDAC)的上调，这种酶可以使组蛋白去乙酰化。促进封闭的染色体状态，从而降低了肿瘤抑制基因的转录[34]。出于这个原因，HDAC抑制剂已经有望成为的抗癌药物。HDAC抑制剂通过抑制HDAC酶活性起作用，从而维持组蛋白乙酰化，并降低关键肿瘤抑制基因表达[34]。

3 展望

近几年来，我们深入研究铁在癌症中的调控的机制。并且已经开始努力应用于治疗中。目前认为调控铁外排、铁转运蛋白-铁调素轴、铁死亡是控制癌症的主要节点，从这些方面进行抗肿瘤药物的研发。表观遗传学和miRNA介导的途径在肿瘤与铁代谢的关系正在研究中，可能为肿瘤的治疗提供新的方法。

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