脑铁代谢相关蛋白与阿尔茨海默病

马冬雪 贺小平 胡铁良 董贤慧

(1承德医学院病理生理学教研室，河北 承德 067000；2河北中医学院 河北省心脑血管病中医药防治研究重点实验室；3天津市职业病防治院 天津市工人医院泌尿外科)

阿尔茨海默病(AD)是老年人常见的一种神经退行性疾病，以进行性认知、学习和记忆功能障碍为主要临床表现。如今，老龄化进程日益加剧，AD发病率呈逐年上升的趋势。AD已成为仅次于心脑血管疾病和恶性肿瘤的重要致死性疾病。AD的特征性病理改变主要是脑内神经细胞外β-淀粉样蛋白(Aβ)沉积形成老年斑、细胞内神经原纤维缠结(NFTs)和胆碱能神经元丢失。Aβ是β淀粉样蛋白前体蛋白(APP)的异常剪接产物，由β和γ分泌酶裂解。神经元tau蛋白过度磷酸化导致NFTs的形成。研究表明，影响脑内铁含量增高的因素包括脑内铁代谢调节相关蛋白(IREG)的表达失控、氧化反应及炎症反应以及外周铁代谢失衡和脏腑功能衰退有关。AD患者脑内多种铁代谢相关蛋白的紊乱会使脑内铁沉积，促进自由基生成〔1〕，使脑组织氧化应激损伤进一步变的严重。本文将详细讲述以下几种铁代谢相关蛋白。

1 二价金属离子转运体(DMT)1

DMT1也称二价阳离子转运载体1，属于可溶性载体家族成员。是一种跨膜铁转运蛋白，位于细胞膜上。以运输二价铁离子为主。DMT1分子量61 456 kD，其等电点为6.02，有12个跨膜结构域。DMT1在十二指肠和肾中含量最为丰富。DMT1具有高度的疏水性，它的氨基端和羧基端都在胞质内。转铁蛋白(Tf)和Tf受体(TfR)途径是细胞摄取铁的重要方式。Tf释放三价铁并将其变为二价铁，DMT1上的内吞小体可以使二价的铁离子转移到细胞内〔2〕。DMT1 mRNA有两种形式，一种3′端有铁反应元件(IRE)，而另一种没有。另外，DMT1还可以转运其他的金属离子，如Mn2+，Fe2+，Pb2+，Ni2+，Zn2+〔3〕。DMT1和IRE对铁变化敏感，当机体内缺铁时，铁调节蛋白(IRP)与DMT1 mRNA相结合，使脑内DMT1表达增加，铁摄取增强;体内高铁时IRP与DMT1 mRNA二者分离，使脑内DMT1表达减少，铁摄取降低；病理显示，APP/PS1双转基因小鼠小脑内老年斑内有大量的DMT1表达，并且AD患者脑内的DMT1也明显增加。脑内不同区域对铁的敏感性不同，DMT1的表达也不一样。DMT1与小脑内老年斑的形成密切相关。研究发现，药物通过减少DMT1的表达，抑制铁的细胞内转运，增加膜铁转运蛋白(FPN)1表达〔4〕，促进胞内铁的外排，调节铁代谢，起到神经元的保护作用〔5〕。

2 FPN1

FPN1又称金属转运蛋白(MTP)1或铁调节转运体(IREG)1，是目前在脊椎动物中发现的唯一能够将细胞内铁排出到细胞外的膜蛋白〔4〕。由571个氨基酸组成，与DMT1具有高度同源性，FPN1基因位于2号染色体上，长度为20 kb，含有8个外显子。其mRNA的5′末端非翻译区包含与IRP结合的IRE。FPN1是铁调素(hepcidin)的受体，与hepcidin结合，可将十二指肠细胞内的铁转运入血液循环中，从而维持机体的铁稳态。FPN1在脑组织中表达，提示它在铁转运中起重要作用，缺氧可增加机体铁的吸收，FPN1在细胞内铁向血液的出口中起到必要的作用〔6〕，其变化会导致铁超载或铁缺乏。因此，FPN1的调节是维持铁稳态的重要因素〔7〕。在血脑屏障中，FPN1在内皮细胞基底膜上起铁转运蛋白的作用，参与铁血脑屏障的转运。然而突触小泡中FPN1的作用，目前尚不清楚，它可能起到抵抗铁毒性的作用〔8〕。FPN1广泛分布于脑内，这对血脑屏障铁转运和血铁释放至关重要。FPN1的表达受到hepcidin、缺铁、缺氧、过渡金属等因素的影响〔9〕，其中hepcidin调控最重要，但调控机制仍然不是很清楚。Hepcidin对FPN1表达起调控作用〔10〕，但是脑铁代谢的调节机制极其复杂，hepcidin与FPN1之间的关系仍需进一步的科学研究〔11〕。

3 膜铁转运辅助蛋白(HEPH)

HEPH由20个外显子构成，分子量约为130 kD的跨膜蛋白〔12〕。在皮质、纹状体、海马、黑质、脑干中均有表达，在铁代谢中起重要作用。HEPH主要在肠道中表达，最近在胎盘，心脏，脑和胰腺中也发现了这种蛋白质〔13〕，而在心脏，脑和胰腺中，HEPH的铁氧化酶活性可以保护这些组织免受Fe2+的毒性。HEPH属于铁转运相关蛋白。HEPH是含铜的亚铁氧化酶，亚铁氧化酶可将二价铁氧化成三价铁，并通过膜铁转运蛋白调节铁释放〔14〕，参与铁从肠上皮细胞释放到血液循环的过程，减轻铁过载引起的氧化损伤〔15〕。在蛋白质和核苷酸水平上，HEPH在小鼠，大鼠和人类中的相同性超过80%。完整的人HEPH cDNA编码具有推定的N-末端信号肽的1 185个氨基酸的多肽。HEPH与铜蓝蛋白(Cp)50%相同，HEPH在C末端含有额外的86个氨基酸。该片段包括单个预测的跨膜结构域和短的胞质尾部，表明HEPH是具有大的Cp胞外域的膜结合蛋白。HEPH胞外域的比较结构模型基于Cp的已知晶体结构。HEPH具有与Cp相似的铁氧化酶活性。与参与铁稳态的大多数蛋白质相反，HEPH表达不受铁反应元件和IRE结合蛋白的调节。影响肠中HEPH表达水平的已知因素包括铁和铜水平。通常，在铁缺乏条件下，HEPH mRNA水平增加。铜似乎不仅对于HEPH合成和铁氧化酶功能是关键的，而且对于HEPH稳定性也是如此。在铜耗尽的细胞中，HEPH蛋白不会成熟为稳定的160 kD形式。研究表明，Cp和HEPH在细胞铁代谢和体内平衡中起重要作用。目前的研究结果表明，HEPH和Cp消失可导致严重的全身性铁缺乏和局部组织铁超负荷，从而破坏全身铁稳态和组织功能受损〔16〕。

4 Cp

Cp为一种多铜铁氧化酶(MCF)，是铁转运中的关键酶。位于8号染色体上，基因定位于3q23～q25，基因长度65 kb，有19个外显子。小肠吸收Fe2+，然后以Fe3+的形式储存。铁释放蛋白将Fe3+还原为Fe2+;血浆中的Cp具有亚铁氧化酶活性可将Fe2+氧化成能与铁转运蛋白(Fpn)结合的Fe3+，Fe3+结合Fpn后被转运至靶细胞，经内吞后进行代谢或贮存。Cp在铁转运过程中是必不可少的，Cp减少则中枢神经系统出现铁的沉积，还会影响铁代谢。是体内急性时相反应蛋白，是一种含铜的α2糖蛋白，存在于大多数的脊椎动物血清中。Cp可以运输铜离子，在调控铁离子平衡、铁离子转运、促进血管生长和抗金属抗氧化酶活性等方面也发挥着重要作用。Cp由肝脏产生，其抗金属抗氧化酶活性可使神经元受损时神经递质的合成也受影响。当Cp功能合成紊乱时，导致体内铜的蓄积，AD患者血清中Cp的变化与AD患者的痴呆程度是紧密相连的。痴呆程度越重，AD患者血清中Cp就越少，血铜水平越高。抗氧化作用也就随之降低，并使组织加重受损和机体功能发生障碍。过度的氧化应激损伤了中枢神经，引起认知功能继续低下〔17〕。痴呆程度越轻，AD患者血清中Cp就越多，血铜水平越低。大多数痴呆患者都有精神行为的症状，表明随着痴呆的程度的加重，精神行为症状也开始逐渐加重，当重度痴呆时，AD患者的神经功能明显发生退化〔18〕。研究发现先天性CP缺陷患者和Cp基因敲除小鼠在多种组织中积聚铁，尤其是巨噬细胞和中枢神经系统，但血浆铁水平降低〔19〕。Cp缺乏时与非转铁蛋白结合的铁离子会转移到神经元或其余的中枢神经组织细胞，引起铁超载，进一步导致中枢神经元的氧化应激。

5 血幼素(HJV)

HJV是一种在2004年发现的铁代谢调节物质。该基因为4 265 bp，由4个外显子和3个内含子组成。有426个氨基酸残基。根据结合类型，HJV可分为可溶性血幼素(sHJV)和膜型血幼素(mHJV)。HJV在体内有两种来源：骨骼肌是sHJV的主要来源；肝脏是mHJV的主要来源〔20〕。mHJV可以检测铁的摄入和传递信号来调节hepcidin。HJV的生理作用尚不清楚，它通过调节hepcidin调节铁代谢。可溶性HJV可能是hepcidin合成的负性调节因子。在体内，mHJV与骨形态发生蛋白(BMP)结合来促进hepcidin表达。BMP-6在调节hepcidin的表达中起重要作用，在此过程中，mHJV作为BMP-6的共同受体，加速BMPⅠ型受体的磷酸化，间接促进铁蛋白的表达。sHJV是HJV经弗林蛋白酶处理后的产物，sHJV和mHJV可以与BMP-6竞争结合，sHJV降低了mHJV与BMP-6的结合，而sHJV抑制了hepcidin表达。BMP-6和mHJV的缺失进一步抑制hepcidin〔21〕。因此，低氧可抑制促进弗林蛋白酶的活性，增加sHJV的表达，抑制hepcidin表达〔22〕。

6 Hepcidin

Hepcidin基因位于人类染色体19q13上，其长度约为2.5 kb，由3个外显子和3个内含子组成。从尿液中分离出来，由25个氨基酸组成，在肝脏合成一种富含半胱氨酸的小肽。为一种抗微生物肽类激素，它是体内调节铁代谢并具有抗菌活性的内源激素。hepcidin在机体和细胞中的表达水平受到多种因素的影响，包括炎症、缺氧、红细胞生成活性和铁水平。脑内的铁沉积可增加自由基的产生并导致炎症反应。炎症反应诱导hepcidin的表达，抑制铁的外流〔23〕。研究发现，AD中铁过度的蓄积使hepcidin的表达异常增高〔24〕。Hepcidin基因的突变可导致严重的铁过载，在铁过载时，通过增加铁蛋白分泌水平，合成限制铁的摄取〔25〕。脑内铁代谢紊乱，细胞内铁含量的增多是AD的发病机制之一。Hepcidin被认为是调节人体铁平衡的“核心因子”〔26〕。

Hepcidin主要作用于肠上皮细胞、巨噬细胞和FPN1〔27〕。当体内hepcidin较少时，hepcidin和FPN1解离，FPN1可以通过各种途径吸收铁进入体内，并促进铁的水平。当hepcidin较多时，hepcidin与FPN1结合。后诱导FPN1导致其功能消退，使细胞内铁离子释放减少，最终致使FPN1转铁功能急速降低，而使机体铁含量下降〔28〕。当缺铁发生时，通过降低铁蛋白合成增加铁的摄取，从而使得机体铁含量一直处于平衡稳定的状态。运动可通过影响肝脏炎症和HJV表达，进而影响hepcidin水平来诱导铁调素表达〔29〕。炎症反应释放的白细胞介素(IL)-6在hepcidin的分泌中也起重要作用。IL-6通过与受体结合而激活JAK12，从而磷酸化信号传导蛋白和转录激活物(STAT)3。大量磷酸化的STAT3进入细胞核，与hepcidin基因启动子中的相应结合位点结合，从而促进hepcidin基因的表达。抑制细胞内信号传导蛋白(SMAD)4在肝脏中的活性，会影响IL-6在hepcidin上的上调。近年来的研究证实，hepcidin基因启动子BMP应答元件的变化将严重影响铁蛋白对IL-6的应答。BMP/SMAD通路磷酸化的抑制将阻碍铁蛋白对IL-6的诱导，表明完整的BMP/SMAD信号通路是hepcidin对炎症的正常反应所必需的。新的研究结果揭示了BMP2在hepcidin和铁稳态调节中的关键。这些结果可能为铁病的病理生理学提供新的见解，并可能有助于开发新的更有针对性的疗法〔30〕。

7 线粒体铁蛋白(MtFt)

MtFt是一种新型的铁蛋白类型，特异性地位于线粒体中，是由染色体5q23.1上的无内含子基因编码的新型H型铁蛋白。MtFt与具有氧化铁酶活性的H-铁蛋白具有高的同源性，这有助于铁在MtFt的壳结构中的储存〔31〕。该蛋白质被合成为约30 kDa的前体，其通过60个氨基酸的前导序列靶向线粒体。该前导序列在线粒体内被蛋白水解除去，得到的22 kDa亚基形成典型的铁蛋白壳。这些壳具有铁氧化酶活性，这有助于铁在MtFt的壳结构中的储存。MtFt可以将有毒的二价铁转变为无毒的三价铁，还可截获部分铁，在保护线粒体免受铁依赖性氧化损伤中发挥作用〔32，33〕。MtFt具有非常有限的组织表达。在睾丸中发现大量的MtFt但在铁储存器官中仅发现非常低的水平。此外，MtFt水平的增加导致铁从细胞质重新分布到线粒体，并且铁螯合作用增强了这种作用。因此，高水平的MtFt导致细胞溶质中的铁缺乏表型，铁蛋白表达降低和转铁蛋白受体表达增加。目前的研究结果表明MtFt在神经退行性疾病的发病机制中具有重要作用。MtFt在AD中的表达增加〔34〕，可能与其对铁过载和氧化应激的神经保护作用有关。关于调节MtFt表达的详细机制以及MtFt在与铁代谢异常相关的神经障碍中起作用的进一步研究是将来需要探索的重要主题。MtFt可使线粒体中的铁水平升高，但降低了细胞内不稳定铁池中的铁水平〔35〕。然而，MtFt的mRNA序列不含铁调节的原始序列，这与其他铁蛋白不同，因此其表达不受铁调节〔36〕。最近的研究表明MtFt可能具有调节线体稳态，保护线粒体免受应激损伤。能够改善Aβ所致的炎症反应，对细胞具有一定保护作用〔37〕。它有助于抵抗细胞的早期凋亡。其主要表达在高能量的细胞中，神经元是其中之一。研究证明MtFt通过调节铁代谢的稳态来实现在神经元细胞中对过氧化氢(H2O2)诱导的氧化损伤具有保护作用，由于铁稳态失调及氧化应激发病都参与了AD的，因此调节MtFt表达可预防或治愈AD〔38〕。

当今社会人口老龄化非常严重，以AD为代表的神经退行性疾病显然已成为全世界范围内对老年人健康的最大威胁之一。因此，明确AD的发病机制，制定有效的防治策略成为亟待解决的重要课题。铁是具有氧化特性的过渡金属，与AD的病理机制有关，虽然许多研究表明铁参与氧化应激和蛋白质变性，但铁在神经变性疾病的发病机制和进展中的作用尚未见报道。这一领域的研究进展将为神经退行性疾病的治疗提供新的途径。