雌激素相关疾病中铁调素及其信号通路的研究

陈蕾，李楠，许天敏，张琨

(吉林大学第二医院a.研究中心，b.妇产科,长春130041)

雌激素对于葡萄糖稳态、免疫稳态、骨骼健康、心血管健康、生育能力和神经功能是不可或缺的。机体处于不同状态时，雌激素的量、组织分布和受体亲和力均会发生变化，直接影响人体的健康和生存[1]。铁代谢对雌激素代谢相关疾病有一定影响，铁代谢一旦失衡(铁过载或铁缺乏)会对参与雌激素代谢的器官(乳腺[2]、卵巢[3]、子宫[4]、甲状腺[5]、骨骼[6]、脑[7]、心和血管[8]等)的功能产生一定影响。铁调素是维持雌激素代谢过程中铁稳态的关键因素。在生理条件下，肝脏可根据全身铁含量实时产生铁调素，以维持体内铁的平衡[9]。在病理条件下铁调素可通过多条通路影响铁代谢，对疾病的发生发展产生影响。近年有研究提出用铁调素治疗雌激素相关疾病的观点，甚至有些已用于某些疾病的治疗[10-12]。目前关于雌激素-铁轴的研究尚浅，雌激素与铁调素之间的相关研究更少，现就铁调素在雌激素相关疾病中的研究进展予以综述。

1 铁调素与铁稳态

铁调素是在2000年发现的主要由肝细胞分泌的富含半胱氨酸的小分子肽，其表达受铁需求、炎症和雌激素等的调节[13-14]。肝脏以外的器官和组织(心脏、肾脏、胃、脂肪组织、胰腺、大脑、肺、胎盘、视网膜、皮肤和肠道等)可在炎症刺激下产生铁调素，然后以自分泌、旁分泌的形式发挥作用，以减少局部的铁外流[14]。铁调素作为组织中吸收和释放铁的关键调节器，可维持红细胞和其他细胞稳定的铁供应，并可避免高水平铁对器官的有害性影响[15]。

铁是多种细胞发挥功能所必需，其参与了呼吸链中的电子传递、RNA转录，新陈代谢中酶的合成和DNA合成等[6,16]。铁稳态由铁调素-铁转运蛋白(ferroportin，FPN)轴调控[6,14]。铁主要来源于十二指肠吸收、巨噬细胞内循环以及肝细胞储存，当血清铁含量超过FPN的结合能力时，肝脏就成为非FPN结合铁的主要储存部位。循环肽激素铁调素及其受体FPN主要维持系统铁稳态，而铁调节蛋白在控制细胞内铁稳态中发挥主要作用。铁调素通过与FPN结合调节肠道铁吸收以及巨噬细胞中铁的释放。迄今为止，FPN是哺乳动物细胞中唯一已知的铁输出蛋白，在肠上皮细胞、肝细胞和巨噬细胞中均显著表达[6,16]。铁调素的增加诱导FPN内化和泛素化降解，导致十二指肠铁吸收减少，巨噬细胞的铁排出受限，血清铁减少，同时导致脾脏等器官的铁滞留，因此过量的铁调素会限制血红蛋白产生铁[16]。

2 铁调素及其信号通路与雌激素相关疾病

雌激素的作用复杂，既能致癌，也能抗癌[17]。研究发现，雌激素可以调节中性粒细胞的数量和功能以及趋化因子的产生，在先天性免疫和适应性免疫中均发挥有效的调节作用[18]。雌激素介导的代谢发生在骨骼肌、肝脏等器官组织中。研究表明，雌激素能调节细胞内铁代谢，雌激素水平的升高与全身铁可用性的增加有关，雌激素能够抑制铁调素的合成，维持FPN的完整性，并增强十二指肠细胞铁吸收、巨噬细胞铁贮存和肝细胞铁释放[19]。雌激素-铁轴有助于减少绝经前妇女的缺铁和绝经后妇女的铁过载，但也可能加剧铁过载，导致癌症、骨质疏松症、心血管并发症、神经退行性疾病等的发生或症状加重。而铁调素变化引起的铁代谢紊乱是导致多种血液病及其他疾病(如恶性肿瘤)的重要因素[20]。铁代谢紊乱通过多种机制(包括铁调素相关机制)增加了乳腺癌以及其他类型肿瘤发生和转移的风险[16]。

2.1铁调素与雌激素依赖性疾病

2.1.1铁调素与乳腺癌 乳腺癌的高发病率引起国内外学者的广泛关注。研究表明，雌激素在乳腺癌的发生和进展中起重要作用[17]。雌激素及其代谢物产生活性氧类[21]，而活性氧类通过增加基因组不稳定性以及影响氧化还原敏感的转录因子传递信号，在乳腺癌细胞转化、细胞周期、细胞迁移以及细胞侵袭中发挥重要作用[2]。另有研究发现,铁调素在乳腺癌患者的血清中高表达,并促进趋化因子配体1/趋化因子受体2表达，通过磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)通路发挥作用[22]。铁调素是乳腺癌及骨转移的独立危险因素[10]。铁调素在乳腺癌中的代谢是由白细胞介素(interleukin，IL)-6和转化生长因子-β超家族成员，如骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、生长分化因子-15等驱动的[10,23-24]。研究表明，BMP在雌激素受体阳性乳腺癌的发生和发展过程中被过度激活，其增强了肿瘤干细胞群和上皮-间充质转化[25]。在乳腺癌细胞中，BMP-2通过不依赖Smad的PI3K/Akt信号通路导致视网膜母细胞瘤蛋白发生磷酸化和泛素化降解,诱导乳腺癌上皮-间充质转化和侵袭性肿瘤细胞表型表达，进而促进乳腺癌转移[26]。

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是PI3K/Akt信号通路的下游介质。Akt/mTOR通路在包括乳腺癌在内的多种癌症中被激活，且可调控多种细胞功能，如细胞生长、存活，血管生成以及靶向或内分泌治疗的耐药等。BMP-2水平在乳腺癌微钙化组织中显著升高，并可激活Akt/mTOR通路，这可能部分解释了微钙化与不良预后的关系[27]。在乳腺增生患者的血清中，BMP-6水平与铁调素呈正相关[10]。但最近一项针对乳腺癌患者的研究表明，与非癌组织相比，癌组织中BMP-6水平非常低，这可能是因为在乳腺癌中铁调素不仅来源于癌组织，肝脏也是铁调素的重要来源，过量的铁显著诱导癌性乳腺组织中BMP-6的产生[6]。因此在乳腺癌中，铁、BMP-6交互诱导铁调素[28]。从临床角度来看，FPN与铁调素的联合表达谱是女性乳腺癌切除术后生存的一个强有力的预测因子[23]。推测靶向铁调素-FPN轴可能是一个很有前途的抑制乳腺癌生长的方法[10]。以上研究表明，铁调素可能通过雌激素/雌激素反应原件、PI3K/Akt、Akt/mTOR通路增强雌激素受体阳性乳腺癌细胞的侵袭和迁移力，另外关于BMP在雌激素受体阳性依赖性疾病中的作用值得更深入研究。

2.1.2铁调素与卵巢癌 组织铁代谢变化在卵巢良恶性疾病的发生发展中发挥重要作用。卵巢癌发病隐匿，患者确诊时大多已处于晚期，且术后复发、转移、耐药等因素使病死率升高。雌激素受体表达和雌激素暴露是影响卵巢癌发生发展的危险因素[19]。铁离子通过增加体内的活性氧类诱导DNA损伤、影响错配基因修复以及调节相关基因的表观遗传学和转录，以上均可导致卵巢癌发生，而靶向铁代谢通路可以改善卵巢癌的治疗效果[3]。近年研究发现,IL-6/信号转导及转录激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)3信号通路可改变卵巢癌微环境,在卵巢癌的发生发展中起重要作用[29]。研究发现，山姜素通过抑制STAT3信号通路，抑制人卵巢癌SKOV3细胞的增殖和迁移，从而靶向治疗卵巢癌[30]。另外，IL-6在卵巢癌患者肿瘤相关性贫血中具有关键作用，IL-6是卵巢癌患者血红蛋白水平的独立预测因子[31]。未来可考虑参考乳腺癌的研究结果，就铁、BMP-6和IL-6及铁调素水平在卵巢癌发生发展中的作用进行研究。

2.1.3铁调素与子宫内膜异位症 子宫良恶性疾病多为激素依赖性疾病，雌激素持续刺激子宫内膜是其发病原因。子宫内膜异位症常见于卵巢，局部雌激素水平升高是在位子宫内膜异位种植生长的关键因素[32]。近年研究发现，子宫内膜异位症患者腹腔液中铁和铁蛋白的水平升高，铁过载可能在其病理生理学中发挥重要作用[4]。铁过载不仅影响巨噬细胞的清除功能，过量的铁还参与氧化和芬顿反应,使氧合血红蛋白(二价铁离子)转变为高铁血红蛋白(三价铁离子)，进而产生活性氧类,导致细胞发生氧化损伤[33]。铁过载可触发和维持腹膜子宫内膜病变中核因子κB的活性，促进细胞间黏附分子-1分泌、异位子宫内膜细胞的炎症反应以及子宫内膜异位表型的表达，参与子宫内膜异位症的发病与发展[34]。有研究提示，子宫内膜异位症中子宫内膜细胞的异位浸润及转移是一个多阶段、多因素参与的复杂过程，其受多条信号转导通路的调节，如Wnt/β联蛋白、促分裂原活化的蛋白激酶、PI3K、核因子κB、Ras同源基因-Rho相关螺旋卷曲蛋白激酶、Janus激酶/STAT3、转化生长因子-β/Smad[35]，因铁调素通过PI3K通路、Janus激酶/STAT3通路参与乳腺癌、卵巢癌的发生发展，故推测铁调素可能在子宫内膜异位症中也发挥调控作用。研究发现，子宫内膜异位症患者血清铁调素和铁蛋白水平高于健康对照者，提示铁过载和血清铁调素水平升高在子宫内膜异位症的发病中起重要作用[36]。另有研究发现，卵巢子宫内膜异位症患者血清铁代谢指标与健康体检者及良、恶性卵巢肿瘤患者比较差异无统计学意义[34]。在排除研究样本年龄及分组因素后，铁调素在其中是否或何时通过何种途径起到调控作用，以及是否关联病程进展均有待于进一步筛选样本深入研究。

2.1.4铁调素与甲状腺癌 甲状腺癌是目前最常见的内分泌相关恶性肿瘤，女性甲状腺癌的发病率约为男性的3倍，这可能与雌激素相关[37]。在小鼠模型中，循环中的雌激素激活PI3K通路，抑制p27表达，影响甲状腺基因的转录调控，直接导致雌性小鼠对甲状腺疾病的易感性增加[38]。铁过载可导致腺体功能不全，尤其是甲状腺对铁过载状态尤为敏感[39]。甲状腺中含铁过氧化物酶、Ⅰ型脱碘酶中含有起催化作用的铁离子活性中心，铁可通过影响酶活力，继而影响甲状腺激素的合成[5]。甲状腺激素可降低血红素合成酶活性，导致铁的利用障碍，后者也可能造成Ⅰ型脱碘酶活性升高，通过正反馈机制导致铁在细胞内堆积[5]。研究表明，甲状腺癌细胞内铁含量高于甲状腺上皮细胞，特别是在铁调素分泌量较高的细胞系中[40]。含骨硬化蛋白结构域蛋白1(sclerostin domain-containing protein 1,SOSTDC1)可导致由BMP-4、BMP-7信号介导的Smad磷酸化减弱，FPN表达增加，铁调素分泌抑制[40]，而SOSTDC1在大部分甲状腺癌中是沉默的[41]。组蛋白赖氨酸N端甲基转移酶参与SOSTDC1启动子甲基化导致的SOSTDC1表达下调，从而导致甲状腺癌细胞分泌铁调素[40]。腺病毒E4启动子结合蛋白-4是SOSTDC1的上游表观遗传抑制因子，其可将组蛋白赖氨酸N端甲基转移酶与DNA甲基转移酶1招募到SOSTDC1启动子上，导致SOSTDC1启动子高甲基化，最终导致抑制SOSTDC1表达,释放铁调素[42]。研究发现，腺病毒E4启动子结合蛋白-4/组蛋白赖氨酸N端甲基转移酶/SOSTDC1/铁调素通路导致的细胞铁功能障碍是甲状腺癌的一个重要环节。这是第1次证明表观遗传修饰对铁调素调控的重要作用。故表观遗传修饰为雌激素相关疾病中铁调素的研究提供了新方向。见图1。

注：HJV为铁调素调节蛋白，IL为白细胞介素，HIF为缺氧诱导因子，BMPs为骨形态发生蛋白，GDF-15为生长分化因子-15，mTOR为哺乳动物雷帕霉素靶蛋白，HREs为缺氧反应元件，EREs为雌激素反应元件，PI3K为磷脂酰肌醇-3-激酶，MAPK为促分裂原活化的蛋白激酶，GPR30为G蛋白偶联受体30，Rb蛋白为视网膜母细胞瘤蛋白，STAT为信号转导及转录激活因子，SOSTDC1为含骨硬化蛋白结构域蛋白1，E4BP4为腺病毒E4启动子结合蛋白-4图1 雌激素相关疾病中铁调素的作用机制

2.2铁调素与绝经后相关疾病

2.2.1铁调素与骨质疏松 骨质疏松是最常见的代谢性骨病，好发于雌激素缺乏的绝经女性。研究证实,铁过载是独立于雌激素缺乏之外的绝经期骨质疏松症的另一个危险因素[6，11]，而铁调素是预防绝经后骨质疏松症的潜在药物靶点[11-12]。Liu等[12]比较了40例骨质疏松症患者和40名健康对照者的血清铁调素水平发现，与健康对照组相比，骨质疏松患者的血清铁调素水平较低，铁水平较高，且血清铁调素水平与血清铁水平呈负相关。铁调素通过BMP-6和Janus激酶2/STAT3信号通路参与骨质疏松[11]。另有研究发现，铁调素可通过激活BMP-2/Smad和促分裂原活化的蛋白激酶/p38通路诱导间充质干细胞成骨分化，进一步证明铁调素可能具有促进骨形成、治疗骨质疏松的潜力[43]。骨质疏松的主要病因是骨钙流失，而铁调素的无毒性浓度(0～300 nmol/L)可增加细胞内钙的水平，特别是细胞暴露于高铁环境时，钙内流可能触发内质网释放钙[44]。铁调素不仅能调控铁代谢，还可影响钙离子水平。以上研究为铁调素治疗骨质疏松症提供新思路的同时也提示铁调素在与雌激素相关的其他围绝经期综合征中应用的可能。

2.2.2铁调素与神经退行性疾病 雌激素在认知、学习、记忆、神经发育等中发挥重要作用，对神经发育障碍(自闭症谱系障碍和精神分裂症)也有保护作用。其原因可能为雌激素受体在大脑皮质、海马和杏仁核中最为密集，而杏仁核是控制认知功能和情绪的重要区域[45]。随着年龄增长，脑内总铁含量增加，而过量的铁与神经退行性疾病有关。老年雌性小鼠去卵巢后给予雌激素处理发现，雌激素在转录水平上调节铁调素的表达，提示雌激素对脑内铁代谢和女性脑健康有调节作用[7]。雌激素缺乏的老年雌性小鼠大脑中促炎细胞因子增加，而这种炎症状态是老年人脑中铁调素水平上调的一个促进因素[46]。生理水平的雌激素抑制由轻度炎症刺激诱导的脑内皮细胞磷酸化Smad1/5水平升高，进而影响BMP/Smad信号通路,减少铁调素的表达,通过比较年轻和老年小鼠脑内铁蛋白和铁调素的水平发现，雌激素缺乏和铁调素增加是导致脑内铁沉积的部分原因，铁调素可作为预防绝经后妇女铁沉积和神经退行性变的一个靶点[7]。以上研究说明，不同机体状态和不同水平的雌激素对铁调素的调控不同，而两者对BMP/Smad信号通路影响的研究可揭示人类认知功能异常，为女性绝经后认知功能障碍研究提供新方向。

2.2.3铁调素与绝经后心血管疾病 既往研究发现，雌激素对心血管系统的保护作用主要归因于其对机体血清脂质水平的影响；雌激素还可影响氧化应激、血管内皮功能，直接或间接增强对心脏的保护作用[47]。Sullivan[48]提出的“铁假说”解释了心脏病风险中存在性别差异以及绝经后发病率升高的原因，并指出铁是心血管疾病的危险因素。从组织中释放的游离铁可通过芬顿反应加速脂质过氧化和炎症反应。氧化低密度脂蛋白激活核因子κB导致的血管内皮功能障碍和自身损伤是动脉粥样硬化发生的起始环节，而巨噬细胞也可识别、摄取氧化低密度脂蛋白，进而形成泡沫细胞，泡沫细胞再通过上调蛋白水解酶，降解细胞外基质，从而导致斑块破裂和心肌梗死[49]。巨噬细胞在动脉粥样硬化的进展中起核心作用，且不同亚型巨噬细胞的作用可能不同。促炎M1型巨噬细胞利于铁蓄积，增强促炎反应，且能够诱导平滑肌细胞增殖及其从递质迁移到内膜，进而促进动脉粥样硬化发展；而抗炎M2型巨噬细胞通过代谢和输出铁降低细胞内铁水平，抑制促炎细胞因子表达并产生抗炎细胞因子，以减轻炎症反应,促进炎症消退和组织修复[8，50]。使用BMP抑制剂阻断BMPⅠ型受体，可抑制巨噬细胞向M1型极化，并减少细胞因子和活性氧类的产生，增加FPN的产生[50]。表明抑制BMP信号转导间接抑制铁调素的作用，导致巨噬细胞铁含量降低，延缓动脉斑块的形成。给予铁调素和低密度脂蛋白受体基因联合敲除小鼠21周高脂饮食，结果显示，动脉粥样硬化减轻、巨噬细胞的促炎表型减少[51]。铁调素是铁稳态的主要调节剂，在动脉粥样硬化的不同阶段可能有不同的作用。在粥样硬化斑块形成过程中，抑制铁调素可能会影响巨噬细胞的促炎活性，从而产生有益的效果；而在斑块内出血区域，抑制铁调素可能是有害的[8,50]。

3 结 语

铁调素是由肝脏合成并分泌的富含半胱氨酸的抗菌多肽，是铁代谢的调节因子，在机体内铁平衡的调节中起重要作用。铁调素参与机体的免疫反应，并在免疫过程中大量表达，其表达也受机体炎症、缺氧状态以及信号转导因子等因素影响。目前发现铁调素通过多条信号通路参与多种雌激素相关肿瘤和疾病的发生和发展，但各通路的调控机制和相互间的作用尚未完全清楚。未来可就铁调素通过炎症反应、氧化应激以及相关通路参与雌激素相关疾病的发生发展等进行更深入探索，寻找相关治疗靶点，以期为激素相关疾病的早期诊断及治疗提供有效办法。