人体铁代谢及其调控因素

陈春梅，葛 品，郭 翀

(福建省妇幼保健院 福建医科大学附属医院 儿童保健科， 福建 福州 350005)

铁作为人体必需营养素，参与氧转运、DNA合成及修复、细胞代谢等人体各项生理活动。人体必须维持足够的铁才得以保证人体的基本功能，铁缺乏将导致贫血、大脑功能受损、认知和行为功能障碍等一系列疾病的产生。过多游离的铁离子能够催化产生有害自由基的反应，对机体造成氧化损伤，铁过载如血色素沉着病，可导致全身各脏器的严重损伤。此外，过多的游离铁过氧化导致的铁死亡与帕金森病和阿尔茨海默病等神经退行性病变相关[1]。

铁吸收、利用、储存和循环的动态平衡是维持细胞代谢正常的基本条件。因此，本文将对此过程及其影响因素进行阐述，并通过明确其机制，为临床上推广的新的铁代谢检测手段提供新思路。

1 铁吸收过程

食物中的铁作为主要的来源，主要在十二指肠被吸收。非血红素铁是膳食中吸收铁的大部分，因此本文主要对非血红素铁的吸收进行讨论与阐述。非血红素铁中多是三价铁(Fe3+)，需先由刷状缘表面表达并具有铁还原酶活性的十二指肠细胞色素b(duodenal cytochrome b,Dcytb)将其还原成二价铁(Fe2+)的形式，进而经由二价金属转运蛋白1(divalent metal transporter 1,DMT1)将其转运至肠上皮黏膜细胞的胞质中，最终经铁转运蛋白1(ferroportin 1,FPN1)转运至到血液循环中以输送到体内其他组织以供使用或储存[2](图1)。

食物中的非血红素铁由Dcytb将其还原成二价铁(Fe2+)的形式，进而经由DMT1将其转运至胞质中，最终经FPN1转运至到血液循环中以输送到体内其他组织以供使用或储存。经FPN1出胞的铁经膜铁转运辅助蛋白(HEPH)氧化成三价铁(Fe3+)以便同循环中的转铁蛋白结合图1 非血红素铁的吸收Fig 1 Absorption of non-heme iron

1.1 十二指肠细胞色素b

十二指肠细胞色素b(Dcytb)主要位于十二指肠刷状缘，是铁的还原酶。Dcytb是Cytb561蛋白家族的成员，其整体结构是同型二聚体，其中每个单体具有6个跨膜α螺旋(α1～α6)。N末端和C末端位于蛋白质的细胞质侧。每个Dcytb单体的两个heme b基团被夹在结构顶部和细胞质末端的4个中央跨膜螺旋(α2～α5)之间[3]。以抗坏血酸为电子供体，两个heme b基团介导电子转移反应将Fe3+还原成Fe2+使其能与DMT1结合。故Dcytb是铁的吸收中必不可少的酶，尤其是在铁吸收增强的情况下，如缺氧或者促红细胞生成增加的情况下[4]。

1.2 二价金属转运蛋白1

二价金属转运蛋白1 (DMT1)是一种62 ku的跨膜糖蛋白，具有12个跨膜结构域，其N和C端区域都存在于细胞质中。其中由1～5个跨膜结构域和6～10个跨膜结构域组成的两个结构相似的结构域之间存在伪对称关系。两个结构域相互缠绕并在膜内以相反的方向排列[5]。DMT1根据DMT1 mRNA在3′-非翻译区中是否存在有铁反应元件(iron-responsive element,IRE)及在编码5′-非翻译区及其随后的N端氨基酸的核苷酸序列上有所不同分成4种不同的DMT1亚型(A-Ⅰ、A-Ⅱ、B-Ⅰ和B-Ⅱ)。每种DMT1亚型都有各自不同的定位及路径，DMT1A-Ⅰ主要位于质膜，在十二指肠和肾脏中高度表达，是十二指肠中主要的亚型，在十二指肠的铁吸收中起重要作用。DMT1A-Ⅱ和DMT1B-Ⅱ位于Tf-TfR1复合物被内吞在胞内形成“小室”(详见“2铁转运过程”)，并在循环内体中转运从转铁蛋白释放的铁。DMT1B-Ⅰ在网状内皮系统中表达，并从晚期“小室”/溶酶体吸收铁进入细胞质[5]。DMT1的功能主要是承担了Fe2+从肠上皮细胞外吸收入胞内的作用，此过程在铁伴侣蛋白PCBP2的协助下进行。且PCBP2可根据铁的浓度与DMT1结合来调节铁进出细胞[5]。近年来发现除DMT1外，ZIP8和ZIP14等蛋白也具有铁转运的功能。

1.3 铁转运蛋白1

铁转运蛋白1(FPN1)是由SLC40A1基因编码的二价金属的跨膜载体。FPN1具有12个螺旋并分为两瓣，一个形成N瓣，另一个形成C瓣，其两端都位于细胞质中。两瓣之间通过一个长的胞质环连接，中央的空腔(在第6和第7螺旋之间)朝向细胞外侧开放。第七螺旋的腔中存在关键调节因子铁调素的结合位点Cys326[6]。当铁调素与Cys326结合时，外向开放的中央空腔闭塞，随后FPN1被内在化、泛素化和降解，阻止肠上皮黏膜细胞中的铁进入血液循环。哺乳动物中，FPN1普遍存在，且在巨噬细胞，肝细胞和十二指肠肠上皮细胞中高度表达[6]。FPN1位于十二指肠肠上皮细胞基底外侧膜上，是铁从胞内往胞外运输的唯一通道，因此可作为调节铁流量的控制点。编码FPN1基因的突变可引起不同类型的铁超负荷疾病：功能丧失突变引起“铁转运蛋白病” (遗传性血色素沉着病4A型)，而功能获得突变则会导致遗传性血色素沉着病4B型[7-8]。

2 铁转运过程

由于FPN1只能转运Fe2+，进入循环后，将借助膜铁转运辅助蛋白(hephaestin,HEPH)或者铜蓝蛋白(CP)将Fe2+氧化成Fe3+，才能与血清转铁蛋白(transferrin, Tf)结合。血清转铁蛋白是体内铁运输的主要载体，并通过循环将铁运输到其他细胞和组织。Tf可以可逆地结合Fe3+并使Tf中的构象发生变化，这有助于其识别与结合靶细胞膜上的转铁蛋白受体(transferrin receptor，TfR1)。在靶细胞上，Tf与TfR1的结合将启动受体介导的内吞过程，Tf-TfR1复合物被内吞在胞内形成“小室”，在“小室”里经过酸化，Fe3+从转铁蛋白上释放，经前列腺六跨膜上皮抗原3(Steap3)还原为Fe2+，再经过DMT1将其从“小室”中转运至细胞内[9-10]，用于代谢过程或储存于胞质的铁存储蛋白——蛋白中。

2.1 膜铁转运辅助蛋白

膜铁转运辅助蛋白(HEPH)作为一种多铜氧化酶，在肠道中高度表达，可作为铁氧化酶将Fe2+氧化为Fe3+。HEPH的分子质量约为130 ku，由1 185个氨基酸组成，具有预测的跨膜结构域，该结构域将该铁过氧化物酶锚定在肠上皮细胞的基底外侧表面[11]。HEPH通过氧化FPN1转运出细胞的亚铁离子，促进铁与转铁蛋白的结合，并确保将这种金属有效地传递到组织中。HEPH对于维持肠道和其他组织中的正常铁稳态关键但非必需，其重要性在快速生长期或孕期等特殊状态下更为凸显[12]。

2.2 转铁蛋白与转铁蛋白受体

转铁蛋白(Tf)主要是由肝细胞产生的分子质量为76 ku的血清糖蛋白，由N端和C端各自形成的“叶”组成，两叶由短肽结合在一起，两叶均可结合金属离子，因此，一个转铁蛋白可以携带两个Fe3+，且只有结合两个铁分子时才是转铁蛋白受体(TfR1)的天然高亲和力配体[13]。

转铁蛋白受体(TfR)分子质量为97 ku的膜蛋白，主要是位于靶细胞的细胞膜上。在人体内发现的有两种转铁蛋白受体(TfR1及TfR2)，TfR1主要用于与Tf结合转运铁进行人体的生理活动，它可以在大多数细胞中运输入铁；而TfR2是肝脏和红细胞中的铁传感器，其的亲和力低于TfR1，发挥着铁稳态的调节剂的功能[14]。TfR1除外在铁代谢中发挥重要作用，对于心脏、骨骼肌和肠道功能也是必不可少的[15]。而Tfr2基因突变可引起3型遗传性血色素沉着病[8]。

3 铁的利用

健康成人人体中有3～5 g铁，有超过2/3分布于红细胞的血红蛋白前体和成熟红细胞(>2 g)，约1 g的铁储存在肝实质中，其余的较少量的铁分布于肌红蛋白、脾脏，肝脏和骨髓中的巨噬细胞以及结合铁的蛋白和酶中。也就是说肠道吸收的铁以及巨噬细胞回收的机体中破碎受损的细胞所释放的铁主要是用于血红素的合成及储存于肝脏中。因此，本文着重分析铁合成血红蛋白的过程及在肝脏中的储存(图2)。

经HEPH或者铜蓝蛋白氧化后的三价铁(Fe3+)与转铁蛋白结合。两份子铁与转铁蛋白结合后与TfR形成Tf-TfR1复合物，复合物内吞在胞内形成“小室”，Fe3+从转铁蛋白上释放后经Steap3还原为Fe2+，再经过DMT1将其从“小室”中转运至细胞内。大部分的铁用于结合原卟啉IX参与血红素的形成及储存于肝脏铁蛋白中。多余的铁也可经FPN1运出胞外图2 铁的转运Fig 2 Transportation of iron

3.1 血红蛋白的合成

促红细胞生成每天需要20～30 mg的铁，远远超过从肠道吸收的铁，主要来自于巨噬细胞从破碎细胞中回收的铁[16]。对于未成熟红细胞来说，Tf-TfR1复合物的内吞过程是最主要的铁吸收的方式。复合物的内吞入胞后将铁释放并传递到线粒体，在铁螯合酶(ferrochelatase,FC)催化的反应中，铁结合原卟啉IX形成血红素[17]。目前，铁向线粒体的转运过程尚未非常明确，目前认为线粒体内膜上发现的线粒体铁蛋白1(mitoferrin 1,MFRN1，也称为SLC25A37)是发育中的成红细胞中主要的线粒体铁输入载体[18]。随后，血红素进入细胞质结合蛋白合成血红蛋白。

3.2 余铁的储存

肝脏是铁的主要储存器官，在需要时可以从中动员铁以供机体使用，在足够时便储存多余的铁。铁蛋白是铁储存的主要场所。

铁蛋白具有高度保守的三维结构，大部分铁蛋白是由重链铁蛋白(H亚基)和轻链铁蛋白(L亚基)两种类型共24个亚基组成并组装成可容纳4 000余个Fe2+的结构。该结构高度对称，并显示两种类型的通道：围绕三重对称轴的8个亲水通道和围绕四重轴的6个疏水通道[16]。Fe2+通过亲水通道进入腔中，结合至亚铁氧化酶中心，被O2氧化后形成瞬时的二铁-过氧络合物。随后该络合物立即分解为H2O2和Fe3+原子。然后，Fe3+移动到腔中进行水解并矿化为水铁矿，而H2O2便可移动中至附近的亚铁氧化酶继续使用[16]。此过程不仅消耗Fe2+离子，同时消耗H2O2，避免在Fenton反应中产生有毒的自由基，这是铁蛋白储存铁及抗氧化的功能的生理基础。

4 调控因素

凡是影响上述过程中涉及的蛋白表达水平的因子均会对铁稳态造成影响。维持机体铁稳态中起重要作用的便是铁调节蛋白(iron-regulatory protein,IRP)和铁调素(hepcidin,hepc)，二者分别从细胞及系统水平对铁的水平进行严格的调节。

4.1 铁调节蛋白

所有细胞中，铁稳态通过铁调节蛋白(IRP)得以维持。铁调节蛋白包括IRP1和IRP2，可与DMT1、TfR1、铁蛋白和铁转运蛋白mRNA非翻译区域内的铁反应元件(IRE)结合而以协调调节他们的表达。另外，铁调节蛋白还可通过IRP1-HIF2α(低氧诱导因子)与Dcytb启动子区域上游的低氧反应元件(HRE)结合来调节其转录水平。IRP1的表达在肾脏，肝脏和棕色脂肪中占主导地位，而IRP2的表达在中枢神经系统中占主导地位。IRP1和IRP2在结构上相关，但受到不同的调控机制。

IRP1是具有IRE结合蛋白和乌头酸酶活性的双功能蛋白。在富含铁的细胞中，铁通过形成铁-硫簇，IRP1结合铁硫簇后转化为乌头酸酶，IRP对IRE结合无效，从而使TfR1、DMT1 mRNA降解以及铁蛋白和铁转运蛋白的合成[14]，减少铁向胞内转运且增强铁的储存及转运至细胞外。当铁缺乏会触发4Fe-4S簇的构象变化和去除，从而使其与IRE结合，这种结合稳定了TfR1和DMT1 mRNA，使肠道上皮细胞的DMT1表达增加[10]。

在富铁充氧细胞中，IRP2通过FBXL5进行蛋白酶体降解，这种泛素连接酶在铁缺乏或低氧的情况下因失去Fe-O-Fe中心而降解[10]，从而使IRP2稳定，同样的，IRP2与IRE结合来增加铁代谢过程相关蛋白表达的水平。

在肾脏中，铁通过IRP1和低氧诱导因子2α(HIF2α)的协调作用，通过促进肾脏中EPO生成的调节来影响红细胞生成[17]。IRP对于线粒体功能也是必不可少的。肝细胞中铁内稳态中心细胞与失活的IRP1和IRP2基因结合，导致了肝细胞脂肪变性，是由于电子链运输和三羧酸缺乏所致的线粒体病，肝功能衰竭和死亡，这说明IRP在线粒体和肝功能的关键作用。

4.2 铁调素

铁调素(hepc)是一种主要由肝脏产生的抗菌肽，巨噬细胞和脂肪细胞也可少量产生，与上述FPN1的表达位置大致相同。铁调素是一类调节机体铁稳态的抗菌肽，它是由抗菌肽(hepcidin antimicrobial peptide,HAMP)基因编码的25个氨基酸的活性肽。铁调素通过紧密的折叠进而形成由4个二硫键稳定的简单发夹结构[19]。铁调素是目前FPN唯一已知的配体，铁调素-FPN1轴是全身铁稳态实现的主要方式，故HAMP基因的突变可导致严重的铁稳态失衡，如2型遗传性血色素沉着病[8]。

铁调素水平的3个主要决定因素是:循环铁和组织铁水平、炎性细胞因子(尤其是IL-6)和促红细胞生成的需求[19]。血浆和肝铁作为维持机体铁水平稳定的反馈机制而增加，炎性反应作为限制细胞外铁对微生物利用的宿主防御机制而增加，而红系活动则减少以确保红血球生成铁的供应而增加。铁调素水平主要在转录层面调节，其上调转录受骨形态形成蛋白( bone morphogenetic protein， BMP)及其共受体铁调素调节蛋白(hemojuvelin,HJV)的调节。多种BMP，特别是BMP-6，可以诱导HAMP表达使铁调素的表达上调[20]。其下调转录受铁调素抑制剂TMPRSS6和促红细胞生成素(erythropoietin, EPO)的调节。TMPRSS6通过裂解BMP共受体HJV，减弱了BMP信号通路和铁调素的转录。TMPRSS6基因的突变可导致铁难治性缺铁性贫血[20]。

5 问题与展望

铁代谢机制及铁稳态的维持是目前国际的研究热点，目前仍有问题待明确。首先，血红素铁的吸收机制尚不明朗，其解决关键在于血红素中铁离子的释放，肠道中相关作用酶是目前可行的研究方向。其次，铁代谢过程是否受其他营养素的影响及其具体影响途径等尚不明确，上述问题可通过研究营养素对铁代谢过程中关键蛋白表达的影响得以解决。

根据DOHaD(Developmental Origins of Health and Disease)理论(音译“都哈”理论)，生命早期的营养因素也会导致其成人期非传染性疾病的发生风险，从而影响国民长远健康，给国家的医疗卫生支出带来极大负担。虽然仍有很多难题尚待解决，但思路正在逐渐清晰，也期待铁代谢机制的明确开拓可用于临床的检验手段，期望明确不同营养素对铁代谢的影响以助于铁代谢疾病的多维度治疗。