β地中海贫血患者体内铁代谢的调节机制及铁过载治疗靶点的研究进展

黄楠

（泉州医学高等专科学校 健康学院，福建泉州 362000）

β地中海贫血（简称β地贫）以铁调素抑制、贫血、铁过载和无效造血（IE）为主要表现，根据是否需要输血可分为输血依赖型和非输血依赖型[1]。输血是重型β地贫（输血依赖型β地贫）铁过载的主要原因，而铁调素（Hepcidin）的缺乏和膳食中铁吸收障碍则是非输血依赖型β地贫发生铁过载的原因。

铁调素是由肝脏合成的控制饮食中铁的吸收、血浆铁浓度以维持机体铁稳态的主要激素。铁调素与铁转运蛋白（Ferroportin,FPN）结合以调节后者的表达，FPN是目前已知的体内唯一的将铁由细胞内转运至血浆的物质[2]。体内铁储存量变化、缺氧、炎症和红细胞生成时，可刺激铁调素的生成，发挥调节铁稳态的作用。当无效造血发生时，由于红细胞生成被抑制而使铁调素的表达减少，导致铁过载。

本文重点阐述β地贫患者体内JAK/STAT信号通路、SMAD（TGF-β细胞因子超家族的细胞内信号转导分子）通路对铁调素的调节机制，以及二者作为β地贫治疗靶点的理论依据。

1 地中海贫血

编码珠蛋白的基因突变导致珠蛋白肽链生成障碍，而珠蛋白作为合成血红蛋白原料，其生成异常导致地中海贫血。地中海贫血为常染色体隐性遗传病，根据受影响的珠蛋白肽链种类，可分为α地中海贫血和β地中海贫血。成人血红蛋白A（Hemoglobin A，HbA）每分子含有两个α链和两个β链（α2β2）[2-3]。α地贫由编码α珠蛋白的4个等位基因中的一个或多个缺失或缺陷引起[4]，而β地贫由编码β珠蛋白肽链的基因突变致β珠蛋白合成减少或异常血红蛋白生成引起。β地中海贫血因其在东南亚国家和地中海地区的高发病率而得到广泛关注[5]。该病可分为轻型、中间型、重型三种，突变基因以点突变为主[6]。

2 铁过载的危害

因铁吸收增加导致过多的铁在器官上沉积，会损害心脏、肝脏的功能[7]。铁是一种促氧化剂，可引起脂质过氧化、动脉粥样硬化、细胞癌变、DNA损伤和神经系统退行性病变[8]。体内铁过高还可加重感染，促进病原菌增长并增加其细胞毒作用[9]。治疗性铁螯合剂可降低铁水平，但铁螯合剂会引起恶心、腹泻、头晕、转氨酶升高、胃肠功能紊乱和关节痛等副作用[10]。

3 β地中海贫血并发铁过载的病理生理学

β地贫患者体内的转铁蛋白处于饱和状态，其体内非转铁蛋白结合铁（Non-Transferrin Bound Iron，NTBI）和血浆游离铁（Labile Plasma Iron，LPI）在血液中运输并产生细胞毒性[11]。NTBI可通过不同的细胞通道进入细胞内，如L型电压门控Ca2+通道（L Type Voltage Gated Calcium Channels，LVDCC）、混合二价阳离子转运体[12]、锌铁调控蛋白14（Zip14）等[13]。由于NTBI和LPI的长期储存和积累，导致总铁含量和细胞内铁增加，可危害心脏、肝脏和内分泌系统[14]。当细胞中不稳定的铁超过了其合成铁蛋白的能力时，就会达到一个活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的临界浓度。NTBI代谢产生的ROS在细胞功能障碍、凋亡和坏死中起着至关重要的作用[15]。各种ROS，特别是羟基自由基（·OH），会增强脂质过氧化和细胞器损伤，导致细胞死亡以及通过转化生长因子β1（Transforming Growth Factor beta 1,TGF-β1）介导的纤维生成[16]。除此之外，铁过载还会增加感染的风险，这是β地中海贫血患者死亡的主要原因[15]。

4 铁调素对铁稳态的调节

体内大约70%的铁储存在肝脏，故肝在铁过载发生过程中发挥着至关重要的作用[17]。铁调素是一种由肝抗菌肽基因（Hamp）编码的肽类激素，2001年由Park等首次从人尿液中分离出来[18]。铁调素是维持铁稳态的关键激素，在研究β地贫患者铁过载发生机制中具有较高的研究价值[19]。当体内铁含量增加时，刺激肝细胞合成铁调素释放入血[20]；铁调素也是体内铁吸收的负性调节剂，与十二指肠表面的FPN结合后可抑制后者将细胞内的铁向细胞外的转运过程[21]；铁调素还可阻止铁从铁储存的细胞释放入血及进入巨噬细胞内循环[22]。因此，铁调素在维持人体内铁稳态中发挥着重要作用。

4.1 铁调素在β地中海贫血患者体内的表达

β地贫患者由于组织缺氧、促红细胞生成素（Erythropoietin，EPO）增加等因素而使铁的需求量增加，故体内铁调素的表达受抑制。β地贫患者血清铁调素水平下降，导致膳食铁的持续吸收，引起铁过载[23]。在中度、重度β地贫患者中，肝脏铁调素mRNA的表达与可溶性转铁蛋白受体（soluble Transferrin Receptor，sTfR）和EPO 呈负相关[24]，但与储存铁无关。在病情进展过程中，成熟红细胞会释放一些铁调素的调节因子来抑制铁调素的表达。

红铁蛋白（Erythroferrone，ERFE）是一种铁调素的负性调节激素。EPO增加和铁调素抑制可促进ERFE表达，ERFE缺陷小鼠在出血和EPO治疗后铁调素不增加。因此，β地贫患者铁吸收增加的原因可能跟ERFE表达增加、缺氧相关因子使EPO合成增加而抑制铁调素的表达有关[25-26]。

4.2 铁调素转录水平的调控

炎症、血浆铁、贫血和缺氧等多种因素可调节铁调素的表达，其表达与血清铁蛋白呈负相关，受铁负荷和炎症诱导。铁调素失调与一些导致铁稳态失衡的因素有关。红细胞生成是铁调素的主要调节因子，造血可通过抑制铁调素的表达而增加铁的吸收。染色质免疫共沉淀分析显示，添加EPO后，CCAT增强子结合蛋白α（CCAAT enhancer binding protein α，C/EBPα）与铁调素启动子的结合减少，这表明C/EBPα在红细胞生成刺激下影响铁调素的转录[27]。此外，缺氧时EPO生成增加，还涉及缺氧诱导因子（Hypoxia Inducible Factor，HIF）的铁调素调节。而铁调素水平降低是由于红细胞生成和生长分化因子15（Growth Differentiation Factor 15，GDF15）的刺激，并非 EPO[28]。

GDF15、扭转原肠胚形成同系物1（Twisted Gastrulation BMP Signaling Modulator 1，TWSG1） 和ERFE是目前报道的β-地中海贫血和其他铁代谢相关性贫血中铁调素的抑制因子[29]。GDF15曾被认为是一种巨噬细胞抑制因子，但后来证实其通过下调铁调素表达和增加铁吸收，间接导致缺铁性贫血的肿瘤患者的铁过载。抑癌基因p53可驱动GDF15，使后者在人体缺氧、癌症和组织损伤等应激状态下高表达[30]。此外，在人类和动物模型中，妊娠时血清铁调素水平较低，而GDF15升高，因此铁调素在妊娠期与EPO呈负相关。在Th3/+β地中海贫血小鼠模型中，突变的转铁蛋白受体2（Transferrin Receptor 2，TFR2）和铁调素调节蛋白（Hemojuvelin，HJV）与出血后的肝素抑制和高水平的ERFE的mRNA相关，ERFE在缺铁和铁过载性贫血中的作用有待进一步研究[31]。TWSG1在未成熟的红细胞和β地中海贫血小鼠中更高，该红细胞因子通过抑制BMP2/4通路中的SMAD 1/5/8磷酸化来抑制铁调素的转录。

4.3 铁调素治疗β地中海贫血的应用研究

目前对β地中海贫血患者铁过载的治疗一般选择使用铁螯合剂，如去铁酮等。对于血清铁蛋白大于1 000 ng/mL的患者，建议采用螯合治疗[32]。当输血需求增加和贫血加重时，建议进行脾切除术。异体造血干细胞移植也是遗传性β地中海贫血的一种治疗选择，但60%的患者缺乏合适的供体，从而增加了发生移植相关并发症的风险[33]。此外，地中海贫血患者体内的铁调素水平降低，是其体内铁过载的重要原因，故在转录水平上对铁调素的调节，可以作为治疗因地中海贫血而引起的铁过载的重要靶点，为该病的治疗提供了新的研究方向。

5 信号通路对铁调素的调节

缺氧、骨髓造血增强可抑制铁调素的表达，而铁储备水平增加及炎症可促进其表达。在众多调节铁调素表达的因素中，白细胞介素-6（Interleukin-6，IL-6）及骨形态发生蛋白（Bone Morphogenetic Protein，BMP）作用最为突出。二者分别通过激活信号传导及转录激活蛋白3（Signal Transducer And Activator of Transcription 3，STAT3）及SMAD在转录水平上调节铁调素表达，被认为是铁调素调节作用中的关键因子[34]。

5.1 JAK/STAT信号通路

JAK/STAT信号通路是调控细胞生长、分化和造血等多种生物活动的最重要的信号通路[33,35]。JAK家族有4个成员：JAK1、JAK2、JAK3和酪氨酸激酶 2（Tyrosine Kinase 2，TYK2）[36]。JAKs 激活其下游靶点STATs，通过JAK激酶磷酸化以增强其下游靶基因转录。炎症等因素可刺激由浆细胞自分泌及骨髓基质细胞旁分泌产生的IL-6分泌，后者与细胞膜上的IL-6受体结合后，可启动STAT信号通路，促使STAT3、STAT5结合铁调素启动子，激活铁调素基因转录，从而上调铁调素水平[37]。

5.2 BMP-SMAD信号通路

BMP在骨骼生长、胚胎发育、组织再生以及铁代谢等生理过程中发挥重要作用，BMPs通过激活细胞内的SMAD信号通路调节上述生理过程。参与该通路的受体被称为激活素受体样激酶（Activin Receptor-Like Kinase，ALK），是丝氨酸-苏氨酸激酶受体，分为I型（BMP RI）和Ⅱ型（BMP RⅡ）受体，BMP RI型受体有4种（ALK1、ALK2、ALK3和ALK6），BMP RⅡ型受体有3种（ACVR2A、ACVR2B和BMPR2），二者主要区别在于后者具有结构活性，而前者需磷酸化后才能激活。SMADs（TGF-β细胞因子超家族的细胞内信号转导分子）是一种被TGF-β和BMP信号激活，介导细胞增殖和分化的一组蛋白质。其家族成员SMAD1/5/8的磷酸化可促进铁调素的表达[38]，而SMAD7通过负调控TGF-β和BMP/SMAD信号通路，有效抑制铁调素mRNA的表达[39]。TGF-β超家族又分为TGF-β激活素分支和BMP/GDF分支。TGF-β在大多数细胞中表达，其到达靶细胞表面后与TGF-βⅡ型受体的同源二聚体（TβRⅡ）结合[40]。TGF-β与TβRⅡ二聚体结合后允许配体与TβRⅠ二聚体结合并刺激TβRⅠ激酶活性[41]。在SMAD介导的TGF-β信号传导中，TβRⅠ磷酸化胞质中的SMAD2和SMAD3，后两者与TβRⅠ分离后与SMAD4共同进入细胞核，此后SMAD2、SMAD3、SMAD4与目标基因的DNA转录因子（Transcription Factors，TF）和协同调控因子相互作用，调节铁调素的转录。与此相似，BMP信号与TGF-β信号同时进行[42]。当BMP配体与BMP RⅡ受体复合物和BMP RⅠ跨膜激酶结合时，受体激活的SMAD1和SMAD5与SMAD4结合，并被转运到细胞核，激活或抑制铁调素转录。SMAD4存在于肝脏中，当其活性受抑制时，可导致肝脏中铁调素水平降低，导致多个器官铁过载，而SMAD7通过对TGF-β和BMP/SMAD信号传导的负调控作用，可有效抑制铁调素mRNA表达[43]。

STAT、SMAD等信号通路共同调控铁调素的表达，假设在地中海贫血患者可出现如下机制：STAT和SMAD在此类患者体内被去磷酸化，导致铁调素水平随着铁的积累而下调[40-41]。

6 结语

铁调素是肝脏合成的调节体内铁稳态的重要激素，其可降低肠道对膳食中铁的吸收及肝细胞中储存铁的释放，以降低血清铁的含量[44]。缺铁可促进铁调素的释放，与之相反，铁过载则反馈性抑制铁调素的释放。在β地中海贫血患者中，由于输血、无效造血等原因导致铁过载，过多的铁导致铁调素含量下降[45]。在对铁调素的转录水平的研究中，通过激活SMAD1/5/8和SMAD4信号可在转录水平促进铁调素的表达，进而降低铁过载患者体内的铁[44-47]。因此，SMAD1/5/8和SMAD4信号可能是铁超载的潜在治疗靶点（见图1）。建议在未来对β地贫患者铁过载的治疗中，充分考虑铁调素靶向治疗方法并评估相关风险。

图1 STAT和SMAD信号通路对铁调素表达的调控