二價金屬離子轉運體ＤＭＴ１研究進展

劉　芬　鄭　瑋　李桂晨

【摘要】二價金屬離子轉運體（divalent metal-ion transporter-1，DMT1）是一種在哺乳動物廣泛表達的金屬離子轉運體，參與機體內多種金屬離子的轉運。相關研究已證實，金屬離子、氧化還原物質、炎癥介質等因素均可影響DMT1基因的表達。新近的研究推測基因突變可能是DMT1參與低色素性小紅細胞貧血的重要機制，DMT1還可能與腦內神經元變性有關。深入研究DMT1將為了解金屬離子代謝及其相關疾病的發病機制提供重要的研究資料。

【關鍵詞】金屬離子轉運；DMT1；DCT1

1. 引 言

二價金屬離子轉運體（DMT1）又稱為自然抵抗相關巨噬蛋白2（natural resisitance associated macrophage protein 2，Nramp2），或二價陽離子轉運體1(divalent cation transporter 1，DCT1)，屬于可溶性載體家族成員(solute carrier family 11 member 2，SLC11A2)，是哺乳動物體內質子偶聯的跨膜金屬離子轉運體。當它被首次發現時，由于與已經發現的Nramp1基因同源性高達78%，以此被命名為Nramp2［1］。從DMT1發現以來，它的結構、功能、表達等方面已經獲得很多重要發現，對于DMT1的研究已經成為鐵研究乃至整個微量元素研究領域的一個熱點問題。

2. DMT1的分子結構

DMT1分子量為61456，等電點為6.02，是具有12個跨膜域（transmemberane，TM）的糖蛋白，其糖基化的細胞外袢狀結構和高度保守的細胞內序列都具有高度的疏水性。DMT1mRNA的四種亞型在不同組織和細胞編碼四種不同的DMT1蛋白并行使不同的功能。人DMT1基因組DNA含有43999個堿基，包括16個外顯子，其cDNA有4142個堿基，所編碼蛋白含561個氨基酸，其羧基端和氨基端均位于細胞胞質內。DMT1與同家族Nramp1的基因同源性高達78%，氨基酸相似性達到64%，二者的主要區別在于氨基端的不同[2]。Lee等研究發現與Nramp1基因相比，DMT1在氨基端多出一個外顯子和內含子1，并在羧基端多出了外顯子17和內含子16，故推測兩者在結構和功能上的差別可能與此有關[3]。

3. DMT1的功能特點

3.1 鐵的轉運

腸上皮細胞的DMT1功能模型表明，食糜中的Fe3+經胃酸溶解后，被表達于十二指腸細胞刷狀緣上的還原劑還原成Fe2+，腸腔中低pH環境可使Fe2+穩定存在，然后經刷狀緣上的DMT1被轉運至腸上皮細胞的細胞質內。然后通過上皮細胞基底面的金屬轉運蛋白(putative metal transport protein，MTP1)排出腸上皮細胞，進入細胞外基質[2]。這一特點表明DMT1可能在腦內生理學鐵轉運方面起著重要的作用。

3.2其他金屬離子的轉運

DMT1能夠轉運的金屬離子達8種之多，除了Fe2+以外，還可以轉運Mn，Cu，Zn，Co，Ni，Cd 和Pb。相關實驗顯示，DMT1可以轉運Cu，但銅是以Cu+還是Cu2+的形式被轉運現在或尚未確定。pH依賴的Co2+運輸也已經被證明，但是其生理學意義還需進一步詳細闡述。Desmond等的研究表明，Cd和Mn能抑制鐵的運輸，Zn和Pb卻不能，這為DMT1在Caco-2細胞直接參與攝取鐵和鎘提供了證據，其結果解釋了鐵缺乏是鎘中毒的危險因素[4]。DMT1可能還參與腦內Mn轉運，在b/b型和+/b型Belgrade大鼠腦內，前者通過血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）對54Mn和59Fe的攝取比后者少，表明DMT1等位基因缺陷影響了兩種金屬腦內代謝[5]。

3.3 DMT1的表達分布

DMT1在體內的表達具有組織和細胞特異性，且不同的亞型在各個器官的表達和功能上都有所不同。DMT1在十二指腸吸收細胞中是主要的頂端鐵運載體，因而它與飲食鐵的吸收調節密切相關。此外，DMT1還參與腦內鐵吸收。DMT1作為二價陽離子轉運體在腎臟鐵重吸收方面起著重要的作用。大鼠心臟中也有DMT1mRNA的表達，并且呈年齡依賴性，同時只能被鐵在轉錄后水平調節。呼吸道上皮細胞也可檢測到DMT1的表達，且暴露在高鐵環境后，DMT1-nonIRE型mRNA的表達增強[6]。

DMT1亞型在成人組織中普遍存在，但DMT1-IRE和DMT1-nonIRE卻具有細胞型特異性和亞細胞分布特異性。相關研究表明，在胚胎組織中DMT1-IRE和DMT1-nonIRE的表達是普遍存在的，并且兩種亞型的蛋白都集中在胚胎上皮細胞膜上，這與所在組織的吸收或排泄功能相關。其中，DMT1-nonIRE存在于神經元、神經樣細胞、星形膠質細胞以及星形細胞瘤的細胞核和細胞質中，而DMT1-IRE主要存在于在這些細胞的細胞質間隔里[7]。

4. 影響DMT1基因表達的因素

4.1 金屬離子對DMT1基因表達的調控作用

體外試驗表明，適當增加鋅濃度并不影響細胞攝取鐵離子，說明DMT1對鋅、鐵的轉運是相對獨立的。但高鋅能使DMT1表達增強，并且這種增量調節具有pH依賴性。另有研究指出錳暴露會改變鐵調節蛋白的功能，腦脊液中鐵濃度升高。向脈絡膜上皮細胞系Z310加入錳，可使鐵調節蛋白（Iron-Regulatory Protein，IRP）與DMT1mRNA穩定結合，DMT1表達增加。錳暴露后，通過易化DMT1對鐵的運輸，使穿過血-腦屏障進入腦內的鐵增多，可能是Mn誘導的退行性神經性疾病——帕金森綜合癥的重要原因[8]。

4.2 其它因素對DMT1表達的調控

DMT1基因表達的調控因素還有很多，除以上因素外，炎癥介質、TNF-α、IFN-γ、蛋白激酶C、發育階段等因素均參與調控。Ludwiczek等已證明致炎因子和脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）能影響巨噬細胞DMT1表達上調[9]。在培養基中添加TNF-α，IFN-γ和LPS后BEAS-2B細胞向細胞內運輸鐵增多。我們推斷致炎因子和LPS可增強在體實驗和體外培養的呼吸道上皮細胞DMT1mRNA的表達以及DMT1蛋白的合成[10]。

5.DMT1參與疾病發生的可能機制

5.1 DMT1參與低色素性小紅細胞貧血的可能機制

DMT1突變是導致低色素性小紅細胞貧血的重要原因，也可能是不同人群對鐵缺乏具有不同易感性的可能原因。研究發現，在先天性低色素小紅細胞貧血mk小鼠和Belgrade大鼠體內，DMT1蛋白TM4區185位甘氨酸突變為天冬氨酸。在mk/mk小鼠的腎中可檢測的DMT1G185R蛋白的水平與mk/+對照組相比劇烈地下降。該突變(G185R)導致了DMT1生理功能喪失，引起小腸上皮細胞攝取鐵障礙，進而造成鐵代謝紊亂[11]。

5.2 DMT1與神經元變性類疾病的可能關系

腦內鐵失控在一些神經元變性疾病的神經元死亡中起一定的作用，如：阿爾茲海默氏病、帕金森氏病、亨廷頓病和哈-斯二氏綜合征。而DMT1作為重要的金屬離子轉運體可能是腦內鐵離子超負荷以及其它金屬離子紊亂的原因之一。鐵在機體內能夠通過氧化還原反應參與多種代謝過程，可以在亞鐵和高鐵狀態間互變。鐵提供和接受電子的特性在這些反應中不僅僅起到了它在生理學關鍵作用，當過剩的鐵存在時，腦內的鐵還能通過產生自由基介導顯著的氧化損傷。鐵介導的氧化損傷與帕金森氏病和阿爾茲海默氏病相關，然而尚不明確兩病的病因是鐵蓄積還是氧化應激，或許鐵蓄積和氧化應激也只是疾病條件下的結果[12]。

6. DMT1的研究展望

從DMT1的臨床意義來講,小紅細胞貧血和神經變性病變存在顯著的鐵分布異常和代謝紊亂,而DMT1在機體內呈廣泛而特定的分布，所以進一步了解和認識生理和病理條件下,DMT1對鐵等離子在各組織內的功能、分布和調節,將為小紅細胞貧血、中樞神經系統退行性疾病和多種金屬代謝性疾病的預防和治療提供依據。

參考文獻

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