Hepcidin-25在腎臟疾病中的研究進展

陳 姣,鐘 凌綜述,賈永前審校

(1.四川大學華西醫(yī)院血液科,成都610041;2.四川省醫(yī)學科學院/四川省人民醫(yī)院檢驗科,成都610072)

Hepcidin是一種由肝臟細胞產(chǎn)生的具有廣譜殺菌抑菌作用的抗菌肽,屬于防御性蛋白家族。它有3種形式,分別由20、22、25個氨基酸組成,其中以25個氨基酸為其主要形式和主要活性部分,稱作Hepcidin-25。有研究表明,Hepcidin是鐵代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,積極參與貧血、組織缺氧和炎癥反應(yīng),與腎病發(fā)生發(fā)展及預(yù)后有著密切的關(guān)系[1]。現(xiàn)將Hepcidin與腎病的關(guān)系綜述如下。

1 Hepcidin的結(jié)構(gòu)

Hepcidin是一種富含半胱氨酸的小分子肽,為炎癥急性期反應(yīng)蛋白。2000年Krause等[2]首先從人類血漿的超濾液中分離出一種小分子肽,命名為肝臟表達的抗微生物多肽(1iverexpressed antimi-crobial peptide,LEAP-1)。2001年P(guān)ark等[3]從人類的尿液中分離出同一種多肽,并命名為 Hepcidin。Hepcidin在肝臟特異表達,而在其他器官,如心臟、脊髓、肺表達很少[4]。Hepcidin在肝臟合成,首先產(chǎn)生一種早期多肽,由84個氨基酸殘基組成[5]。在其Gly24和Ser25之間存在一個酶切位點,當酶切去除其24個氨基酸殘基的信號肽后,形成由60個氨基酸殘基組成的前體肽(pro-Hepcidin),并通過轉(zhuǎn)運進入血液循環(huán),最后由前肽轉(zhuǎn)化酶(propeptide convertase)在N端的不同位點剪接生成3種不同的成熟小肽(Hepcidin20、22、25)。它們相對分子質(zhì)量分別為2 192、2 436、2 789 D。由于富含堿性氨基酸殘基,在正常pH值情況下它們帶有3+電荷。20、25個氨基酸多肽是Hepcidin的主要存在形式。Hepcidin-20通常以單體形式存在于溶液中,而Hepcidin-25則是以多聚體的形式存在,這一性質(zhì)說明這兩種小分子肽有著不同的生物活性,Hepcidin-25為Hepcidin主要的活性形式[6]。而其前體無生物學活性,在剪接成Hepcidin-25后才能參與至鐵代謝中[7]。編碼Hepcidin基因定位于19號染色體上,它由3個外顯子和2個內(nèi)含子組成,其中第3個外顯子編碼了Hepcidin的氨基酸序列。Hepcidin基因序列和結(jié)構(gòu)及其蛋白結(jié)構(gòu)在物種間高度保守。Hunter等[5]利用核磁共振光譜測定法分析Hepcidin的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)Hepcidin是一個發(fā)夾狀結(jié)構(gòu),其2個臂由4個分子內(nèi)二硫鍵連接形成一個梯樣構(gòu)型。Hepcidin蛋白結(jié)構(gòu)上具有重要意義的特點就在于其結(jié)構(gòu)中第4、5個半胱氨酸殘基在發(fā)夾結(jié)構(gòu)的拐角處形成了一個二硫鍵,使局部呈現(xiàn)出一個扭曲的β轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。這種二硫鍵與通常情況下其他二硫鍵相比,具有更高的化學反應(yīng)活性,其代表一類新的抗生物多肽。

2 Hepcidin與鐵代謝

鐵元素是機體諸多代謝途徑所不可缺少的。鐵參與血紅蛋白形成,調(diào)節(jié)免疫受體機制,其在線粒體呼吸和DNA合成中的作用直接影響腫瘤細胞的增殖。缺鐵可導(dǎo)致貧血和生長缺陷;鐵過量則會導(dǎo)致器官損傷。人體內(nèi)存在著嚴格的鐵代謝機制調(diào)節(jié),保持機體鐵穩(wěn)態(tài)(iron homeostaisis)。

Hepcidin是維持鐵穩(wěn)態(tài)極其重要的負激素,參與對貧血、組織缺氧及炎癥的機體反應(yīng),并被認為具有抑制小腸對鐵的吸收和胎盤對鐵的轉(zhuǎn)運以及促進鐵在網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞中滯留的作用。其靶分子是分布在腸黏膜上皮細胞、單核巨噬細胞表面的膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白Ferroportin(Fp1)。Fp1是目前惟一已知的細胞鐵輸出者,是一種跨膜蛋白,并且在所有組織細胞膜表達,掌控肝細胞、網(wǎng)狀內(nèi)皮、巨噬細胞及十二指腸細胞中大部分鐵的流動。其通過控制小腸鐵吸收達到調(diào)節(jié)機體鐵穩(wěn)態(tài)[8]。機體鐵水平調(diào)節(jié)主要表現(xiàn)在Hepcidin與Fp1的相互作用上[9]。Hepcidin通過與Fp1的直接作用,調(diào)控Fp1的表達量而控制鐵吸收、循環(huán)、再利用等。當鐵負荷增加時,誘導(dǎo)肝臟 Hepcidin表達增加,當Fp1與Hepcidin結(jié)合后,Fp1酪氨酸殘基會在質(zhì)膜上發(fā)生短暫的磷酸化,二者突變后會阻止Hepcidin所介導(dǎo)的Fp1的內(nèi)化。一旦發(fā)生內(nèi)化,Fp1會因去磷酸化而出現(xiàn)泛素化。泛素化的 Fp1以小囊泡的形式運輸最終在溶酶體降解[10],從而使鐵的轉(zhuǎn)出受到阻斷,從而使腸細胞鐵輸出量降低,鐵在細胞內(nèi)積累,由此導(dǎo)致鐵的吸收以及肝細胞和巨噬細胞內(nèi)儲存鐵的動員減少,進入血漿中的鐵含量降低,可利用鐵下降。相反,鐵缺乏時,Hepcidin表達受抑,而Fp1的表達不變,以允許大部分鐵通過Fp1流出來維持細胞外正常的鐵濃度[11]。研究證實,Hepcidin基因一旦被敲除,血清中Hepcidin過低,鐵吸收過多,小鼠即可出現(xiàn)血清鐵蛋白明顯上升、鐵在肝臟中異常沉積[12]。總之,鐵負荷抑制 Hepcidin的表達,而其他如貧血、缺氧、炎癥則可促進其表達[13]。

在發(fā)生免疫反應(yīng)時,炎癥因子,如IL-6有強烈的誘導(dǎo)作用[14],其作用于肝臟細胞,使 Hepcidin mRNA合成增多而肝臟和小腸Fp1表達量下降。Hepcidin通過血液到達小腸,與Fp1結(jié)合并內(nèi)化降解,抑制了小腸鐵的吸收。在肝臟和巨噬細胞中Hepcidin也發(fā)揮同樣的作用,抑制細胞中的鐵釋放。于是,血清鐵減少,轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度下降,機體可利用的鐵減少,對抑制炎癥發(fā)展起到積極作用。研究表明,當外源性Hepcidin注入小鼠體內(nèi)時,十二指腸黏膜對鐵的吸收和轉(zhuǎn)運會明顯降低,而鐵向血循環(huán)轉(zhuǎn)運的比例則不受影響,進一步證實Hepcidin是影響腸道鐵吸收的關(guān)鍵因素[15]。Nicolas等[16]也發(fā)現(xiàn)Hepcidin基因過度表達會造成轉(zhuǎn)基因小鼠出現(xiàn)鐵離子缺乏的特殊表型,而肝臟缺乏Hepcidin基因表達的小鼠形成了嚴重的組織鐵超負荷。因此Hepcidin是維持鐵穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因素。

3 Hepcidin與腎臟疾病

眾多研究表明,在腎臟疾病中,鐵代謝、貧血、炎癥均與腎臟疾病的發(fā)生有密切的關(guān)系。Hepcidin不僅作為調(diào)節(jié)鐵代謝的重要因素,維持機體鐵穩(wěn)態(tài)的平衡,而且還參與炎癥反應(yīng),抑制某些細菌和真菌生長繁殖,同時炎癥、貧血等很多反應(yīng)都會對Hepcidin的表達產(chǎn)生影響。所以,Hepcidin對研究腎臟疾病具有十分重要的臨床意義。

3.1 Hepcidin與腎性貧血 貧血一直被認為是慢性腎功能衰竭(CRF)的標志之一,可以引起CRF患者死亡率升高。CRF時,腎臟貧血的主要原因為腎臟促紅細胞生成素(Erythropoietin或EPO)產(chǎn)生相對不足或不能分泌。由于EPO主要是由腎小管內(nèi)皮細胞產(chǎn)生,在紅系發(fā)生過程中起重要作用。EPO是治療腎性疾患引起的貧血的主選藥物。絕大部分CRF患者應(yīng)用EPO治療可以獲得滿意療效,但仍有約5%～10%尿毒癥患者應(yīng)用EPO常規(guī)治療劑量治療后療效不佳。對EPO治療反應(yīng)低被稱之為“EPO抵抗”。其最常見的原因是鐵缺乏。其中包括了鐵的絕對不足以及功能性鐵缺乏。功能性鐵缺乏是指體內(nèi)鐵儲備充分,而鐵不能被充分利用。而Hepcidin是調(diào)節(jié)機體鐵的吸收和儲存以維持鐵穩(wěn)態(tài)的重要物質(zhì)。目前研究證實其在終末期腎病中明顯升高,與鐵代謝的改變和終末期腎病引起的貧血有關(guān)[17]。吳曉亮和戴世學[18]采用腺嘌呤建立腎性貧血大鼠模型,并依據(jù)析因設(shè)計方差分析進行實驗分組和數(shù)據(jù)處理,以評估治療前后腎性貧血大鼠紅細胞數(shù)目、血紅蛋白、網(wǎng)織紅細胞的變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn),注射人重組EPO(rHuEPO)后,肝臟、脾、骨髓非血紅素鐵的含量明顯下降,說明肝臟及網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)儲鐵量降低,將貯存鐵釋放以用于血紅蛋白的合成,從而使機體處于低鐵狀態(tài)。當紅細胞生成活躍需要增加鐵供應(yīng)時,Hepcidin受抑,以配合紅細胞生成的要求。但是Hepcidin-25對rHuEPO促進腎性貧血大鼠的Ret生成起抑制作用,提示注射Hepcidin衍生物可能抑制 EPO對大鼠腎性貧血的治療作用。Hepcidin可能是引起EPO抵抗的原因之一。

Ashby等[19]研究Hepcidin與腎臟疾病關(guān)系時提出:(1)Hepcidin的一般晝夜變化在鐵供應(yīng)降低的人群中是減少的,而在腎臟損害的患者中是升高的;(2)即使在腎功能中度損害的患者中,Hepcidin也與鐵供應(yīng)密切相關(guān),并隨著鐵的水平而變化,而與炎性介質(zhì)沒有明顯的關(guān)系;(3)雖然Hepcidin高水平與血色素降低有關(guān),但是,其與EPO低濃度有很強的相關(guān)性。Hepcidin水平在腎臟疾病患者中升高并不預(yù)測紅細胞生成素需要增加,而可能是EPO抵抗?jié)撛诘臉酥尽epcidin水平在腎臟疾病患者中是升高的,其既反應(yīng)腎臟損傷程度,又反應(yīng)了鐵儲藏。

也有研究表明,EPO也可抑制Hepcidin水平。Nicolas等[6]給小鼠注射EPO時,發(fā)現(xiàn)肝細胞Hepcidin表達水平在注射后24、48 h幾乎完全受抑。Ashby等[19]也觀察到 Hepcidin水平在一般腎臟病患者使用EPO治療時下降。且在動物模型中,當開始靜脈注射EPO以刺激紅細胞生成時,Hepcidin mRNA水平被充分抑制。Hepcidin的表達調(diào)控是與體內(nèi)紅系造血對鐵代謝的需求密切相關(guān)的,當造血旺盛時,Hepcidin呈低表達,一方面可提高腸道鐵的吸收,另一方面可動員網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)中的鐵,以保證造血對鐵的需要。而腎臟疾病患者鐵代謝是紊亂的。CRE患者使用EPO能抑制Hepcidin,改善混亂的鐵運輸和治療EPO缺乏。但對Hepcidin引起EPO抵抗機制尚需進一步研究。

此外,隨著腎功能的減退,Hepcidin可在體內(nèi)蓄積,不同透析方式對殘余腎功能的影響可使Hepcidin的清除受到不同程度的影響[17]。對此引起的原因尚需深入研究。

3.2 Hepcidin與腎細胞癌 Ashby等[19]在32例患者中用液相質(zhì)譜儀(LC-MS)測定Hepcidin-25水平及Hepcidin mRNA在配對腫瘤及非腫瘤患者中的表達。來源于53例手術(shù)患者的組織樣本,經(jīng)實時逆轉(zhuǎn)錄多聚酶鏈反應(yīng)證實存在腎細胞癌。在這個研究中有3個發(fā)現(xiàn):(1)有轉(zhuǎn)移的腎細胞癌患者血漿hepcidin-25水平高于無轉(zhuǎn)移者;(2)Hepcidin mRNA的表達在有轉(zhuǎn)移的腎細胞癌的患者中高于無轉(zhuǎn)移者;(3)腫瘤患者中Hepcidin mRNA的高表達對腎細胞癌總的生存率是不利的。文中提出:血漿中Hepcidin水平在炎癥、CRP水平升高、多發(fā)性骨髓瘤及慢性腎臟疾病患者中升高,這預(yù)示Hepcidin改變是受生理、病理及遺傳因素的影響而造成鐵代謝紊亂所致。Hepcidin-25濃度在有腎細胞癌(RCC)轉(zhuǎn)移的患者中明顯增高。腫瘤組織中Hepcidin mRNA表達低于非腫瘤組織,但是當RCC出現(xiàn)轉(zhuǎn)移時,其表達也增加。Hepcidin mRNA表達水平在腫瘤組織轉(zhuǎn)移是一致,但是與組織分化和腫瘤的發(fā)展階段不一致。引起患者Hepcidin改變與鐵調(diào)控有關(guān)。鐵為HPHs催化活性的輔助因子,并為細胞生長及細胞周期提供營養(yǎng)。據(jù)報道鐵在腎細胞癌組織中的含量比在非腫瘤細胞中豐富。Hepcidin mRNA表達在有轉(zhuǎn)移的腎細胞癌中明顯高于無轉(zhuǎn)移者。這預(yù)示著Hepcidin mRNA表達的增加可能與腫瘤組織中鐵含量增加有關(guān)。Hepcidin在不同的腫瘤中扮演的角色是不同的。但是,鐵的增加是建立在Hepcidin mRNA表達增加的基礎(chǔ)上,可能對腎細胞癌的轉(zhuǎn)移是必須的。如前所述,Hepcidin通過引起腸細胞、肝細胞和巨噬細胞中膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白的內(nèi)陷和降解來調(diào)節(jié)血漿中鐵的代謝。另外,Hepcidin在炎癥時水平升高,其是一種炎癥急性期反應(yīng)物,表現(xiàn)其抗菌活性。因而,其在有轉(zhuǎn)移的腎細胞癌患者中升高可能是通過上調(diào)腫瘤細胞Hepcidin的水平來預(yù)防腫瘤細胞利用鐵。Hepcidin-25可以作為 RCC的預(yù)后指標之一。這項研究通過Kaplan-Meier分析顯示Hepcidin mRNA過度表達與 RCC患者總體生存率縮短有關(guān)。提出Hepcidin mRNA的水平對該類患者總體生存率是獨立的預(yù)后因素。

3.3 Hepcidin與急性腎損傷(AKI)AKI是冠狀動脈旁路移植術(shù)嚴重的并發(fā)癥,一旦發(fā)生,無特殊有效的治療手段,超過60%患者會死亡。AKI在早期階段難以用非侵襲的手段獲得診斷。Julie等[20]用前瞻性巢氏研究的方法對比了冠狀動脈旁路移植術(shù)中心肺旁路手術(shù)術(shù)中、術(shù)后發(fā)生AKI 22例患者和未發(fā)生AKI 22例患者一系列的尿蛋白的指標,發(fā)現(xiàn)相對于AKI患者,非 AKI患者 Hecidin-25明顯升高。也有研究表明,在被慶大霉素誘導(dǎo)的AKI的小鼠模型中,自由基引起的損傷可以被去鐵胺(一種鐵的螯合劑)所改善。而Hepcidin是維持鐵穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要的因素。其通過結(jié)合腸細胞、肝細胞、巨噬細胞上的膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白受體間接將胞內(nèi)的鐵鎖定,使膜鐵蛋白內(nèi)化、降解。Hepcidin在腎臟的遠端直管、皮質(zhì)集合管、集合小管的管狀上皮細胞頂端表達。hepcidin-25是對AKI的適應(yīng)性反應(yīng),其可以將細胞內(nèi)的鐵鎖定,而細胞內(nèi)的鐵鎖定有助于局限腎臟缺血-再灌注損傷。其可能起到類似外源性去鐵胺的作用而改善AKI。Hecidin-25可以作為預(yù)測早期AKI的一個指標,同時也對AKI的治療提供了新的思路。

4 結(jié) 語

Hepcidin作為一種新發(fā)現(xiàn)的炎癥急性期反應(yīng)蛋白,參與對貧血、組織缺氧和炎癥的機體反應(yīng),是鐵代謝重要的負性調(diào)節(jié)素,對固有免疫、慢性炎癥性貧血等與鐵代謝相關(guān)性疾病有重要作用。近年來,其在炎癥反應(yīng)中的作用正逐漸被重視,對Hepcidin活性分子學的機制研究可改變對鐵轉(zhuǎn)運的理解,并可能找到一種治療血色病和炎癥性貧血的新途徑。由此,Hepcidin在腎臟疾病中的作用將會更加明確,從而為治療提供新的途徑。

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