鐵代謝與帕金森病關系的研究進展

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鐵代謝與帕金森病關系的研究進展

王俊a謝瑞滿b

(復旦大學附屬中山醫院a神經科，b老年科，上海200032)

Research Progress of Association of Iron Metabolism and Parkinson’s Disease

WANGJunaXIERuimanbaDepartmentofGerontology,bDepartmentofNeurology，ZhongshanHospital，FudanUniversity，Shanghai200032,China

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是神經退行性疾病，臨床表現為運動遲緩、肌強直、靜止性震顫以及姿勢步態的異常。PD的病理學改變包括：黑質致密部多巴胺能神經元退變，紋狀體多巴胺減少，殘存神經元中有路易氏小體(lewy body, LB)。PD發病與α-突觸核蛋白、氧化應激與炎性反應、環境與遺傳因素、泛素-蛋白酶體途徑及鐵代謝紊亂等有關[1]。本文綜述了鐵的代謝及代謝調節，以及鐵代謝與PD的關系。

1鐵的生化及生理學特點

鐵是一種人體必需的微量元素。體內鐵主要分布在血紅蛋白中，其次是肌紅蛋白。鐵有靈活的配位及較強的氧化還原能力，二價鐵(Fe2+)和三價鐵(Fe3+)之間容易轉換。鐵能與蛋白質和氧結合，參與氧的運輸、能量代謝、神經遞質合成、神經髓鞘合成等，但過量的鐵也可能通過氧化應激產生毒性作用。在細胞及機體內，鐵的獲取、利用及解毒有一套成熟的機制[2]。早期認為腦內的鐵不與血紅蛋白結合，而與其他形式的蛋白結合。1968年有學者用X線熒光光譜法分析發現，PD患者黑質的鐵含量比健康者高2倍，隨后多項研究證實PD患者腦內鐵的含量發生了變化[3-4]。

2鐵的代謝

2.1鐵的攝入體內鐵主要來源于膳食及衰老的紅細胞。食物中的Fe3+在腸腔內通過鐵還原酶(如十二指腸細胞色素B)還原為Fe2+，然后在2價金屬轉運蛋白1(divalent metal transporter l, DMT1)的作用下轉運到腸上皮細胞中；含Fe2+的膳食血紅素則直接轉運到腸上皮細胞內，在腸細胞內經血紅素加氧酶1(heme oxygenase-1，HO-1)作用后釋放Fe2+，這些Fe2+由溶質載體和膜鐵轉運蛋白(ferroportin, FPN)介導穿過基底膜進入血液。這種由FPN介導的Fe2+外排與其再氧化成Fe3+密切相關。鐵的氧化由銅藍蛋白等氧化酶催化完成。Fe3+通過與轉鐵蛋白結合，維持其三價惰性狀態，并轉運至組織中。轉鐵蛋白約攜帶人體鐵的0.1%，每天有10余次鐵代謝轉換[5]。

衰老的紅細胞被巨噬細胞清除，分解為血紅蛋白和血紅素，由FPN介導釋放Fe2+到血液中。Fe2+由FPN介導從腸細胞和巨噬細胞進入血漿的過程受到肝源性肽類鐵調素的調控，鐵調素促進FPN磷酸化、被內吞及被溶酶體降解。在鐵超載及炎性反應時肝源性肽類鐵調素表達增加，FPN作用受到抑制，膳食中鐵的吸收降低，巨噬細胞中鐵的滯留增加，進而降低血漿中的鐵。

2.2鐵的轉運細胞從載鐵的血漿轉鐵蛋白中攝取鐵，載鐵的轉鐵蛋白和細胞表面高親和力的轉鐵蛋白受體(transferrin receptor, TfR)結合，介導鐵內吞。通過質子泵作用，內涵體pH減小至5.5，觸發Fe3+從轉鐵蛋白釋放，然后在還原酶的作用下還原為Fe2+，再在DMT1的作用下轉運到胞漿[6]。釋放鐵的轉鐵蛋白與其受體的親和力下降，再回到血漿中循環利用。1%循環鐵與非轉鐵蛋白結合，由一系列小分子配體處理，包括檸檬酸鹽、抗壞血酸離子以及循環的白蛋白、三磷酸腺苷等。載鐵的轉鐵蛋白主要通過腦毛細血管內皮細胞(brain capillary endothelial cells, BCECs)表面TfR1介導的內吞作用穿過血腦屏障，之后鐵從轉鐵蛋白上釋放出來，還原為Fe2+，繼而通過DMT1、FPN排入腦間質。在腦間質中，鐵與轉鐵蛋白或乳鐵蛋白結合[7]。

2.3鐵的儲存進入細胞后，鐵有不同的代謝路徑：直接用來合成血紅素、鐵硫簇；余鐵則與鐵蛋白結合，以無毒的形式儲存起來，或儲存于神經黑色素(neuromelanin, NM)、不穩定鐵池(labile iron pool, LIP)。鐵蛋白由H鏈和L鏈構成，與鐵結合時，將其包繞在中心。鐵結合到鐵蛋白不具有毒性，不引起細胞損傷，但是鐵蛋白復合物的破壞使體內自由鐵超載，產生過量的自由基，導致膜脂質發生過氧化，引起毒性作用[8]。各類細胞中都有LIP，內含檸檬酸鹽、肽、三磷酸腺苷、焦磷酸等。LIP能反映細胞內鐵含量，維持鐵平衡。NM通過在神經細胞胞漿中螯合鐵來減少自由鐵，生理狀態下50%的NM處于鐵飽和狀態；PD患者中與NM結合的鐵顯著減少，而自由鐵增多，神經元丟失也相應增多[9]。

3鐵代謝的調節

鐵代謝的平衡需要調控機制來維持，包括鐵反應元件(iron-responsive element, IRE)/鐵調節蛋白(iron-regulatory protein, IRP)及缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor, HIF)調節系統。當鐵調控異常時，鐵的代謝失衡，鐵超載或缺乏，產生神經毒性。

3.1IRE/IRP調節系統多種鐵代謝相關的mRNA含有IRE。IRP結合到mRNA非編碼區(untranslated regions, UTRs)的IRE上調控鐵代謝相關蛋白的表達，進而調節鐵的代謝[10]。IRP和mRNA不同區域的IRE結合會產生不同的效應：與5’端的IRE結合，抑制 mRNA的表達；與3’端的IRE結合，則穩定IRP mRNA的表達。鐵下降時，IRP和5’端 的IRE結合，抑制鐵蛋白、M-順烏頭酸等mRNA的表達，從而減少鐵的存儲及紅細胞對鐵的利用；與3’端的 IRE結合則穩定TfR1、DMT1等的mRNA表達，從而增加鐵的攝取、轉運并影響細胞骨架重構等。鐵增加時，IRP1- Fe發生了構象變化，不能與IRE結合；而IRP2 - Fe復合物通過泛素-蛋白酶體途徑降解，通過這兩方面促進鐵的存儲、利用，減少鐵的吸收。

3.2HIF調節系統HIF是由一個α亞基和一個β亞基組成的二聚體。HIF-1α被脯氨酰羥化酶羥化后經泛素化降解。HIF-1α降解后，TfR、DMT1等的表達下調。缺氧時，HIF-1α泛素化被抑制，而轉運到核內與HIF-1β發生二聚化，并與環磷酸腺苷反應元件結合蛋白結合，進而激活含有缺氧反應元件的轉鐵蛋白、DMT1等基因的轉錄，從而增加鐵的攝入。

4腦內鐵沉積與PD的關系

4.1PD患者腦內鐵沉積核磁共振成像顯示，PD患者的鐵沉積早于臨床癥狀出現；經顱超聲發現腦黑質內鐵升高者患PD的風險提高17倍[11]。研究[12]發現PD患者腦中LB存在鐵沉積。對于腦黑質鐵沉積及相應神經元丟失的PD動物模型，用鐵螯合劑能改善相關癥狀[13]。通過基因學方法或藥理學手段增加鐵蛋白或銅藍蛋白(增加鐵排出)也能減輕鐵介導的毒性[14]。上述研究均提示PD患者腦內鐵水平升高，鐵沉積可能是導致PD的原因之一。

4.2PD患者鐵沉積的原因腦內IRP異常可致鐵沉積；PD患者黑質中DMT1增加可導致鐵攝入增加；PD患者的尸檢顯示腦內轉鐵蛋白水平下降，鐵的轉運能力下降，自由鐵增加，神經毒性增強；腦內銅藍蛋白的量沒有改變，但是其在黑質中的活性和選擇性降低，使鐵排出減少[15]。PD患者鐵的攝入增加、轉運儲存減少、排出減少是導致體內鐵沉積原因。

4.3鐵沉積產生的毒性作用

4.3.1氧化應激PD患者神經系統黑色素和鐵蛋白的功能異常以及血腦屏障的破壞可導致腦內Fe2+含量增加。多巴胺代謝產生的過氧化氫與這些Fe2+通過芬頓反應產生羥自由基。而PD患者腦內谷胱甘肽水平下降，抗氧化能力下降，高反應性羥自由基會引起氧化應激。同時，這些Fe2+還可引起突觸核蛋白聚集，導致羥自由基產生和LB形成，導致脂質過氧化、蛋白質錯誤折疊、線粒體功能異常、膠質細胞激活等。

4.3.2鐵退亡鐵退亡(ferroptosis，以往譯為鐵死亡)是一種鐵依賴性的細胞死亡方式。該死亡方式受細胞內信號通路的嚴密調節。鐵退亡的發生需要鐵依賴性的活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)及還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶，涉及脂質過氧化。鐵退亡是一種在形態學、生物化學和遺傳學等方面不同于凋亡、壞死和自噬的細胞死亡方式。鐵退亡的典型特征為線粒體變小，但雙層膜的密度增加，同時細胞質及脂質內ROS增多。鐵退亡不需凋亡蛋白的參與，不消耗能量，不發生細胞內鈣超載，線粒體不產生ROS。鐵退亡沒有凋亡標志物，但可被鐵螯合劑或通過抑制鐵的攝入所阻斷。

2012年有學者研究一種小分子抗癌藥物Erastin的作用機制時，首次發現了鐵退亡現象[16]。鐵退亡的機制與谷氨酸毒性作用相似：通過抑制細胞膜上胱氨酸/谷氨酸反向轉運體的功能導致細胞內谷胱甘肽耗竭，鐵超載導致鐵依賴性的ROS增加。研究[16-17]發現，用鐵螯合劑或合成的ferrostatin-1(Fer-1)能顯著降低erastin導致的細胞死亡。Fer-1是一種小分子物質，能夠特異性抑制ROS引起的鐵退亡，但對其他細胞死亡方式沒有抑制作用。Fer-1能夠抑制erastin引起的腫瘤細胞死亡，也能抑制谷氨酸對海馬型腦片的毒性。Fer-1對鐵退亡的抑制作用主要通過清除ROS實現[16-17]。

4.3.3其他機制細胞內鐵的異常積聚可損傷多種蛋白如鈣泵、鈉鉀泵，可氧化神經酰胺、鞘磷脂，最終導致突觸功能障礙和神經細胞死亡。

5鐵含量下降與PD的關系

以往研究多集中在鐵缺乏對神經發育的影響和鐵積聚在退行性變中的作用。近年來研究[18]表明，PD的發生可能與鐵含量下降有關，如運動神經元缺鐵小鼠模型表現出線粒體活性降低和髓鞘化低下。研究發現，增加鐵的攝入能降低PD的發生[19]。采用孟德爾隨機化方法選擇了3個對血清鐵有影響的多態性基因，通過對20 809名PD患者和88 892名健康人進行全基因組薈萃分析發現，血清鐵每升高179.1 μmol/L，患PD的風險就下降0.3%(95% CI: 0.1%～0.6%)，提示鐵升高是PD的保護性因素[20]。

6小結

PD除了典型的運動癥狀外，還會出現非運動癥狀，如焦慮、認知障礙等。由于研究方法、取材部位、標本保存、處理方法以及患者病程的不同，PD患者體內鐵含量的改變是原發性病因或是繼發性改變、是危險因素或保護因素目前尚有爭議，均有待進一步研究證實。

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·綜述·

通訊作者謝瑞滿，E-mail: xie.ruiman@zs-hospital.sh.cn

中圖分類號R742. 5

文獻標識碼A