鐵調素受體-膜鐵轉運蛋白的研究進展*

劉玉潔 綜述,耿　惠 審校

(青海大學附屬醫院血液科，西寧 810001)

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鐵調素受體-膜鐵轉運蛋白的研究進展*

劉玉潔 綜述,耿惠△審校

(青海大學附屬醫院血液科，西寧 810001)

[關鍵詞]鐵代謝；膜鐵轉運蛋白；鐵調素

膜鐵轉運蛋白(ferroportin，Fpn) 是唯一已知的膜鐵輸出蛋白，并且在不同類型細胞間鐵的轉運是必需的。Fpn在機體鐵穩態中的重要性已經在人體及動物的研究中得到驗證。鐵調素(hepcidin)通過與它的受體Fpn相結合，介導了Fpn的內化降解作用，來調控十二指腸吸收鐵進入血液循環及巨噬細胞循環再利用鐵，從而維持機體的鐵穩態。

Fpn首先由Donovan等于2000年采用定位克隆的方法從低血紅蛋白貧血的斑馬魚中分離鑒定出來,隨后由Abboud和McKie等分別用不同的方法鑒定了該基因，并分別命名為金屬轉運蛋白1(metal transporter protein1，MTP1)和鐵調節轉運蛋白1(iron-regulated transporter1，IREG1)。Fpn在將細胞內鐵輸出到血液中發揮必要的作用，它的變化會引起鐵的超載或鐵的缺乏，因此，Fpn的調節對維持機體鐵穩態非常關鍵。Fpn的表達可以在多種水平(包括轉錄、轉錄后及翻譯后)被調節。本文將就Fpn的結構、分布、功能、表達的調節及其在臨床中的應用前景作一綜述。

1Fpn的分子結構及基因結構

Fpn的結構至今仍未被明確闡明，然而Fpn被推測是一種含有12個預測的跨膜結構域的膜結合蛋白，它由571個氨基酸組成，相對分子質量約為62×103，且與二價金屬離子轉運體1(DMT1)高度同源。Fpn的氨基酸序列很容易從基因組計劃中檢索出來，其N端是溶于胞質中的，然而其C端的定位是尚不明確的[1]。Yeh等[2]研究發現抗原決定簇的存在可能會影響Fpn的結構。多年來，學者們對Fpn是作為單體發揮功能還是以一種低聚體的形式發揮作用的問題做了很多研究，但仍然存在爭議，且沒有得出確切的結論[3]。

目前，斑馬魚、非洲爪蟾、小鼠、大鼠和人的Fpn的cDNA已被克隆，小鼠、大鼠和人的Fpn序列同源性大于90%。人的Fpn相應的Fpn1(SLC40A1)基因定位于2號染色體上，長度為20 kb，且含有8個外顯子。其mRNA 的5′末端非翻譯區含有一個典型的鐵反應元件(IRE)，且能夠與鐵調節蛋白(IRP)相結合[4]。

2Fpn的分布及功能

Fpn高表達于脾臟巨噬細胞、十二指腸上皮細胞及肝臟細胞，從而能夠使巨噬細胞從衰老的紅細胞中重新利用鐵，使十二指腸上皮細胞從飲食中吸收鐵，使肝臟細胞儲存鐵。Fpn在腎小球細胞、近端小管細胞、肺及支氣管上皮細胞、胎盤合體滋養層細胞、心肌細胞、腦細胞等也有表達。Xu等[5]研究證明Fpn在人的成骨細胞也有表達。

Fpn在上述細胞中的表達說明它在鐵轉運中發揮重要作用。Fpn1基因的缺失或突變會引起多種鐵紊亂性疾病，例如鐵超載疾病(主要是遺傳性血色素沉著病及β珠蛋白缺乏性貧血)及缺鐵性貧血(與感染、炎性疾病及某些惡性腫瘤相關的貧血，慢性腎病性貧血，難治性貧血)。近來，Mao等[6]研究發現小鼠Fpn1基因的缺失或突變能夠引起包括神經管閉合延遲在內的嚴重的發育畸形。這些都強調了Fpn的調節對維持機體鐵穩態是非常關鍵的。此外，盡管Fpn對鋅、銅等其他金屬離子也有轉運作用，但是親和力較低。

3Fpn的表達的調節

研究表明，至少有3種調節機制來調節Fpn的水平：轉錄調節、翻譯控制及蛋白水平調節。

3.1Fpn的轉錄調節研究已經表明，Fpn的轉錄可以被鐵缺乏、缺氧、過渡金屬、亞鐵血紅素、炎癥性的細胞因子等多種因素調節。這些廣泛的調節因素強調了Fpn在維持機體鐵穩態的重要作用。但是至今為止，有關Fpn基因表達的轉錄調節方面的研究仍需完善。

3.1.1缺氧對Fpn的調節機體鐵吸收增加的一個主要的生理性誘因就是缺氧或貧血。紅細胞生成增加導致了鐵的吸收增加及Fpn mRNA水平的提高。缺氧導致鐵代謝相關基因的轉錄發生了巨大變化。Taylor等[7]研究表明低氧誘導因子-2α(HIF-2α)是Fpn轉錄的直接激活者。而缺氧反應的基礎是轉錄因子中HIF家族成員的穩定性。Mastrogiannaki 等[8]研究發現，Hamp靶向缺失的小鼠的小腸中HIF-2α的特定缺失導致了DMT1及Fpn mRNA水平的下降，從而表明了Fpn轉錄調節的重要性。Wilkinson等[9]發現HIF-2α的表達依賴于IRP1，這個結果進一步強調了鐵與缺氧之間的關系。

3.1.2亞鐵血紅素及金屬對Fpn轉錄的調節亞鐵血紅素是一種多種類型蛋白(比如血紅蛋白、肌紅蛋白及細胞色素)的非阮基聚合體，它是調節多種基因表達的傳感器分子。研究表明鐵、亞鐵血紅素以及其他過渡金屬能夠誘導Fpn的轉錄。Marro等[10]的研究已經證實：噬紅細胞作用首先依賴亞鐵血紅素誘發巨噬細胞中Fpn及血清鐵蛋白mRNA的表達，然后依賴鐵刺激Fpn及血清鐵蛋白mRNA 的翻譯，這些都依賴于位于Fpn基因轉錄起始點上游7 kb的功能性的巨噬細胞活化因子識別元件(maf recognition elements，MARE)的存在。也有研究證明鐵也能夠轉錄性的調節Fpn的水平。Aydemir等[11]發現，當鐵超載時，Fpn mRNA及異種核RNA的水平就會升高，且轉錄水平也會升高。然而研究結果表明使用不同的細胞類型獲得的結果不盡相同。一些案例表明了亞鐵血紅素及鐵在Fpn的轉錄中獨立地發揮作用。例如，Marro等[10]表明在RAW264.7小鼠的巨噬細胞中，亞鐵血紅素或缺乏原卟啉IX的鐵能夠誘導Fpn的轉錄，且添加鐵鹽對Fpn的轉錄沒有影響。相反的，Knutson等表明在小鼠巨噬細胞樣細胞株J774中，亞鐵血紅素鐵的釋放促使了亞鐵血紅素誘導的Fpn的轉錄[11]。Troadec等[12]研究表明轉錄因子MTF-1的活化同樣能夠誘導Fpn的轉錄，MTF-1在鋅介導的Fpn mRNA感應現象中發揮重要的作用。

3.1.3炎癥抑制Fpn的轉錄炎癥刺激能夠誘導鐵調素的表達，細菌產物通常通過橋樣受體發揮作用。炎癥同樣能影響Fpn的轉錄，這種對Fpn轉錄的作用獨立于特定的細胞因子，因為IL-6、TNF-α及IL-1基因缺失的小鼠都對血鐵過少的脂多糖起反應，并能減少Fpn mRNA的水平。

3.2Fpn的翻譯控制在翻譯水平，Fpn的表達是受其5′末端及3′末端非翻譯區的鐵反應序列調控的。Fpn mRNA的翻譯能夠被低水平細胞內鐵抑制且被高水平細胞內鐵促進，這都是由5′末端非翻譯區IRE/IRP反應體系所造成的。Mok等[13]用輻射誘導小鼠Fpn1的突變，從而導致了Fpn1啟動子區一個58 bp的微缺失，這個缺失改變了轉錄起始點并消除了5′-IRE，導致了早期產后發育階段十二指腸及肝臟細胞中的Fpn1蛋白水平的升高，攜帶此種突變的小鼠表現出一種復雜的表型，包括：出生時的紅細胞增多癥，隨后成年后的鐵超載疾病以及隨小鼠年齡的增加而出現的貧血。3′末端非翻譯區通過微小RNA依賴機制翻譯性調節Fpn的表達，微小RNA是一種非編碼小RNA，它能夠結合靶mRNA的3′末端非翻譯區，從而驅動了Fpn翻譯性的表達及mRNA的降解[1]。最近的研究發現選擇性的滅活小鼠巨噬細胞里的IRP2，對Fpn的表達或巨噬細胞內鐵的含量都沒有影響，這使得IRP介導的Fpn mRNA翻譯控制的重要性受到了質疑。

3.3Fpn的蛋白水平調節Fpn的表達也能被翻譯后地調節。一旦Fpn表達就會被鎖定到細胞表面，細胞表面Fpn的聚集決定了鐵的輸出量，細胞表面Fpn的水平受其合成率、內化率及降解率高度地調節。

3.3.1鐵調素介導的Fpn的內化鐵調素介導的Fpn的內化降解作用在鐵穩態的維持中起著關鍵作用。鐵調素或Fpn的產物發生變化或者二者之間的相互作用都能引起鐵超載疾病或缺鐵性貧血[14]。

鐵調素的水平受多種因素調節，缺氧及紅細胞生成增加能使鐵調素的水平下降，慢性炎癥(比如關節炎或腫瘤相關的炎癥)及機體鐵含量的增加能使鐵調素的水平升高。慢性炎癥引起的鐵調素水平升高使得鐵吸收減少，從而導致鐵限制性的紅細胞生成，這就是所謂的慢性炎癥性貧血。

已經有很多研究描述了巨噬細胞及其他多種人工培養的細胞中鐵調素介導的Fpn內化的發生機制。Auriac等[15]發表了一個有挑戰性的Fpn內化作用的發生機制。他們利用初級培養的骨髓組織獲得了巨噬細胞或一個巨噬細胞株。研究發現，Fpn與位于巨噬細胞胞膜里且被脂質筏包含的微疇樣結構有關聯。這些胞膜結構是富含膽固醇、神經鞘脂及各種各樣膜蛋白(包括GPI-錨合蛋白或傳統的跨膜蛋白)的短程有序的結構。有實驗用菲律賓菌素(一種能抑制脂質筏依賴性的胞吞作用的抗菌素)將膽固醇屏障后，鐵調素介導的Fpn的內化率明顯降低，使Fpn與脂質筏的結合對鐵調素介導的Fpn內化作用變得不可或缺。感興趣的是，用氯丙嗪抑制網格蛋白介導的胞吞作用后，并不能阻止鐵調素介導的Fpn內化作用，這與先前Domenico等[16]所得的鐵調素與網格蛋白共同介導Fpn的內化作用的研究結果是相互矛盾的。大部分關于磷酸化的研究報道之后，鐵調素介導的Fpn內化作用的細胞特異性解釋了存在這些明顯差異的原因，在轉染HEK293細胞(一種永生的細胞株)中完成了網格蛋白介導的Fpn內化作用，然而Auriac等在初級及永生巨噬細胞的培養基中完成了Fpn與脂質筏之間的關聯性的研究。很顯然，尚需要更多的研究來證實在Fpn的內化降解作用中，JAK-2或脂質筏介導途徑各自發揮的作用。

3.3.2不依賴于鐵調素的Fpn的內在化鐵調素是唯一已知的能夠介導Fpn內在化的配體。然而有研究證明Fpn的內在化可以不依賴于鐵調素。銅藍蛋白(ceruloplasmin,Cp)是多銅氧化酶家族中的一員，它普遍存在于脊椎動物體中，且具有廣泛的生物功能。Cp通過其鐵氧化酶活性在細胞內鐵輸出中發揮一定的作用，能夠促進Fe3+與轉鐵蛋白的結合。很多研究發現，Cp靶基因的缺失能夠影響機體的鐵代謝。另外，血漿銅藍蛋白缺乏癥的患者表現出正常的銅穩態，但是鐵穩態卻受到了嚴重的影響，血漿銅藍蛋白缺乏癥是非常罕見的由Cp基因突變引起的常染色體疾病。Cp被看作是繼鐵調素之后的維持Fpn穩定性的次要因素：(1)Cp能穩固漿膜上Fpn對鐵的輸出功能；(2)Cp的缺乏或無功能的Cp的存在能夠導致Fpn在特定的細胞中發生降解。De Domenico等[17]研究發現，當Cp缺乏時，一個無法運輸鐵的Fpn的突變體(N174I)并沒有發生內在化。后來研究發現，使用免疫沉淀法從59Fe標記但缺乏Cp的細胞中可以得到被59Fe結合的野生型的Fpn；使用同樣方法從59Fe標記并表達Cp的細胞中得到沒有59Fe結合的Fpn。這些發現引出了這樣一個假設：Cp缺乏時，鐵結合于Fpn且不能分離下來從而影響了Fpn的構象。進一步假設到：構象發生變化的Fpn可以被E3連接酶所識別，從而導致Fpn被標識并發生內化降解作用。他們同時證明由Cp的缺乏所引起的Fpn的內在化是不依賴于鐵調素及JAK-2的，但是依賴于K273及Nedd4-2的泛素化[18]。Kono等[19]研究表明Cp能部分抑制鐵調素介導的Fpn的內化作用。然而，Cp影響鐵調素介導的Fpn的內化作用的機制是尚不明確的[20]。盡管學者們對Cp與Fpn的相互作用做了很多研究，但仍沒有得出確切的結論。然而基于Kono的研究發現，可以推斷Cp能與鐵調素競爭性的結合Fpn。

4Fpn在臨床中的應用前景

Fpn的發現對鐵限制性貧血(例如與感染、炎性疾病及某些惡性腫瘤相關的貧血，慢性腎病性貧血，難治性貧血)及鐵超載疾病(主要是遺傳性血色素沉著病及β-珠蛋白生成障礙性貧血)的診斷和治療有重要的臨床應用前景。Sun等[21]以鐵調素-Fpn軸為目標，發現了慢性病貧血及炎癥相關性貧血的新穎的治療方案。有研究表明，使乳腺癌的小鼠模型轉染Fpn，能夠明顯地減緩其乳腺癌的生長速度。而且Pogribny等[22]研究表明，Fpn的表達及鐵調素基因可能被用作乳腺癌患者的個體化治療的導向。另外，Wang等[23]通過研究60例肝細胞癌患者的Fpn的表達水平，推斷Fpn是肝細胞癌的關鍵蛋白，并推斷Fpn可能是判斷肝細胞癌預后的一個獨立標準，且可能作為肝細胞癌的一個新的治療靶向。

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doi:·綜述10.3969/j.issn.1671-8348.2016.08.037

* 基金項目：青海省科技計劃項目(2014-ZJ-720)。

作者簡介：劉玉潔(1988-)，碩士,主要從事血液病方面的研究。△通訊作者，E-mail:gh0227@sina.com。

[中圖分類號]Q26

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-8348(2016)08-1110-04

(收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-10-29)