雌激素相關疾病中鐵調素及其信號通路的研究

陳蕾，李楠，許天敏，張琨

(吉林大學第二醫院a.研究中心，b.婦產科,長春130041)

雌激素對于葡萄糖穩態、免疫穩態、骨骼健康、心血管健康、生育能力和神經功能是不可或缺的。機體處于不同狀態時，雌激素的量、組織分布和受體親和力均會發生變化，直接影響人體的健康和生存[1]。鐵代謝對雌激素代謝相關疾病有一定影響，鐵代謝一旦失衡(鐵過載或鐵缺乏)會對參與雌激素代謝的器官(乳腺[2]、卵巢[3]、子宮[4]、甲狀腺[5]、骨骼[6]、腦[7]、心和血管[8]等)的功能產生一定影響。鐵調素是維持雌激素代謝過程中鐵穩態的關鍵因素。在生理條件下，肝臟可根據全身鐵含量實時產生鐵調素，以維持體內鐵的平衡[9]。在病理條件下鐵調素可通過多條通路影響鐵代謝，對疾病的發生發展產生影響。近年有研究提出用鐵調素治療雌激素相關疾病的觀點，甚至有些已用于某些疾病的治療[10-12]。目前關于雌激素-鐵軸的研究尚淺，雌激素與鐵調素之間的相關研究更少，現就鐵調素在雌激素相關疾病中的研究進展予以綜述。

1 鐵調素與鐵穩態

鐵調素是在2000年發現的主要由肝細胞分泌的富含半胱氨酸的小分子肽，其表達受鐵需求、炎癥和雌激素等的調節[13-14]。肝臟以外的器官和組織(心臟、腎臟、胃、脂肪組織、胰腺、大腦、肺、胎盤、視網膜、皮膚和腸道等)可在炎癥刺激下產生鐵調素，然后以自分泌、旁分泌的形式發揮作用，以減少局部的鐵外流[14]。鐵調素作為組織中吸收和釋放鐵的關鍵調節器，可維持紅細胞和其他細胞穩定的鐵供應，并可避免高水平鐵對器官的有害性影響[15]。

鐵是多種細胞發揮功能所必需，其參與了呼吸鏈中的電子傳遞、RNA轉錄，新陳代謝中酶的合成和DNA合成等[6,16]。鐵穩態由鐵調素-鐵轉運蛋白(ferroportin，FPN)軸調控[6,14]。鐵主要來源于十二指腸吸收、巨噬細胞內循環以及肝細胞儲存，當血清鐵含量超過FPN的結合能力時，肝臟就成為非FPN結合鐵的主要儲存部位。循環肽激素鐵調素及其受體FPN主要維持系統鐵穩態，而鐵調節蛋白在控制細胞內鐵穩態中發揮主要作用。鐵調素通過與FPN結合調節腸道鐵吸收以及巨噬細胞中鐵的釋放。迄今為止，FPN是哺乳動物細胞中唯一已知的鐵輸出蛋白，在腸上皮細胞、肝細胞和巨噬細胞中均顯著表達[6,16]。鐵調素的增加誘導FPN內化和泛素化降解，導致十二指腸鐵吸收減少，巨噬細胞的鐵排出受限，血清鐵減少，同時導致脾臟等器官的鐵滯留，因此過量的鐵調素會限制血紅蛋白產生鐵[16]。

2 鐵調素及其信號通路與雌激素相關疾病

雌激素的作用復雜，既能致癌，也能抗癌[17]。研究發現，雌激素可以調節中性粒細胞的數量和功能以及趨化因子的產生，在先天性免疫和適應性免疫中均發揮有效的調節作用[18]。雌激素介導的代謝發生在骨骼肌、肝臟等器官組織中。研究表明，雌激素能調節細胞內鐵代謝，雌激素水平的升高與全身鐵可用性的增加有關，雌激素能夠抑制鐵調素的合成，維持FPN的完整性，并增強十二指腸細胞鐵吸收、巨噬細胞鐵貯存和肝細胞鐵釋放[19]。雌激素-鐵軸有助于減少絕經前婦女的缺鐵和絕經后婦女的鐵過載，但也可能加劇鐵過載，導致癌癥、骨質疏松癥、心血管并發癥、神經退行性疾病等的發生或癥狀加重。而鐵調素變化引起的鐵代謝紊亂是導致多種血液病及其他疾病(如惡性腫瘤)的重要因素[20]。鐵代謝紊亂通過多種機制(包括鐵調素相關機制)增加了乳腺癌以及其他類型腫瘤發生和轉移的風險[16]。

2.1鐵調素與雌激素依賴性疾病

2.1.1鐵調素與乳腺癌 乳腺癌的高發病率引起國內外學者的廣泛關注。研究表明，雌激素在乳腺癌的發生和進展中起重要作用[17]。雌激素及其代謝物產生活性氧類[21]，而活性氧類通過增加基因組不穩定性以及影響氧化還原敏感的轉錄因子傳遞信號，在乳腺癌細胞轉化、細胞周期、細胞遷移以及細胞侵襲中發揮重要作用[2]。另有研究發現,鐵調素在乳腺癌患者的血清中高表達,并促進趨化因子配體1/趨化因子受體2表達，通過磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)通路發揮作用[22]。鐵調素是乳腺癌及骨轉移的獨立危險因素[10]。鐵調素在乳腺癌中的代謝是由白細胞介素(interleukin，IL)-6和轉化生長因子-β超家族成員，如骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、生長分化因子-15等驅動的[10,23-24]。研究表明，BMP在雌激素受體陽性乳腺癌的發生和發展過程中被過度激活，其增強了腫瘤干細胞群和上皮-間充質轉化[25]。在乳腺癌細胞中，BMP-2通過不依賴Smad的PI3K/Akt信號通路導致視網膜母細胞瘤蛋白發生磷酸化和泛素化降解,誘導乳腺癌上皮-間充質轉化和侵襲性腫瘤細胞表型表達，進而促進乳腺癌轉移[26]。

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是PI3K/Akt信號通路的下游介質。Akt/mTOR通路在包括乳腺癌在內的多種癌癥中被激活，且可調控多種細胞功能，如細胞生長、存活，血管生成以及靶向或內分泌治療的耐藥等。BMP-2水平在乳腺癌微鈣化組織中顯著升高，并可激活Akt/mTOR通路，這可能部分解釋了微鈣化與不良預后的關系[27]。在乳腺增生患者的血清中，BMP-6水平與鐵調素呈正相關[10]。但最近一項針對乳腺癌患者的研究表明，與非癌組織相比，癌組織中BMP-6水平非常低，這可能是因為在乳腺癌中鐵調素不僅來源于癌組織，肝臟也是鐵調素的重要來源，過量的鐵顯著誘導癌性乳腺組織中BMP-6的產生[6]。因此在乳腺癌中，鐵、BMP-6交互誘導鐵調素[28]。從臨床角度來看，FPN與鐵調素的聯合表達譜是女性乳腺癌切除術后生存的一個強有力的預測因子[23]。推測靶向鐵調素-FPN軸可能是一個很有前途的抑制乳腺癌生長的方法[10]。以上研究表明，鐵調素可能通過雌激素/雌激素反應原件、PI3K/Akt、Akt/mTOR通路增強雌激素受體陽性乳腺癌細胞的侵襲和遷移力，另外關于BMP在雌激素受體陽性依賴性疾病中的作用值得更深入研究。

2.1.2鐵調素與卵巢癌 組織鐵代謝變化在卵巢良惡性疾病的發生發展中發揮重要作用。卵巢癌發病隱匿，患者確診時大多已處于晚期，且術后復發、轉移、耐藥等因素使病死率升高。雌激素受體表達和雌激素暴露是影響卵巢癌發生發展的危險因素[19]。鐵離子通過增加體內的活性氧類誘導DNA損傷、影響錯配基因修復以及調節相關基因的表觀遺傳學和轉錄，以上均可導致卵巢癌發生，而靶向鐵代謝通路可以改善卵巢癌的治療效果[3]。近年研究發現,IL-6/信號轉導及轉錄激活因子(signal transduction and activator of transcription，STAT)3信號通路可改變卵巢癌微環境,在卵巢癌的發生發展中起重要作用[29]。研究發現，山姜素通過抑制STAT3信號通路，抑制人卵巢癌SKOV3細胞的增殖和遷移，從而靶向治療卵巢癌[30]。另外，IL-6在卵巢癌患者腫瘤相關性貧血中具有關鍵作用，IL-6是卵巢癌患者血紅蛋白水平的獨立預測因子[31]。未來可考慮參考乳腺癌的研究結果，就鐵、BMP-6和IL-6及鐵調素水平在卵巢癌發生發展中的作用進行研究。

2.1.3鐵調素與子宮內膜異位癥 子宮良惡性疾病多為激素依賴性疾病，雌激素持續刺激子宮內膜是其發病原因。子宮內膜異位癥常見于卵巢，局部雌激素水平升高是在位子宮內膜異位種植生長的關鍵因素[32]。近年研究發現，子宮內膜異位癥患者腹腔液中鐵和鐵蛋白的水平升高，鐵過載可能在其病理生理學中發揮重要作用[4]。鐵過載不僅影響巨噬細胞的清除功能，過量的鐵還參與氧化和芬頓反應,使氧合血紅蛋白(二價鐵離子)轉變為高鐵血紅蛋白(三價鐵離子)，進而產生活性氧類,導致細胞發生氧化損傷[33]。鐵過載可觸發和維持腹膜子宮內膜病變中核因子κB的活性，促進細胞間黏附分子-1分泌、異位子宮內膜細胞的炎癥反應以及子宮內膜異位表型的表達，參與子宮內膜異位癥的發病與發展[34]。有研究提示，子宮內膜異位癥中子宮內膜細胞的異位浸潤及轉移是一個多階段、多因素參與的復雜過程，其受多條信號轉導通路的調節，如Wnt/β聯蛋白、促分裂原活化的蛋白激酶、PI3K、核因子κB、Ras同源基因-Rho相關螺旋卷曲蛋白激酶、Janus激酶/STAT3、轉化生長因子-β/Smad[35]，因鐵調素通過PI3K通路、Janus激酶/STAT3通路參與乳腺癌、卵巢癌的發生發展，故推測鐵調素可能在子宮內膜異位癥中也發揮調控作用。研究發現，子宮內膜異位癥患者血清鐵調素和鐵蛋白水平高于健康對照者，提示鐵過載和血清鐵調素水平升高在子宮內膜異位癥的發病中起重要作用[36]。另有研究發現，卵巢子宮內膜異位癥患者血清鐵代謝指標與健康體檢者及良、惡性卵巢腫瘤患者比較差異無統計學意義[34]。在排除研究樣本年齡及分組因素后，鐵調素在其中是否或何時通過何種途徑起到調控作用，以及是否關聯病程進展均有待于進一步篩選樣本深入研究。

2.1.4鐵調素與甲狀腺癌 甲狀腺癌是目前最常見的內分泌相關惡性腫瘤，女性甲狀腺癌的發病率約為男性的3倍，這可能與雌激素相關[37]。在小鼠模型中，循環中的雌激素激活PI3K通路，抑制p27表達，影響甲狀腺基因的轉錄調控，直接導致雌性小鼠對甲狀腺疾病的易感性增加[38]。鐵過載可導致腺體功能不全，尤其是甲狀腺對鐵過載狀態尤為敏感[39]。甲狀腺中含鐵過氧化物酶、Ⅰ型脫碘酶中含有起催化作用的鐵離子活性中心，鐵可通過影響酶活力，繼而影響甲狀腺激素的合成[5]。甲狀腺激素可降低血紅素合成酶活性，導致鐵的利用障礙，后者也可能造成Ⅰ型脫碘酶活性升高，通過正反饋機制導致鐵在細胞內堆積[5]。研究表明，甲狀腺癌細胞內鐵含量高于甲狀腺上皮細胞，特別是在鐵調素分泌量較高的細胞系中[40]。含骨硬化蛋白結構域蛋白1(sclerostin domain-containing protein 1,SOSTDC1)可導致由BMP-4、BMP-7信號介導的Smad磷酸化減弱，FPN表達增加，鐵調素分泌抑制[40]，而SOSTDC1在大部分甲狀腺癌中是沉默的[41]。組蛋白賴氨酸N端甲基轉移酶參與SOSTDC1啟動子甲基化導致的SOSTDC1表達下調，從而導致甲狀腺癌細胞分泌鐵調素[40]。腺病毒E4啟動子結合蛋白-4是SOSTDC1的上游表觀遺傳抑制因子，其可將組蛋白賴氨酸N端甲基轉移酶與DNA甲基轉移酶1招募到SOSTDC1啟動子上，導致SOSTDC1啟動子高甲基化，最終導致抑制SOSTDC1表達,釋放鐵調素[42]。研究發現，腺病毒E4啟動子結合蛋白-4/組蛋白賴氨酸N端甲基轉移酶/SOSTDC1/鐵調素通路導致的細胞鐵功能障礙是甲狀腺癌的一個重要環節。這是第1次證明表觀遺傳修飾對鐵調素調控的重要作用。故表觀遺傳修飾為雌激素相關疾病中鐵調素的研究提供了新方向。見圖1。

注：HJV為鐵調素調節蛋白，IL為白細胞介素，HIF為缺氧誘導因子，BMPs為骨形態發生蛋白，GDF-15為生長分化因子-15，mTOR為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白，HREs為缺氧反應元件，EREs為雌激素反應元件，PI3K為磷脂酰肌醇-3-激酶，MAPK為促分裂原活化的蛋白激酶，GPR30為G蛋白偶聯受體30，Rb蛋白為視網膜母細胞瘤蛋白，STAT為信號轉導及轉錄激活因子，SOSTDC1為含骨硬化蛋白結構域蛋白1，E4BP4為腺病毒E4啟動子結合蛋白-4圖1 雌激素相關疾病中鐵調素的作用機制

2.2鐵調素與絕經后相關疾病

2.2.1鐵調素與骨質疏松 骨質疏松是最常見的代謝性骨病，好發于雌激素缺乏的絕經女性。研究證實,鐵過載是獨立于雌激素缺乏之外的絕經期骨質疏松癥的另一個危險因素[6，11]，而鐵調素是預防絕經后骨質疏松癥的潛在藥物靶點[11-12]。Liu等[12]比較了40例骨質疏松癥患者和40名健康對照者的血清鐵調素水平發現，與健康對照組相比，骨質疏松患者的血清鐵調素水平較低，鐵水平較高，且血清鐵調素水平與血清鐵水平呈負相關。鐵調素通過BMP-6和Janus激酶2/STAT3信號通路參與骨質疏松[11]。另有研究發現，鐵調素可通過激活BMP-2/Smad和促分裂原活化的蛋白激酶/p38通路誘導間充質干細胞成骨分化，進一步證明鐵調素可能具有促進骨形成、治療骨質疏松的潛力[43]。骨質疏松的主要病因是骨鈣流失，而鐵調素的無毒性濃度(0～300 nmol/L)可增加細胞內鈣的水平，特別是細胞暴露于高鐵環境時，鈣內流可能觸發內質網釋放鈣[44]。鐵調素不僅能調控鐵代謝，還可影響鈣離子水平。以上研究為鐵調素治療骨質疏松癥提供新思路的同時也提示鐵調素在與雌激素相關的其他圍絕經期綜合征中應用的可能。

2.2.2鐵調素與神經退行性疾病 雌激素在認知、學習、記憶、神經發育等中發揮重要作用，對神經發育障礙(自閉癥譜系障礙和精神分裂癥)也有保護作用。其原因可能為雌激素受體在大腦皮質、海馬和杏仁核中最為密集，而杏仁核是控制認知功能和情緒的重要區域[45]。隨著年齡增長，腦內總鐵含量增加，而過量的鐵與神經退行性疾病有關。老年雌性小鼠去卵巢后給予雌激素處理發現，雌激素在轉錄水平上調節鐵調素的表達，提示雌激素對腦內鐵代謝和女性腦健康有調節作用[7]。雌激素缺乏的老年雌性小鼠大腦中促炎細胞因子增加，而這種炎癥狀態是老年人腦中鐵調素水平上調的一個促進因素[46]。生理水平的雌激素抑制由輕度炎癥刺激誘導的腦內皮細胞磷酸化Smad1/5水平升高，進而影響BMP/Smad信號通路,減少鐵調素的表達,通過比較年輕和老年小鼠腦內鐵蛋白和鐵調素的水平發現，雌激素缺乏和鐵調素增加是導致腦內鐵沉積的部分原因，鐵調素可作為預防絕經后婦女鐵沉積和神經退行性變的一個靶點[7]。以上研究說明，不同機體狀態和不同水平的雌激素對鐵調素的調控不同，而兩者對BMP/Smad信號通路影響的研究可揭示人類認知功能異常，為女性絕經后認知功能障礙研究提供新方向。

2.2.3鐵調素與絕經后心血管疾病 既往研究發現，雌激素對心血管系統的保護作用主要歸因于其對機體血清脂質水平的影響；雌激素還可影響氧化應激、血管內皮功能，直接或間接增強對心臟的保護作用[47]。Sullivan[48]提出的“鐵假說”解釋了心臟病風險中存在性別差異以及絕經后發病率升高的原因，并指出鐵是心血管疾病的危險因素。從組織中釋放的游離鐵可通過芬頓反應加速脂質過氧化和炎癥反應。氧化低密度脂蛋白激活核因子κB導致的血管內皮功能障礙和自身損傷是動脈粥樣硬化發生的起始環節，而巨噬細胞也可識別、攝取氧化低密度脂蛋白，進而形成泡沫細胞，泡沫細胞再通過上調蛋白水解酶，降解細胞外基質，從而導致斑塊破裂和心肌梗死[49]。巨噬細胞在動脈粥樣硬化的進展中起核心作用，且不同亞型巨噬細胞的作用可能不同。促炎M1型巨噬細胞利于鐵蓄積，增強促炎反應，且能夠誘導平滑肌細胞增殖及其從遞質遷移到內膜，進而促進動脈粥樣硬化發展；而抗炎M2型巨噬細胞通過代謝和輸出鐵降低細胞內鐵水平，抑制促炎細胞因子表達并產生抗炎細胞因子，以減輕炎癥反應,促進炎癥消退和組織修復[8，50]。使用BMP抑制劑阻斷BMPⅠ型受體，可抑制巨噬細胞向M1型極化，并減少細胞因子和活性氧類的產生，增加FPN的產生[50]。表明抑制BMP信號轉導間接抑制鐵調素的作用，導致巨噬細胞鐵含量降低，延緩動脈斑塊的形成。給予鐵調素和低密度脂蛋白受體基因聯合敲除小鼠21周高脂飲食，結果顯示，動脈粥樣硬化減輕、巨噬細胞的促炎表型減少[51]。鐵調素是鐵穩態的主要調節劑，在動脈粥樣硬化的不同階段可能有不同的作用。在粥樣硬化斑塊形成過程中，抑制鐵調素可能會影響巨噬細胞的促炎活性，從而產生有益的效果；而在斑塊內出血區域，抑制鐵調素可能是有害的[8,50]。

3 結 語

鐵調素是由肝臟合成并分泌的富含半胱氨酸的抗菌多肽，是鐵代謝的調節因子，在機體內鐵平衡的調節中起重要作用。鐵調素參與機體的免疫反應，并在免疫過程中大量表達，其表達也受機體炎癥、缺氧狀態以及信號轉導因子等因素影響。目前發現鐵調素通過多條信號通路參與多種雌激素相關腫瘤和疾病的發生和發展，但各通路的調控機制和相互間的作用尚未完全清楚。未來可就鐵調素通過炎癥反應、氧化應激以及相關通路參與雌激素相關疾病的發生發展等進行更深入探索，尋找相關治療靶點，以期為激素相關疾病的早期診斷及治療提供有效辦法。