轉鐵蛋白受體-2在鐵穩態中的作用研究進展

謝超 王曉凡 叢敏

鐵是人體內細胞代謝和重要生理過程所必需的元素,包括氧氣運輸、線粒體呼吸、核酸復制、氧化還原反應的催化和細胞信號傳導等。然而,當存在過多的“游離”鐵時會誘發芬頓反應(Fenton reaction)催化自由基的產生,從而破壞DNA、蛋白質和脂質,損傷細胞和組織器官。所以維持全身鐵穩態,滿足機體生理需要的同時限制過量鐵的毒性顯得十分重要[1, 2]。

一、全身鐵穩態

由于人和其他哺乳動物缺乏鐵排泄機制,因此鐵穩態取決于鐵損失和鐵吸收之間的平衡,以及從循環巨噬細胞和肝細胞儲存中釋放的鐵與在生物過程中利用鐵之間的匹配。紅細胞生成是體內鐵元素的主要消耗者,人體每天需要20～24 mg的鐵元素來生成新的紅細胞,以替代因衰老而失去的紅細胞。在穩定狀態下,巨噬細胞從衰老的紅細胞中回收鐵并以轉鐵蛋白的形式在體內運輸供骨髓造血或者其他組織利用;而小腸和皮膚細胞脫落等造成的少量鐵損失(每天1～2 mg)可通過飲食中鐵的吸收得到補償[2]。

血漿鐵的主要來源是腸上皮細胞和巨噬細胞。膳食鐵主要以兩種形式存在,即血紅蛋白鐵和非血紅蛋白鐵,這兩種形式的鐵都被小腸(主要是十二指腸)上皮細胞所吸收。膳食中大多數非血紅蛋白鐵是三價鐵(Fe3+),Fe3+先被十二指腸細胞色素B(duodenal cytochrome B,DcytB) 等還原酶還原為二價亞鐵(Fe2+),然后通過腸上皮細胞頂膜表面的二價陽離子轉運蛋白-1(divalent metaltransporter 1 ,DMT1)轉運入細胞內。血紅蛋白鐵的攝取也是通過受體介導的內吞作用來實現,但具體的轉運機制尚不清楚[3]。巨噬細胞通過吞噬衰老的紅細胞獲得鐵,即紅細胞被降解,其所含鐵被回收。鐵從腸上皮細胞和巨噬細胞通過鐵運蛋白(ferroportin,FPN)釋放到血漿中。FPN是哺乳動物中目前已知唯一能將鐵從胞內轉運出胞外的轉運體,是由(SLC40A1)基因編碼的產物[4]。通過FPN輸出到血漿中的Fe2+,先被循環中的銅藍蛋白和腸上皮細胞基底側的亞鐵氧化酶(hephaestin)氧化,然后與轉鐵蛋白結合(transferrin,TF)結合形成全轉鐵蛋白(holotransferrin,Holo-TF)。Holo-TF被運輸到全身各個組織利用,主要用于紅細胞生成。機體在穩態環境中,血漿中95%的鐵來源于巨噬細胞回收的衰老紅細胞中的鐵,另外5%由飲食吸收,以補充皮膚、腸道上皮脫落等造成的鐵丟失[5]。

二、鐵穩態的調節

鐵調素(hepcidin)是由HAMP基因編碼的肝臟合成的一種小分子肽類激素,是目前已知的唯一天然FPN配體,hepcidin與FPN結合導致配體-受體復合物的泛素化、內吞和降解,從而減少鐵入血[6]。由于FPN介導所有細胞的鐵輸出,因此從飲食中吸收鐵的腸上皮細胞、參與衰老的紅細胞或者其他細胞的鐵循環再利用的巨噬細胞,以及參與鐵儲存的肝細胞,均受到hepcidin/FPN軸的調節。HAMP基因的轉錄調節涉及到幾種途徑,包括細胞信號傳導對鐵儲備或轉鐵蛋白飽和度變化的響應。肝臟鐵濃度增加導致肝竇內皮細胞產生大量肝細胞骨形態發生蛋白-6 (bone morphogenetic protein 6,Bmp6)。BMP6與其受體(BMPR)結合導致BMPR磷酸化,從而促使Smad蛋白-1(mothers against decapentaplegic homologue 1,Smad1)、Smad5或Smad8的磷酸化。這些蛋白與Smad4形成復合物,Smad4被轉運至細胞核內,并與編碼hepcidin的HAMP基因啟動子上的BMP反應元件相互作用,導致HAMP轉錄和hepcidin表達。在BMP調控hepcidin表達的過程中,血幼素(haemojuvelin,HJV) 作為BMP的一種協同受體,與BMP-BMPR復合體結合參與此信號通路對hepcidin表達的調節[7-9]。另一方面,血漿轉鐵蛋白的飽和度也參與了hepcidin的調節,這一過程涉及遺傳性血紅蛋白沉著蛋白(HFE)、轉鐵蛋白受體-1 (TFR1)和轉鐵蛋白受體-2(TFR2)之間相互作用的轉換。當Holo-TF與TFR1相結合時,HFE與TFR1的結合被破壞,導致HFE移位后與TFR2和HJV形成復合物來調節hepcidin的轉錄。HFE和TFR2可通過絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)和細胞外信號調節激酶(extracellular-signal-regulated kinase,ERK)通路來增加HAMP基因的轉錄;HFE-TFR2復合物也可與BMPR-HJV復合物相互作用,通過Smad途徑調節HAMP基因的轉錄。此外,hepcidin的表達也受其他因素的調節:如慢性炎癥時,由炎癥細胞產生的白細胞介素-6(interleukin 6,IL6)介導的Janus激酶(Janus kinase,JAK)和轉錄激活因子-3(activators of transcription 3,STAT3)通路調控的hepcidin表達,以及紅細胞產生的紅細胞鐵酮,與未知的配體相互作用,能降低HAMP的轉錄[2, 5]。

細胞內同樣存在調控鐵攝取與儲存的元件。鐵的細胞內流和儲存都受鐵反應元件——鐵調節蛋白(iron responsive element-iron regulatory protein,IRE-IRP)系統的調控。當細胞鐵水平較低時,IRP與IRE結合。當細胞鐵水平升高時,IRP發生構象轉移或降解,因而削弱了它們與IRE的相互作用。IRP與IRE的結合對靶蛋白合成具有的抑制或者促進作用,取決于IRP是與目的mRNA的非翻譯區(UTR) 的5′端抑或是3′端結合[10-12]。在細胞缺鐵時,IRP與TFR1 mRNA3′非翻譯區的IRE核苷酸序列相互作用,IRE-IRP相互作用能穩定TFR1 mRNA,并增加TFR1蛋白的合成,以促進低鐵條件下更多的鐵攝取。與TFR1不同,鐵蛋白mRNA的5′非翻譯區存在IRE,當細胞內鐵濃度降低時,IRE-IRP相互作用,抑制鐵蛋白mRNA的翻譯,導致鐵蛋白減少。相反,當鐵在細胞中累積時,IRE-IRP相互作用減少,導致TFR1表達減少,鐵蛋白增加[13]。

三、TFR2在鐵穩態中的作用及其相關的鐵過載

TFR1一直被認為是哺乳動物體內唯一的TF受體。直到1999年,有研究報道了另一種TF受體,命名為TFR2,其一級結構與TFR1相似。TFR2基因通過不同的啟動子至少可以轉錄出兩種亞型:全長型TFR2α和較短型TFR2β。TFR2α是一種2型膜蛋白,在肝細胞和紅系前體細胞中選擇性表達,而TFR2β主要在各種細胞胞質中低水平表達[14]。盡管與TFR1一樣同為膜蛋白,全長型TFR2也可以與holo-TF相互作用,但是其基本上不會促進鐵的攝取,而是作為全身鐵狀態的感受器。因為TFR2 mRNA的表達在鐵負荷或鐵螯合下沒有明顯的變化,而TFR1在鐵負荷下表達減少,在鐵螯合存在的情況下表達增加。TFR1通過鐵調節蛋白-鐵反應元件(IRP-IRE)相互作用受轉錄后調控,而TFR2不受IRP調控,TFR2 5′和3′UTR區均不包含IRE元件,其表達主要受血漿中holo-TF的影響。血漿holo-TF可顯著上調TFR2α,使其更加穩定。此外,TFR2對holo-TF的親和力明顯低于TFR1。這些TFR2表達模式均提示其主要功能不是細胞鐵的攝取,而是機體鐵感應機制的重要部分[15]。

上文提到,HFE-TFR1-TFR2之間存在相互作用激活下游通路調控hepcidin的表達。有研究表明,在體內,影響了HFE與TFR1結合的TFR1突變小鼠體內hepcidin mRNA水平明顯高于野生對照組,而影響了TF與TFR1結合的TFR1突變小鼠的表型與HFE基因敲除小鼠的表型類似,表明HFE在調控hepcidin表達中發揮重要作用[16]。此外,在體外重組肝細胞過表達TFR1后,并沒有比野生對照組hepcidin 的表達升高[17, 18],這些結果提示TFR1水平對hepcidin表達調控的直接影響并不大。此外,有研究指出,僅破壞HFE/TFR1復合物不能調節hepcidin的表達,只有在TF和TFR2存在的情況下,才能實現hepcidin mRNA的上調,證明了TF/ TFR2/HFE復合物參與了hepcidin的上調;并猜測在高鐵條件下,TFR1結合TF釋放出HFE,隨后HFE與TFR2和TF結合,該復合體激活下游信號而使hepcidin的表達增加[19]。盡管有研究表明:在體外培養系統中,通過細胞過表達HFE與TFR2,可以檢測到HFE與TFR2相互作用,且holo-TF的存在會增強其結合[20]。但同時也有研究發現,在體外構建的HFE和TFR2穩定共表達體系中,經holo-TF作用后未檢測到兩者間的相互作用,且在體內未觀察到HFE和TFR2的相互作用[21]。在體內,TFR2和HFE通過獨立的途徑調節hepcidin,即使在沒有功能性TFR2的情況下,過表達HFE的小鼠也會增加hepcidin的表達。此外,在人和小鼠模型中,HFE和TFR2同時缺失比單獨缺失都會導致更嚴重的鐵負荷表型[22]。綜上所述,TFR2與HFE既可以各自獨立調節hepcidin的表達,也可通過相互作用形成復合物影響hepcidin水平,具體的調控模式仍需進一步深入研究。

有研究發現,TFR2與holo-TF的結合可以激活K562細胞以及肝細胞中的ERK信號通路,且ERK通路的活化在holo-TF誘導的hepcidin表達過程中是必需的。Holo-TF激活ERK后,磷酸化Smad1/5/8水平的增加,顯示出BMP/HJV通路與ERK1/2通路之間調控hepcidin的交互作用[23]。此外,研究表明HFE和TFR2參與ERK信號轉導,并伴有弗林蛋白酶(Fruin)表達的調節。Furin是一種原蛋白轉化酶,在hepcidin表達中具有多種作用:它可以將prohepcidin加工成成熟的hepcidin,并參與BMP的成熟,從而誘導hepcidin的表達。它還可以裂解HJV產生可溶性HJV,并對hepcidin的表達發揮抑制作用。 沉默TFR2將導致Fruin表達的抑制,進而通過其對prohepcidin和BMP成熟的調控以及可溶性HJV的產生,進一步調控hepcidin的水平[24]。

上文提到,HFE/TFR2復合物與BMP/HJV復合物之間存在相互作用。有研究采用不同的鐵負載模型探討HFE與TFR2對BMP通路調控進而對不同細胞類型鐵沉積做出的反應。在膳食鐵負載模型(鐵沉積主要在肝實質細胞)中,與正常對照飲食相比,HFE和TFR2雙基因敲除小鼠(HFe-/-/TFR2-/-)在高鐵飲食刺激下,HAMP基因表達依然上調,但顯著低于WT小鼠對高鐵飲食刺激的反應。通過對HFE和TFR2單基因缺乏小鼠,即TFR2-/-和HFe-/-小鼠,與HFe-/-/TFR2-/-小鼠的比較,證實TFR2對BMP6以及hepcidin的表達發揮重要調控作用。而在鐵-右旋糖酐鐵負荷模型(鐵沉積主要在肝非實質細胞)中,TFR2-/-、HFe-/-和HFe-/-/TFR2-/-小鼠中BMP6水平與野生型小鼠相當,表明在肝臟非實質細胞中,Bmp6的誘導獨立于HFE和TFR2。盡管在鐵-右旋糖酐鐵負荷后,BMP6水平升高,但在TFR2-/-和HFE-/-/TFR2-/-小鼠中, hepcidin的表達明顯低于野生型小鼠。這表明,肝內非實質細胞鐵沉積誘導肝細胞內hepcidin表達依賴于TFR2[25]。

綜上所述,TFR2對于不同細胞類型中鐵沉積作出的貢獻不同。鐵沉積在肝實質細胞時,TFR2參與了BMP6相關通路的調控,當鐵沉積在肝非實質細胞時,TFR2似乎獨立于BMP6的誘導,但對肝細胞中hepcidin的誘導起一定的作用。有關TFR2與BMP6之間相互作用的具體分子機制和模式尚不完全清楚。

已有不同國家報道過TFR2相關的原發性鐵過載(Ⅲ型遺傳性血色病)病例,癥狀較經典的HFE突變病例更輕[26-28]。TFR2相關的鐵過載主要是通過上述信號通路改變hepcidin的表達而導致的。此外, TFR2基因敲除小鼠或者TFR2突變小鼠,為人類研究Ⅲ型遺傳性血色病的分子病理學機制提供了很好的動物模型[29-31]。

四、展望

目前,雖然已知TFR2主要是通過以上幾條通路調節hepcidin的表達,進而調控全身鐵穩態,但是其中各通路及分子之間的關系、調控模式目前尚不完全清楚;TFR2與HFE之間是否始終存在相互作用,兩者之間相互獨立調控hepcidin的表達是因為建立的模型不同還是存在其他原因,這些問題需要更多不同的體內外模型來研究。關于TFR2對不同肝臟細胞類型鐵沉積的反應及其扮演的角色,相關數據我們也是知之甚少;Smad4是否是TFR2下游ERK的靶點等問題都需要更多的研究來闡明。雖然鐵攝取并不是TFR2的主要功能,卻有研究發現TFR2促進培養細胞中holo-Tf的攝取,TFR2將holo-Tf轉運至紅系前體細胞的溶酶體以攝取鐵[32]。因此,我們缺少TFR2的結構-功能數據來闡明TFR1和TFR2之間的受體功能差異。盡管TFR2在遺傳性血色病中的影響不及經典的HFE,但它能夠與其他分子相互作用在多條通路起作用,對TFR2的深入研究將有助于我們更加清晰地了解其對hepcidin的調控以及遺傳性血色病的分子機制,最終服務于臨床。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。