腸上皮細胞非血紅素鐵吸收轉運的分子研究進展

吳秀群，趙 葉

（四川農(nóng)業(yè)大學動物營養(yǎng)研究所，四川 雅安 625014）

鐵是機體必需的微量元素，其缺乏或過量均會導致機體功能異常。由于人和動物機體缺乏有效的鐵“排泄機制”，每天鐵排泄量小于0.05%。因此，機體鐵穩(wěn)態(tài)（包括鐵的攝取、轉運、釋放及貯存等）主要通過腸道鐵吸收的精細調控來實現(xiàn)。食物中的鐵分血紅素鐵和非血紅素鐵，非血紅素鐵主要存在于植物性食物中，包括二價鐵和三價鐵。本文簡述了腸上皮細胞非血紅素鐵吸收轉運的相關分子研究進展。

1 細胞色素b與Fe3+的還原

腸道Fe3+必須還原成Fe2+才能進入腸上皮細胞。十二指腸細胞色素b是近年來發(fā)現(xiàn)的存在于刷狀緣的鐵還原酶。Raja等研究表明在十二指腸黏膜細胞刷狀緣表面存在鐵還原酶活性，此酶經(jīng)純化表明含有b型細胞色素。McKie等使用負性克隆的方法分離出編碼細胞色素-b樣分子，并命名為Dcyt b，它與細胞膜還原酶Dcyt b561家族有45%～50%的同源性。Dcyt b位于腸上皮細胞刷狀緣，與腸道鐵的轉運高度相關。Dcyt b mRNA在十二指腸鐵缺乏鼠的成熟腸上皮細胞的上部微絨毛區(qū)域表達較高，在隱窩細胞沒有表達，成熟腸上皮細胞的上部微絨毛區(qū)域是鐵的轉運活性最高的部位。Dcyt b蛋白在十二指腸刷狀緣膜囊有高的表達，而在空腸不表達。鐵調控的還原酶活性的變化與Dcyt b有關。為進一步證實Dcyt b本身具有還原Fe3+的能力，將Dcyt b cRNA注射入爪蟾卵，并與注射水組相比，結果前者高鐵還原酶的活性提高了5～6倍。用Dcyt b轉染來自于腸上皮細胞（HuTu-80，CaCo-2）的細胞系，通過對還原酶活性的測定，發(fā)現(xiàn)細胞的還原酶活性增加，用Dcyt b抗體處理60min后顯著降低了還原酶活性，同時也抑制了未轉染細胞的還原酶活性。因此，Dcyt b存在于腸道日糧鐵吸收活性最高的部位——十二指腸成熟腸上皮細胞的上部微絨毛區(qū)域，且存在于適當?shù)膩喖毎麉^(qū)域刷狀緣膜，是十二指腸的Fe3+還原酶。

2 二價金屬離子轉運蛋白1（DMT1）與腸上皮細胞Fe2+轉運

DMT1是Gruenheid等在研究具有天然抗性的巨噬細胞蛋白1過程中發(fā)現(xiàn)的一種與Nrampl有極高同源性（達78%）和相似二級結構的蛋白質。DMT1在人組織中分布廣泛，RNA印跡分析顯示，DMT1在近端小腸、腎、胸腺、腦、睪丸、肝、結腸、心臟、脾、骨骼肌、肺、骨髓等多處組織都有表達。DMT1在小腸絨毛表層腸上皮細胞中高度表達，特別是在隱窩和絨毛下部，而在絨毛頂端沒有表達，從小腸近端到遠端表達逐漸減少，此表達模式與很多二價陽離子腸道吸收的解剖位點相一致。

2.1 腸道中DMT1的主要功能是轉運食物中經(jīng)Dcyt b還原的Fe2+目前研究較多的是兩種遺傳性缺鐵模型小鼠，分別為mk型鼠和b型鼠，這兩種模型鼠均呈現(xiàn)出以小腸鐵吸收和紅細胞鐵利用障礙為特征的遺傳性小細胞低色素性貧血，無論是增加膳食中鐵的供應還是靜脈補鐵都不能使之恢復。Maureen等（1998）證實這兩種小鼠的小細胞低色素貧血與DMTl基因185位密碼子發(fā)生G-A突變有關，該突變導致其蛋白質產(chǎn)物185位的Gly殘基被Arg殘基替代。進一步分別用野生型和突變型鼠的DMTl基因對HEK293T細胞進行轉染后發(fā)現(xiàn)，正常DMT1基因的過量表達能提高細胞鐵的吸收75倍，與野生型鼠比較，G185R突變卻使細胞鐵的吸收下降35倍，G185S（Gly殘基被Ser殘基取代）突變細胞使鐵的吸收僅有微弱的下降。通過對G185R和G185S對鐵轉運活性影響的比較，表明G185R突變的有害影響并不是由于Gly殘基的缺失，而是它的取代基團為大的帶電荷基團。但這一突變是否導致了蛋白質構象改變或允許金屬離子通過的跨膜區(qū)段改變還有待于進一步研究。

2.2 DMT1是腸道非血紅素鐵的主要轉運體，是非血紅素鐵正常吸收所必需的 Gunshin等研究表明：slc11a2-/-狗在出生后，腸道鐵的吸收成為其主要來源，為了避免由于slc11a2缺失過早引發(fā)的高致死率，用一種攜帶slc11a2等位基因的loxP重組位點，在此位點插入等位基因使slc11a2基因完整，正常表達，并證實此等位基因的純合子slc11a2flox/flox表型正常。將slc11a2flox/flox鼠與攜帶villin-cre的轉基因鼠雜交，新生鼠為slc11a2int/int。使用免疫印跡估計slc11a2基因的表達，在slc11a2-/-和slc11a2int/int鼠腸上皮細胞上均未檢測到slc11a2基因，表明slc11a2等位基因已經(jīng)被有效的切斷。DNA印跡分析表明slc11a2int/int鼠此等位基因僅在腸道被切斷，其新生期的血液參數(shù)和組織鐵的濃度無異常，但是當生后養(yǎng)分主要來源于腸道吸收時，slc11a2int/int表現(xiàn)為嚴重貧血，隨著日齡的增加其程度與slc11a2-/-鼠相同，且出現(xiàn)明顯的發(fā)育遲緩。因此，DMT1是腸道鐵吸收所必需的。

3 膜鐵蛋白輔助蛋白（HP）、鐵轉運蛋白（FP）與Fe2+基底膜的轉運

參與胞漿Fe2+轉運通過腸上皮細胞基底膜進入循環(huán)系統(tǒng)的分子主要有：HP和FP。

3.1 HP與Fe2+氧化成Fe3+和基底膜釋放 HP是一種跨膜銅依賴性亞鐵氧化酶，是鐵從腸上皮細胞轉運進入血液循環(huán)所必需的。人的HP基因是由20個外顯子（大約100kb）組成，完整的人類HP cDNA編碼1185氨基酸，它與血清中的亞鐵還原酶（血漿銅藍蛋白）有高度的同源性（50%相同，68%相似），故推測HP是具有血漿銅藍蛋白外功能區(qū)的跨膜結合蛋白。目前，HP的亞鐵氧化酶活性在酵母中已經(jīng)得到證實。HP在體組織分布廣泛，原位雜交表明，HP僅在腸道絨毛表達，隱窩細胞不表達，這一表達模式與鐵在腸道絨毛的吸收部位相一致。鐵從腸上皮細胞基底膜的釋放需要銅的參與，且與HP有關。早期研究表明：銅缺乏會誘導血紅蛋白過少的貧血，僅靠補鐵不能緩解其癥狀。同位素示蹤試驗表明：銅缺乏動物鐵的吸收也會受到抑制，后來觀測發(fā)現(xiàn)鐵累積在腸道，需補充銅才能緩解。Chen等在鼠上的研究表明：缺銅日糧組小鼠的脾、腎、右脛骨鐵的濃度極顯著低于對照組，而肝臟、小腸鐵的濃度極顯著高于對照組。在腸上皮細胞上的進一步研究發(fā)現(xiàn)，HP mRNA水平缺銅組和對照組之間差異不顯著，缺銅組HP蛋白水平和氧化酶活性顯著低于對照組；同時在HT29細胞上研究也發(fā)現(xiàn)，無論是銅缺乏還是充足，HP mRNA的水平保持不變，添加螯合劑降低銅的濃度使HT29細胞的HP蛋白水平和氧化酶活性顯著降低。因此，鐵從腸上皮細胞基底膜釋放需要銅參與，且與HP氧化酶特性有關。

3.2 FP1與基底膜鐵釋放 FP1又稱鐵調節(jié)轉運體1或金屬轉運蛋白，是一種跨膜鐵輸出蛋白。小鼠、大鼠和人的FP1編碼序列同源性大于90%。FP1廣泛分布于機體各組織，在小腸、胎盤、脾、肝、心臟、肌肉、肺和腦均有表達。FP1蛋白在腸中主要分布于十二指腸絨毛上皮細胞，且小腸絨毛頂部的黏膜上皮細胞比隱窩部的表達要強。從十二指腸到結腸，F(xiàn)P1表達遞減，此模式與腸對鐵的吸收能力相一致。小鼠十二指腸冰凍切片的免疫熒光染色顯示，F(xiàn)P1主要分布在腸上皮細胞的基底胞質和基底膜，上皮頂端胞質中也有少量。因此，F(xiàn)P1介導了鐵從十二指腸基底膜的流出，且這一過程需要亞鐵氧化酶輔助。

4 結語

腸上皮細胞鐵的吸收轉運是個很復雜的過程，許多生物大分子都參與其轉運過程，還有許多問題有待進一步研究：（1）Dcyt b可能僅為十二指腸鐵還原酶中的一種，腸道中是否還存在其他的鐵還原酶有待考證；（2）DMT1的G185R突變導致其轉運功能的喪失是由于突變造成了蛋白質構象改變還是允許金屬離子通過的跨膜區(qū)段改變有待于進一步研究；（3）HP在腸道鐵吸收過程中的具體作用只是根據(jù)其結構推定的，其直接證據(jù)還有待進一步研究。

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