鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)體1在癲癇發(fā)生、發(fā)展中作用的研究進(jìn)展

陳海燕，黃建敏

(右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，廣西百色 533000)

癲癇治療困難，易發(fā)生癲癇持續(xù)狀態(tài)，致殘率和致死率高。鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)體1(IREG1)是細(xì)胞內(nèi)鐵向細(xì)胞外釋放的關(guān)鍵通道，在機(jī)體鐵代謝平衡的維持中扮演著重要角色。IREG1廣泛分布于機(jī)體中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，參與血腦屏障鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)以及神經(jīng)細(xì)胞鐵的釋放。研究表明，IREG1低表達(dá)可引起腦鐵超載，導(dǎo)致帕金森病、阿爾茨海默病、腦出血等疾病的發(fā)生。癲癇患者IREG1存在高表達(dá)，其機(jī)制尚不明確，現(xiàn)將IREG1在腦內(nèi)的結(jié)構(gòu)、分布、功能、表達(dá)的調(diào)節(jié)以及其與癲癇的關(guān)系作一綜述。

1 IREG1概述

1.1 IREG1的結(jié)構(gòu)與分布 IREG1又稱膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(FPN1)或金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MTP1)，是目前發(fā)現(xiàn)的惟一的跨膜鐵輸出蛋白。2000年，3個(gè)獨(dú)立的研究小組采用不同的方法分離鑒定了該基因并予命名。IREG1是一種由571個(gè)氨基酸組成的膜結(jié)合蛋白，其編碼基因SLC40A1位于2號(hào)染色體上，長(zhǎng)度約20 kb，含有8個(gè)外顯子。其mRNA的5′末端非翻譯區(qū)含有一個(gè)典型的鐵反應(yīng)元件，能夠與鐵調(diào)節(jié)蛋白相結(jié)合。至今，IREG1的結(jié)構(gòu)尚未被完全闡明，首先結(jié)構(gòu)域的數(shù)量不明確，它被預(yù)測(cè)含有12個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，其N端是溶于胞質(zhì)中的，然而其C端的定位尚不明確，其次IREG1是單體抑或是二聚體亦不明確[1]。IREG1遍及全身各種組織，在腦外主要表達(dá)于十二指腸、胎盤、肝、腎、心臟和骨骼肌[2]。在腦內(nèi)神經(jīng)元中，IREG1高表達(dá)于神經(jīng)元的胞體、大腦皮質(zhì)、海馬、腦干、小腦和丘腦。而在紋狀體、蒼白球和下丘腦很少表達(dá)。在非神經(jīng)元細(xì)胞中，IREG1高度表達(dá)于少突膠質(zhì)細(xì)胞、脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞和血腦屏障的內(nèi)皮細(xì)胞以及突觸小泡內(nèi)[3]。在血腦屏障中，IREG1作為內(nèi)皮細(xì)胞基底膜上的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體，參與血腦屏障鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)，然而突觸小泡中IREG1的作用目前尚不清楚，可能起著抵抗鐵毒性的作用[4]。

1.2 IREG1在腦內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn) 外周循環(huán)的鐵進(jìn)入腦內(nèi)主要有3個(gè)途徑[5]：轉(zhuǎn)鐵蛋白(GPI-anchored MTf)/轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(TfR)途徑；乳鐵蛋白(Lf)/乳鐵蛋白受體(LfR)途徑及糖基磷脂酰肌醇錨型黑色素轉(zhuǎn)鐵蛋白(MTf)/分泌型黑色素轉(zhuǎn)鐵蛋白(Secreted MTf-Fe)途徑。以Tf/TfR途徑最重要，IREG1在此途徑中發(fā)揮關(guān)鍵性作用。最先是血清Tf運(yùn)輸鐵，形成Fe3+-Tf復(fù)合物，到達(dá)血腦屏障，與腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞膜上的TfR結(jié)合，接著由TfR介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入內(nèi)皮細(xì)胞，在酸性環(huán)境下，F(xiàn)e3+被解離還原為Fe2+，然后通過二價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入內(nèi)皮細(xì)胞胞質(zhì)內(nèi)，最后由IREG1運(yùn)輸出內(nèi)皮細(xì)胞，在膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白輔助蛋白(HP)或銅藍(lán)蛋白(CP)的幫助下氧化為Fe3+后進(jìn)入腦組織。進(jìn)入腦間質(zhì)的Fe3+大部分以Tf結(jié)合鐵的形式存在，小部分Fe3+及少量Fe2+以非Tf結(jié)合鐵的形式存在。各種神經(jīng)細(xì)胞通過攝入、利用或儲(chǔ)存腦間質(zhì)鐵離子的方式進(jìn)行機(jī)體鐵代謝。由此可見，IREG1是神經(jīng)細(xì)胞鐵輸出的關(guān)鍵通道，對(duì)維持腦鐵代謝的平衡起著至關(guān)重要的作用，IREG1的變化必定會(huì)影響腦鐵含量的變化，可能誘發(fā)帕金森病[6]、阿爾茨海默病[6]、腦出血[7]等神經(jīng)系統(tǒng)鐵代謝相關(guān)疾病。

1.3 IREG1在腦內(nèi)的功能 Donovan等[8]研究認(rèn)為，IREG1基因敲除小鼠很快死亡，是由于IREG1蛋白表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致鐵積累，提示IREG1很可能參與了細(xì)胞鐵輸出。通過顯微鏡在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中注射鐵離子，發(fā)現(xiàn)IREG1表達(dá)可增加鐵離子的流出[9]。這些研究表明，IREG1具有神經(jīng)細(xì)胞鐵釋放的功能。此外，Gao等[10]實(shí)驗(yàn)表明，IREG1表達(dá)減少會(huì)引起大鼠大腦皮質(zhì)和海馬的鐵沉積。細(xì)胞內(nèi)鐵離子沉積可通過多種機(jī)制導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。其中最主要的是過量鐵離子可與細(xì)胞內(nèi)的超氧化物自由基反應(yīng)產(chǎn)生活性氧自由基，造成神經(jīng)細(xì)胞的氧化應(yīng)激損傷，甚至死亡。另外鐵離子還可引起線粒體內(nèi)Ca2+代謝紊亂直接導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[11]。在大鼠蛛網(wǎng)膜下腔出血模型中[12]，鐵代謝相關(guān)蛋白IREG1和CP表達(dá)下降，引起神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的鐵沉積，進(jìn)一步加重腦水腫和血腦屏障通透性的破壞。CP為腦內(nèi)IREG1參與神經(jīng)細(xì)胞鐵釋放和血腦屏障鐵轉(zhuǎn)運(yùn)過程中所必需的一種輔助蛋白，具有亞鐵氧化酶活性。當(dāng)缺乏CP時(shí)，IREG1單獨(dú)不能完成細(xì)胞鐵釋放[13]。以上研究均表明，IREG1在血腦屏障鐵離子轉(zhuǎn)運(yùn)和神經(jīng)細(xì)胞鐵釋放中起重要作用。除此以外，研究[9,14,15]表明IREG1還具有轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞內(nèi)鋅、錳和鎘等過渡金屬的功能，從而減少其毒性保護(hù)細(xì)胞。同時(shí)，IREG1的轉(zhuǎn)錄受到鋅、錳和鎘等多種重金屬的誘導(dǎo)?？赡艿臋C(jī)制是重金屬與IREG1啟動(dòng)子上的兩個(gè)金屬反應(yīng)元件結(jié)合誘導(dǎo)突變發(fā)生，阻止金屬轉(zhuǎn)錄因子激活，從而阻止了金屬轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的IREG1基因的轉(zhuǎn)錄，使得IREG1 表達(dá)水平下調(diào)，最終導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鐵沉積。表明IREG1發(fā)揮了對(duì)鋅、錳和鎘等金屬轉(zhuǎn)運(yùn)的重要作用及受到金屬的調(diào)控。

1.4 IREG1的表達(dá)調(diào)控 缺鐵、缺氧可影響IREG1的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，缺鐵可誘導(dǎo)IREG1的轉(zhuǎn)錄，但需要缺氧誘導(dǎo)因子-2α的參與[16]；在體外培養(yǎng)O-2A祖細(xì)胞缺氧模型中，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，IREG1 mRNA和蛋白水平表達(dá)均下調(diào)，提示IREG1可能參與O-2A祖細(xì)胞的缺氧損傷過程，缺氧調(diào)控IREG1的表達(dá)[17]。在神經(jīng)細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、呼吸道上皮細(xì)胞、心肌細(xì)胞、肝細(xì)胞、成骨細(xì)胞，IREG1基因的表達(dá)隨細(xì)胞內(nèi)鐵離子的升高而增加，隨細(xì)胞內(nèi)鐵離子的降低而減少，提示細(xì)胞內(nèi)鐵離子對(duì)IREG1的表達(dá)可能存在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平的調(diào)控[18]。IREG1 的這種隨細(xì)胞內(nèi)鐵離子含量的改變而變化的意義在于：細(xì)胞通過調(diào)節(jié)鐵離子的釋放來維持細(xì)胞內(nèi)鐵離子的平衡，并且通過該調(diào)節(jié)作用，可達(dá)到減少鐵離子介導(dǎo)的氧化應(yīng)激作用對(duì)細(xì)胞的損害。然而小腸上皮細(xì)胞和胎盤細(xì)胞卻與此相反，高鐵離子狀態(tài)可下調(diào)二者IREG1的表達(dá)，而低鐵離子狀態(tài)下，IREG1的表達(dá)被上調(diào)。這種差異可能與細(xì)胞種類不同有關(guān)，小腸上皮細(xì)胞和胎盤細(xì)胞的功能是將外源性鐵向血液轉(zhuǎn)運(yùn)，因而，可能存在與其他類型細(xì)胞有不同的鐵代謝機(jī)制。缺鐵、缺氧對(duì)IREG1的表達(dá)起調(diào)節(jié)作用, 但其機(jī)制目前尚不清楚。對(duì)IREG1起調(diào)節(jié)作用的另一個(gè)重要因素是鐵調(diào)素(Hepc)。Hepc是由肝臟合成的在機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)維持中起重要作用的鐵負(fù)性調(diào)節(jié)激素，IREG1是Hepc的受體，Hepc通過內(nèi)化和降解作用來調(diào)控IREG1，抑制細(xì)胞內(nèi)的鐵離子釋放[19]。經(jīng)側(cè)腦室內(nèi)注射Hepc后，IREG1表達(dá)發(fā)生顯著改變，且不同的腦區(qū)具有明顯的區(qū)域特異性；在大腦皮層和海馬組織IREG1表達(dá)明顯減少，而在黑質(zhì)組織表達(dá)明顯升高[12，20，21]。出現(xiàn)不同的原因考慮大腦皮層、海馬神經(jīng)細(xì)胞非轉(zhuǎn)鐵蛋白攝鐵功能增強(qiáng), 釋放鐵的作用減弱，而黑質(zhì)有可能降低了非轉(zhuǎn)鐵蛋白鐵的攝取, 增加了鐵的釋放，抑或Hepc只是腦內(nèi)IREG1眾多調(diào)控因子的一種。Hepc對(duì)IREG1表達(dá)起調(diào)控作用，但是腦鐵代謝的調(diào)節(jié)機(jī)制異常復(fù)雜,Hepc與IREG1之間的關(guān)系仍然需要進(jìn)一步的研究來明確。

2 IREG1在癲癇的發(fā)生、發(fā)展中的作用

Guo等[22]通過在大鼠額葉注入氯化亞鐵，數(shù)分鐘后可觀察到大鼠出現(xiàn)癲癇發(fā)作，腦電圖記錄到尖波、棘波、棘慢波等癲癇樣放電，病理檢查顯示鐵離子注射區(qū)大量神經(jīng)元缺失，膠質(zhì)細(xì)胞增殖，以及異常的神經(jīng)元放電環(huán)路。此結(jié)果提示鐵離子導(dǎo)致局部神經(jīng)細(xì)胞過度凋亡，進(jìn)而導(dǎo)致癲癇的發(fā)生。且皮質(zhì)下注射鐵離子誘導(dǎo)癲癇目前已被證實(shí)為一種可靠的模擬人類外傷后癲癇的動(dòng)物模型[23]。在皮下注射鐵螯合劑，可顯著降低癲癇模型大鼠海馬神經(jīng)元線粒體內(nèi)的鐵沉積，減輕線粒體氧化應(yīng)激損傷的程度，減少海馬神經(jīng)元死亡，同時(shí)能降低tau蛋白磷酸化水平[24,25]。Zhang等[26]采用MRI技術(shù)觀察64例顳葉癲癇的患者，發(fā)現(xiàn)了其大腦皮質(zhì)呈彌漫性鐵沉積，而皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)鐵減少，在癲癇患者中腦鐵可能有重新再分配的機(jī)制，并提示異常增加的鐵通過脂質(zhì)過氧化影響蛋白質(zhì)的功能，同時(shí)增加細(xì)胞外谷氨酸的興奮性，抑制多巴胺受體的功能，從而導(dǎo)致癲癇的發(fā)生。以上動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及人體試驗(yàn)均證實(shí)了鐵離子代謝異常參與了癲癇的發(fā)生與發(fā)展。IREG1表達(dá)異常是引起腦鐵代謝紊亂的關(guān)鍵性因素，提示IREGl表達(dá)異常可能與癲癇發(fā)生發(fā)展相關(guān)。國(guó)內(nèi)學(xué)者柯賢軍等[27]通過對(duì)35例耐藥性癲癇患者腦組織中IREG1 mRNA表達(dá)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)IREG1 mRNA在耐藥性癲癇患者術(shù)后腦組織中存在高表達(dá)，提示IREG1可能參與了耐藥性癲癇的形成，并在其發(fā)病機(jī)制中起一定作用。研究發(fā)現(xiàn)，IREG1能將無毒的Fe3+從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外還原為有毒性的Fe2+[5]，而Fe2+可起到催化脂質(zhì)過氧化花生四烯酸釋放、前列腺素的激活和白三烯級(jí)聯(lián)等作用，引起神經(jīng)元變性、死亡或凋亡，同時(shí)，細(xì)胞外Fe2+的增加還可以激活細(xì)胞外信號(hào)傳導(dǎo)激酶(ERK)，影響細(xì)胞骨架蛋白tau的磷酸化作用[6]，導(dǎo)致神經(jīng)元形態(tài)改變以及突觸重構(gòu)，誘導(dǎo)苔蘚纖維芽生，形成異常興奮性網(wǎng)絡(luò)，誘導(dǎo)癲癇發(fā)作并參與耐藥性癲癇的發(fā)生和發(fā)展[28]。但是目前IREG1參與耐藥性癲癇發(fā)生的機(jī)制尚未完全闡明。

綜上所述，IREG1是目前發(fā)現(xiàn)的惟一的鐵輸出蛋白，在腦內(nèi)廣泛分布，對(duì)血腦屏障鐵轉(zhuǎn)運(yùn)和神經(jīng)細(xì)胞鐵釋放至關(guān)重要。IREG1的表達(dá)受到Hepc、缺鐵、缺氧、過渡金屬等因素的影響，其中Hepc調(diào)控最重要，但調(diào)控機(jī)制仍然不十分明確。IREG1與癲癇有關(guān)，但I(xiàn)REG1在癲癇病變過程中的確切作用和機(jī)制仍不清楚。以IREG1作為靶點(diǎn)的癲癇治療藥物開發(fā)可能具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] Musci G, Polticelli F, Bonaccorsi di Patti MC. Ceruloplasmin-ferroportin system of iron traffic in vertebrates[J]. World J Biol Chem, 2014,5(2):204-215.

[2] Xu Y, Zhang W, Zhang P, et al. Downregulation of ferroportin 1 expression in hFOB1.19 osteoblasts by hepcidin[J]. Inflammation, 2012,35(3):1058-1061.

[3] Boserup MW, Lichota J, Haile D, et al. Heterogenous distribution of ferroportin-containing neurons in mouse brain[J]. BioMetals: An International Journal on the Role of Metal Ions in Biology, Biochemistry and Medicine, 2011,24(2):357-375.

[4] Burkhart A, Skjorringe T, Johnsen KB, et al. Expression of iron-related proteins at the neurovascular unit supports reduction and reoxidation of iron for transport through the blood-brain barrier[J]. Mol Neurobiol, 2016,53(10):7237-7253.

[5] Duck KA, Connor JR. Iron uptake and transport across physiological barriers[J]. Biometals, 2016,29(4):573-591.

[6] Lu LN, Qian ZM, Wu KC, et al. Expression of iron transporters and pathological hallmarks of parkinson′s and alzheimer′s diseases in the brain of young, adult, and aged rats[J]. Mol Neurobiol, 2016.

[7] Wang G, Shao A, Hu W, et al. Changes of ferrous iron and its transporters after intracerebral hemorrhage in rats[J]. Int J Clin Exp Pathol, 2015,8(9):10671-10679.

[8] Donovan A, Lima CA, Pinkus JL, et al. The iron exporter ferroportin/Slc40a1 is essential for iron homeostasis[J]. Cell Metab, 2005,1(3):191-200.

[9] Mitchell CJ, Shawki A, Ganz T, et al. Functional properties of human ferroportin, a cellular iron exporter reactive also with cobalt and zinc[J]. Am J Physiol Cell Physiol, 2014,306(5):C450-459.

[10] Gao J, Su H, Yin J, et al. Effects of nano-lead exposure on learning and memory as well as iron homeostasis in brain of offspring rats[J]. Zhonghua Lao Dong Wei Sheng Zhi Ye Bing Za Zhi, 2015,33(6):409-413.

[11] Li K, Reichmann H. Role of iron in neurodegenerative diseases[J]. J Neural Transm (Vienna), 2016,123(4):389-399.

[12] Tan G, Liu L, He Z, et al. Role of hepcidin and its downstream proteins in early brain injury after experimental subarachnoid hemorrhage in rats[J]. Mol Cell Biochem, 2016,418(1-2):31-38.

[13] Miyajima H. Aceruloplasminemia[J]. Neuropathology, 2015,35(1):83-90.

[14] Yin Z, Jiang H, Lee ES, et al. Ferroportin is a manganese-responsive protein that decreases manganese cytotoxicity and accumulation[J]. J Neurochem, 2010,112(5):1190-1198.

[15] Sun L, Wang L, Wang Z, et al. Cadmium depletes cellular iron availability through enhancing ferroportin translation via iron responsive element[J]. Mol Med Rep, 2015,11(4):3129-3133.

[16] Chiabrando D, Fiorito V, Marro S, et al. Cell-specific regulation of Ferroportin transcription following experimentally-induced acute anemia in mice[J]. Blood Cells Mol Dis, 2013,50(1):25-30.

[17] Lin Q, Feng J, Zhao X, et al. Expression and function of ferroportin 1 in O-2A progenitor cells[J]. Anat Rec (Hoboken), 2013,296(1):108-116.

[18] Zhao GY, Di DH, Wang B, et al. Iron regulates the expression of ferroportin 1 in the cultured hFOB 1.19 osteoblast cell line[J]. Exp Ther Med, 2014,8(3):826-830.

[19] Yanatori I, Richardson DR, Imada K, et al. Iron export through the transporter ferroportin 1 is modulated by the iron chaperone PCBP2[J]. J Biol Chem, 2016,291(33):17303-17318.

[20] Li L, Holscher C, Chen BB, et al. Hepcidin treatment modulates the expression of divalent metal transporter-1, ceruloplasmin, and ferroportin-1 in the rat cerebral cortex and hippocampus[J]. Biol Trace Elem Res, 2011,143(3):1581-1593.

[21] Du F, Qian ZM, Luo Q, et al. Hepcidin suppresses brain iron accumulation by downregulating iron transport proteins in iron-overioaded rats[J]. Mol Neurobiol, 2015,52(1):101-114.

[22] 郭燕春,李沐,謝澤宇,等.皮質(zhì)注射氯化亞鐵建立外傷性癲癇動(dòng)物模型致癇機(jī)制的探討[J].神經(jīng)損傷與功能重建,2015,10(2):113-115.

[23] Wu Y, Jiao B, Wu Z, et al. Autoregressive spectral analysis of cortical electroencephalographic signals in a rat model of post-traumatic epilepsy[J]. Neurol Res, 2015,37(11):959-966.

[24] Guo C, Wang P, Zhong ML, et al. Deferoxamine inhibits iron induced hippocampal tau phosphorylation in the Alzheimer transgenic mouse brain[J]. Neurochem Int, 2013,62(2):165-172.

[25] Zou X, Jiang S, Wu Z, et al. Effectiveness of deferoxamine on ferric chloride-induced epilepsy in rats[J]. Brain Res, 2017.

[26] Zhang Z, Liao W, Bernhardt B, et al. Brain iron redistribution in mesial temporal lobe epilepsy: a susceptibility-weighted magnetic resonance imaging study[J]. BMC Neurosci, 2014,15:117.

[27] 柯賢軍,郭珍立,王學(xué)峰,等.鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)體1 mRNA與耐藥性癲癇[J].中國(guó)臨床神經(jīng)外科雜志,2007,12(6):354-357.

[28] 呂學(xué)英,張敬軍.耐藥性癲癇的研究進(jìn)展[J].中華腦科疾病與康復(fù)雜志(電子版),2015,5(1):45-49.