低氧條件下鐵調(diào)素表達(dá)的研究進(jìn)展

喬 倩 綜述，耿 惠 審校

(1.青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院，西寧 810001；2.青海大學(xué)附屬醫(yī)院血液科，西寧 810001)

·綜 述·

低氧條件下鐵調(diào)素表達(dá)的研究進(jìn)展

喬 倩1綜述，耿 惠2△審校

(1.青海大學(xué)醫(yī)學(xué)院，西寧 810001；2.青海大學(xué)附屬醫(yī)院血液科，西寧 810001)

鐵調(diào)素；缺氧；鐵代謝；鐵穩(wěn)態(tài)

鐵調(diào)素(hepcidin,Hepc)是調(diào)控體內(nèi)鐵穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵的鐵調(diào)節(jié)激素。它是由肝臟合成并分泌到血液循環(huán)中的富含25個氨基酸的抗菌多肽(2 789.4)。Hepc最初是在血液和尿液中以抗菌肽的形式被發(fā)現(xiàn)的。Hepc在生物體內(nèi)檢測是含有25個氨基酸的多肽形式(hepcidin-25)和2種較小的同種型(hepcidin-22和hepcidin-20)，但只有hepcidin-25已被證實(shí)參與鐵代謝的調(diào)節(jié)。盡管Hepc在體外具有抗菌作用，但在生理條件下低濃度的Hepc不能發(fā)揮上述抗菌活性，也就是說發(fā)揮抗菌肽作用的濃度比生理狀態(tài)下的濃度要高[1]。Hepc是鐵穩(wěn)態(tài)的中央調(diào)節(jié)因子，它可以通過Hepc-膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ferroportin，F(xiàn)PN)軸，調(diào)控腸道鐵的吸收和巨噬細(xì)胞鐵的釋放，這一功能是通過誘導(dǎo)FPN細(xì)胞內(nèi)吞和降解而實(shí)現(xiàn)的[2]。

1 Hepc與鐵代謝的關(guān)系

1.1 Hepc對鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié) Hepc是調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵物質(zhì)，可在鐵的動態(tài)平衡中發(fā)揮有效作用，它的變化會引起鐵含量超負(fù)荷和鐵缺乏。因此，對它的研究得到了科學(xué)界的廣泛重視，并成為研究機(jī)體鐵代謝的一個重要領(lǐng)域。

Hepc對鐵代謝的調(diào)節(jié)主要通過FPN實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PN是目前在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的唯一的細(xì)胞鐵輸出蛋白，在肝臟、十二指腸上皮細(xì)胞、網(wǎng)狀內(nèi)皮組織巨噬細(xì)胞的細(xì)胞膜上均有表達(dá)[3]。具體機(jī)制為：Hepc與細(xì)胞表面的FPN結(jié)合，形成Hepc-FPN復(fù)合物，誘導(dǎo)了FPN的泛素化及Hepc-FPN復(fù)合物的降解。從而抑制小腸吸收細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的鐵釋放進(jìn)入血液，使血清鐵水平降低。FPN的降解具體又可分為Hepc依賴的降解途徑和非Hepc依賴的降解途徑。前者因為Hepc與FPN的結(jié)合導(dǎo)致了胞質(zhì)蛋白激酶Jak2與FPN的結(jié)合，一旦與Jak2結(jié)合上，F(xiàn)PN發(fā)生磷酸化和內(nèi)化，內(nèi)化的FPN在溶酶體內(nèi)被降解。而后者中銅藍(lán)蛋白活性的喪失會導(dǎo)致FPN的內(nèi)化，細(xì)胞表面FPN可以被泛素化進(jìn)而導(dǎo)致其在溶酶體內(nèi)內(nèi)化和降解[4]。實(shí)驗證據(jù)證實(shí)了Hepc這種作用機(jī)制：Hepc基因的破壞導(dǎo)致了細(xì)胞膜上FPN的堆積和隨后表達(dá)的鐵超載[5]，Hepc表達(dá)的增加導(dǎo)致血清鐵和鐵的吸收降低。研究表明：FPN缺陷的小鼠在小腸細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和肝細(xì)胞中積累了大量的鐵，這一結(jié)果證明 FPN在這些細(xì)胞的鐵代謝中起著關(guān)鍵的作用?？傊?，Hepc通過限制鐵的吸收和巨噬細(xì)胞鐵的釋放來調(diào)控鐵穩(wěn)態(tài)。

1.2 Hepc的轉(zhuǎn)錄調(diào)控 作為體內(nèi)鐵代謝的中央調(diào)節(jié)因子，Hepc的表達(dá)也被改變鐵的動態(tài)平衡的因素所調(diào)節(jié)，包括體內(nèi)鐵儲備的變化、貧血、缺氧、炎癥和紅細(xì)胞生成?？诜湍c外鐵的攝入會提高Hepc的水平，另一方面，鐵缺乏的狀態(tài)會降低Hepc的水平[5]。

1.2.1 鐵儲備變化調(diào)控Hepc表達(dá) 體內(nèi)肝鐵儲存和血液循環(huán)中與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合的鐵(Tf-Fe2)通過不同的信號影響肝臟Hepc的表達(dá)[6-7]。轉(zhuǎn)鐵蛋白受體-1(transferrin receptor-1,TfR1)，轉(zhuǎn)鐵蛋白受體2(TfR2)和遺傳性血色病鐵蛋白(hemochromatosis iron protein，HFE)組成的肝細(xì)胞復(fù)合體可感受血液循環(huán)中的轉(zhuǎn)鐵蛋白。TfR2和HFE的缺陷通過胞外的信號調(diào)節(jié)激酶：ERK/MAPK途徑和BMP/SMAD途徑來下調(diào)Hepc的表達(dá)。胞內(nèi)鐵儲備通過骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenic protein，BMP)以自分泌或旁分泌的形式調(diào)控Hepc的表達(dá)，包括BMP6在內(nèi)的BMPs已經(jīng)被證實(shí)在體內(nèi)影響Hepc的生成。例如BMP基因敲除的大鼠模型導(dǎo)致嚴(yán)重的超鐵負(fù)荷[8]。這些細(xì)胞外信號分子作用于肝細(xì)胞BMP受體進(jìn)一步激活細(xì)胞內(nèi)SMAD信號通路來增加Hepc的轉(zhuǎn)錄。Hepc調(diào)節(jié)蛋白(hemojuvelin，HJV) 作為BMP 蛋白的輔助受體，因為不同的Hepc的調(diào)控途徑會聚于該膜結(jié)合蛋白，所以其在Hepc表達(dá)中尤為關(guān)鍵。在低鐵儲備情況下，膜錨定的HJV被蛋白裂解酶-2所裂解，跨膜絲氨酸蛋白酶6(TMPRSS6)基因編碼蛋白裂解酶-2，從而降低BMP途徑的活性來抑制Hepc的產(chǎn)生[9]。

1.2.2 紅細(xì)胞生成調(diào)控Hepc的表達(dá) 紅細(xì)胞生成需要大量的原料鐵，因此紅細(xì)胞生成成為Hepc產(chǎn)生的抑制劑。臨床研究及動物實(shí)驗表明血清Hepc和mRNA水平均由下游EPO管理[10-11]，雖然紅細(xì)胞生成影響Hepc的機(jī)制不明，早期的證據(jù)表明有兩種蛋白通過產(chǎn)生紅細(xì)胞前體來調(diào)控Hepc的表達(dá)。一種是生長分化因子15(growth differentitation factor，GDF15)，它可以抑制Hepc的表達(dá)且在 β-珠蛋白生成障礙性貧血患者中表達(dá)增高[12]；另一個因子是扭轉(zhuǎn)原腸胚形成同系物1(twisted gastrulation protein，TWGS1)，它和GDF15通過抑制BMP/SMAD信號在體外抑制Hepc的表達(dá)[13]。

1.2.3 炎癥調(diào)控Hepc的表達(dá) 炎癥刺激通過增加白細(xì)胞介素-6(IL-6) 水平，進(jìn)而提高Hepc的表達(dá)。IL-6與其受體結(jié)合激活JAK/STAT信號通路，導(dǎo)致STAT磷酸化，進(jìn)而促使轉(zhuǎn)錄激活因子STAT3結(jié)合到Hepc基因的啟動子區(qū)并激活轉(zhuǎn)錄[14]。

2 缺氧和鐵代謝

既往研究表明，當(dāng)人類進(jìn)入低氧環(huán)境時，會影響膳食中鐵的吸收，增加紅細(xì)胞生成。隨著海拔高度的增加氧分壓下降，貧血或局部組織缺氧時，激活一系列缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor，HIF)/缺氧反應(yīng)元件(hypoxia response element，HRE)系統(tǒng)。在常氧條件下，HIF-1α由脯氨酰羥化酶(prolylhydroxylase，PHD)羥基化，然后結(jié)合希佩爾-林道(von Hippel-Lindau，VHL)蛋白最終導(dǎo)致泛素化和蛋白酶體降解。在缺氧條件下，羥化酶的活性被抑制，導(dǎo)致HIF-1α積累，與大多數(shù)低氧反應(yīng)基因的低氧反應(yīng)元件(hypoxia responsive element，HRE) 結(jié)合。與HIF-1α類似，HIF-2α的穩(wěn)定性也通過PHD受氧分壓的調(diào)節(jié)，并在促紅細(xì)胞生成素(EPO)表達(dá)的缺氧信號中起著主導(dǎo)作用[15]。HIF-2誘導(dǎo)腎臟和肝臟分泌EPO(取決于缺氧的嚴(yán)重程度)，導(dǎo)致血清EPO水平增加和紅細(xì)胞生成增加，后者則導(dǎo)致肝臟抑制Hepc的分泌[16]。HIF-2直接調(diào)控肝臟和腎臟EPO合成的調(diào)節(jié)，但是通過刺激骨髓造血活動來間接調(diào)節(jié)Hepc的表達(dá)[17]。

3 缺氧和Hepc的表達(dá)

Nicolas等[18]于2002年率先提出缺氧抑制Hepc的表達(dá)，他在氧濃度為0.1%～2%的條件下培養(yǎng)HepG2細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)與氧濃度為20%的常氧條件下培養(yǎng)細(xì)胞相比Hepc mRNA的表達(dá)明顯下降。相似的，大鼠在低氧氧艙(模擬海拔5 500 m)缺氧48 h后Hepc的表達(dá)也下降。Hintze等[19]也報道在1%氧濃度下培養(yǎng)大鼠肝臟HepG2細(xì)胞，Hepc mRNA表達(dá)與在氧濃度為20%下培養(yǎng)肝臟細(xì)胞相比下降。但是連接缺氧和Hepc表達(dá)下調(diào)的具體分子機(jī)制尚不清楚。

Vdker[20]研究表明肝細(xì)胞特異性HIF-1α基因敲除的大鼠與野生型大鼠相比，飲食中鐵缺乏可以下調(diào)Hepc表達(dá)。這就表明：HIF-1α可能是Hepc信號的負(fù)性調(diào)控因子。另外肝細(xì)胞特異性VHL基因敲除的大鼠有較高的HIF-1水平，但降低Hepc增加了肝臟FPN的水平。這就更進(jìn)一步表明HIF系統(tǒng)是Hepc表達(dá)的負(fù)性調(diào)節(jié)因子。有研究表明，Hepc的啟動子區(qū)域存在 HIF/HRE 信號通路負(fù)調(diào)控靶點(diǎn)，HIF 信號通路直接或間接通過上游介質(zhì)參與 Hepc的表達(dá)調(diào)控，這與之前的研究相似。通常情況下HIF系統(tǒng)是基因表達(dá)的正性調(diào)控因子，但是HIF系統(tǒng)的負(fù)性轉(zhuǎn)錄調(diào)控也并不是前所未有的。

缺氧時HJV被剪切為可溶性的HJV從而抑制BMP / BRE 信號通路，進(jìn)而降低 Hepc啟動子的活性[21]。有一種假說[22]是HJV調(diào)節(jié)Hepc不論HJV是錨定于細(xì)胞膜上還是可溶性的HJV(SHJV)，膜錨定HJV參與BMP/SMAD的正調(diào)控，而SHJV作為虛擬受體抑制此通路導(dǎo)致Hepc表達(dá)下降。

一些研究表明[23]缺氧對Hepc的調(diào)控通過 HJV/BMP軸和缺氧調(diào)控的蛋白裂解酶-2(也稱跨膜絲氨酸蛋白酶6，TMPRSS6)和弗林蛋白酶實(shí)現(xiàn)。也有研究認(rèn)為缺氧沒有引起HIF-1α或HIF-1β基因敲除大鼠中Hepc表達(dá)上調(diào);缺氧引起了HepG2細(xì)胞中Hepc的表達(dá)下調(diào)，但與HIF-1α無關(guān)。因此缺氧/HIF-1α信號通路與Hepc表達(dá)調(diào)控之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

Sonnweber等[24]研究表明缺氧時導(dǎo)致Hepc顯著減少并且血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor,PDGF-BB)增加，他們推斷PDGF-BB與Hepc的下調(diào)有關(guān)，可能是通過PDGF-BB下調(diào)轉(zhuǎn)錄的蛋白表達(dá)因子CREB和CREB-H，抑制Hepc的轉(zhuǎn)錄。缺氧抑制Hepc的表達(dá)通過PDGF-BB的新興通路,導(dǎo)致循環(huán)鐵更多地用于紅細(xì)胞的生成。

但是Lundgrin等[25]在研究埃塞俄比亞南部的阿姆哈拉族和奧羅莫族Hepc水平發(fā)現(xiàn)：高海拔(3 700 m)的阿姆哈拉族與低海拔(1 200 m)的阿姆哈拉族相比，其血漿Hepc水平更高；而高海拔(4 000 m)的奧羅莫族Hepc水平與低海拔(1 500 m)的奧羅莫族Hepc水平相比，二者無明顯差異。這與之前的研究是有沖突的。Lundgrin等得出結(jié)論：在持續(xù)低氧時阿姆哈拉族或奧羅莫族Hepc水平并未得到抑制，可能是因為紅細(xì)胞生成是穩(wěn)定的，由于低血紅蛋白水平、EPO水平和體內(nèi)鐵儲存增高導(dǎo)致低鐵需求并未抑制Hepc表達(dá)。

4 小 結(jié)

Hepc是當(dāng)前公認(rèn)的參與維持機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)和調(diào)節(jié)鐵代謝的關(guān)鍵物質(zhì)。調(diào)節(jié)Hepc的通道主要是鐵依賴性 HFE/TfR2 通道、炎性反應(yīng)引起的 JAK/STAT3 通道和轉(zhuǎn)化因子超家族的BMP/SMAD 信號通路。為低氧狀態(tài)下紅細(xì)胞增殖及慢性高原病的發(fā)病機(jī)制提供了一系列的理論依據(jù)，進(jìn)而為慢性高原病的防治提供了更多的新方法和途徑。

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喬倩(1989-)，碩士研究生，主要從事血液病學(xué)方面的研究。

△通訊作者，E-mail:gh0227@sina.com。

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