鐵代謝異常與腫瘤研究進展

蔣金朋，王夙斐，易村犍 (長江大學第一臨床醫(yī)學院 荊州市第一人民醫(yī)院婦產(chǎn)科，湖北 荊州 434000)

鐵是一種必需的營養(yǎng)元素。然而，鐵離子在氧化和還原狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生對細胞有害的活性氧(ROS)，因此受到嚴密復雜的調(diào)控。由于鐵是體內(nèi)重要大分子的重要組成成分,參與ATP、氧的運輸、DNA合成等重要的生命活動。現(xiàn)有大量研究顯示細胞內(nèi)鐵代謝失調(diào)導致的鐵過量與腫瘤的發(fā)生、增殖與轉(zhuǎn)移有關(guān)[1,2]?，F(xiàn)研究顯示腫瘤細胞對鐵表現(xiàn)出更強的依賴性，同時更容易消耗鐵。盡管有大量的研究，鐵和癌癥之間的具體聯(lián)系仍然沒有完全解釋清楚。簡要地介紹正常鐵代謝及對鐵代謝異常的新認識、鐵代謝異常與腫瘤發(fā)生及轉(zhuǎn)移的機制，提供關(guān)于鐵和癌癥之間的聯(lián)系的新觀點，這可能為預測癌癥預后和治療提供新方法。

1 細胞內(nèi)正常鐵代謝

鐵是一種必需的微量元素，參與人體多種代謝過程。體內(nèi)鐵平衡是通過精細調(diào)節(jié)鐵的攝入和再利用來維持的。

1.1 鐵在體內(nèi)攝取過程

鐵在食物中主要以氧化態(tài)(Fe3+)存在。Fe3+在腸道中被鐵還原酶(如十二指腸細胞色素b還原酶 Dcytb)作用形成還原態(tài)(Fe2+)，并被二價金屬轉(zhuǎn)運蛋白1(DMT1)所攝取[3,4]。而血紅素鐵被腸細胞通過未知的機制吸收，并被血紅素加氧酶1(HO-1)作用形成還原態(tài)(Fe2+)。腸細胞所吸收的鐵最終被膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白(ferroportin，F(xiàn)PN)運輸，通過基底外側(cè)膜運輸?shù)窖貉h(huán)中[3]。被FPN運輸?shù)腇e2+通過與膜結(jié)合的多銅氧化酶蛋白(hephaestin,HEPH)在腸細胞的基底外側(cè)表面再氧化，然后加載到轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin,TF)上，轉(zhuǎn)鐵蛋白可在血漿中循環(huán)并將鐵轉(zhuǎn)運到外周組織[4]。飽和轉(zhuǎn)鐵蛋白通過與細胞表面上的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor 1,TFR1)結(jié)合形成TFR1 / TF-(Fe3+)2復合物而將鐵胞吞進入細胞，細胞內(nèi)鐵一部分作為活性物質(zhì)參與生理代謝，另一部分存儲于鐵蛋白中。

1.2 鐵代謝調(diào)節(jié)

在血清鐵的調(diào)控網(wǎng)絡中，鐵調(diào)素(hepcidin)負性調(diào)節(jié)機制占優(yōu)勢，鐵調(diào)素是在肝臟合成的肽類激素，當儲存鐵增加時，肝臟即補充生成鐵調(diào)素降低血清鐵的水平。這一調(diào)節(jié)機制中的一個重要分子便是細胞膜表面的FPN，鐵調(diào)素通過與FPN結(jié)合使其泵鐵的能力減弱，從而其抑制腸黏膜細胞和巨噬細胞等將鐵釋放到血漿，進而降低血清鐵濃度。

在細胞內(nèi)鐵的調(diào)控網(wǎng)絡中，鐵反應蛋白( iron response protein, IRP1和IRP2)是重要的調(diào)控蛋白，它們主要影響的是轉(zhuǎn)鐵蛋白受體及鐵蛋白的表達數(shù)量[5]。鐵反應元件( iron re-sponse element, IRE)是一段特別的mRNA序列，具二級結(jié)構(gòu)可影響蛋白的翻譯，IRP與 TfR1 mRNA 上的3′端 IRE 結(jié)合后，可穩(wěn)定這段mRNA，使其翻譯出更多的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體。但是在細胞內(nèi)鐵充足時，過量的胞質(zhì)鐵使IRP不穩(wěn)定，阻止它們與IRE結(jié)合，TfR1mRNA在細胞內(nèi)降解加快，進而減少鐵轉(zhuǎn)移至細胞內(nèi)[3,4]，維持一個適宜的細胞內(nèi)環(huán)境。

2 鐵代謝與癌癥

隨著對正常鐵代謝機制的闡明，鐵與癌癥之間的關(guān)系在分子層面上越發(fā)清晰。癌細胞在鐵代謝上的改變主要有以下幾個方面：

2.1 鐵吸收、儲存與癌癥的關(guān)系

轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(TFR1)對鐵吸收調(diào)節(jié)至關(guān)重要，研究表明癌細胞的TFR1表達增加[6，7]。在乳腺癌[8]，腎細胞[9]，和非小細胞肺癌[10]中，過表達TFR1的腫瘤細胞對鐵的吸收速度加快，其相應患者預后也較差。同時TFR1也可受鐵反應蛋白(IRP)轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控，從而調(diào)控細胞內(nèi)鐵[11]。這些研究結(jié)果已經(jīng)應用于TFR1靶向治療，通過抗體直接靶向作用TFR1，或間接作用于結(jié)合TFR1的轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合物，實現(xiàn)腫瘤特異性藥物傳送[6， 7]。

在正常細胞中，鐵蛋白螯合鐵用于儲存，同時減少鐵介導產(chǎn)生的自由基。在癌細胞中，鐵蛋白對癌細胞同樣不可或缺，研究表明，用small hairpin RNA靶向干擾鐵蛋白的H和L亞單位可抑制腫瘤細胞的生長[12]。在乳腺癌的研究中我們了解到，癌基質(zhì)細胞中鐵蛋白高表達，進一步的分析表明，這種富含鐵蛋白的基質(zhì)細胞是滲入腫瘤的CD68+巨噬細胞[13]，這類巨噬細胞可以合成并局部分泌鐵蛋白。除了基質(zhì)細胞之外，與非膠質(zhì)母細胞瘤相比，膠質(zhì)母細胞瘤表達更多鐵蛋白[12]。

2.2 鐵外排與癌癥的關(guān)系

FPN在巨噬細胞、肝細胞、胚胎合體滋養(yǎng)層細胞和腸上皮的基底膜細胞表達豐富，由它介導并由鐵調(diào)素調(diào)節(jié)的鐵外排機制在腫瘤生長和轉(zhuǎn)移中起重要作用，許多癌癥患者出現(xiàn)FPN的調(diào)節(jié)紊亂。進一步研究表明，F(xiàn)PN下調(diào)促進乳腺癌生長，而FPN上調(diào)阻礙腫瘤生長[14]。與正常對照相比，F(xiàn)PN在乳腺癌，前列腺癌和肝細胞癌細胞中顯著減少[14，15]。在乳腺癌中，F(xiàn)PN減少與患者不良預后相關(guān)指標相關(guān),如雌激素受體缺乏，組織學高級別，淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移等[15]。在乳腺癌細胞中高表達FPN可抑制小鼠癌癥異種移植物的生長[15，16]。此外，乳腺癌細胞中FPN過表達不僅與肺和肝臟癌轉(zhuǎn)移率下降相關(guān)，而且FPN過表達的癌組織有著更低的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化標志物水平，如：Snail1，Twist1，ZEB2和vimentin[16]。

同時，F(xiàn)PN的表達在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后和翻譯后水平均受到調(diào)節(jié)。在巨噬細胞中,血紅素通過降解Bach1，導致FPN的轉(zhuǎn)錄去抑制作用，Bach1可與FPN啟動子序列中存在的抗氧化劑反應元件結(jié)合并抑制其轉(zhuǎn)錄[17]。影響FPN轉(zhuǎn)錄的另一個因素是缺氧，在腸上皮細胞中缺氧誘導因子的活化可以上調(diào)FPN的表達[18]。在前列腺癌中，Nrf2通過上調(diào)FPN抑制前列腺癌細胞活力、有絲分裂和轉(zhuǎn)移[19]。在轉(zhuǎn)錄后，F(xiàn)PN可受鐵反應蛋白(IRP)精細地調(diào)控。大多數(shù)細胞類型主要表達FPN亞型1amRNA，這種亞型含有5'IRE。在鐵缺乏條件下，IRP結(jié)合5'IRE，阻遏FPN翻譯并降低細胞膜上FPN的表達[20]。FPN也被鐵調(diào)素翻譯后調(diào)節(jié)，其與FPN結(jié)合導致FPN退化和溶酶體中的蛋白水解[21]。在癌細胞中FPN表達降低的機制尚不完全清楚。據(jù)報道，F(xiàn)PN基因(SLC40A1)的異常DNA甲基化有助于乳腺腫瘤中FPN的下調(diào)[14]。

2.3 癌癥中的鐵轉(zhuǎn)運蛋白-鐵調(diào)素軸(hepcidin-ferroportin)

鐵調(diào)素(Hepcidin)抑制腸粘膜細胞和巨噬細胞釋放鐵入血清，維持鐵鐵代謝的穩(wěn)定。許多類型癌癥患者的血清鐵調(diào)素水平升高。鐵調(diào)素在前列腺癌細胞中高表達，并通過增加細胞內(nèi)鐵來調(diào)節(jié)細胞增殖，遷移和凋亡[22]。鐵調(diào)素受多種信號通路的調(diào)控，其中骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)和白細胞介素-6(IL-6)炎癥通路發(fā)揮重要作用。BMP，IL-6都有助于增強前列腺癌中鐵調(diào)素的合成增加[23]。高血漿鐵調(diào)素阻斷鐵從腸上皮細胞和巨噬細胞(促成癌癥中的貧血)的循環(huán)，并且還可以通過降解FPN導致腫瘤細胞中鐵的蓄積，從而導致信號通路的激活，例如 Wnt[24]和NF-κB[25]信號通路，它們有助于腫瘤進展。除肝臟合成的鐵調(diào)素外，癌細胞也合成鐵調(diào)素。例如乳腺癌、結(jié)直腸癌和前列腺癌細胞合成的鐵調(diào)素含量比非惡性腫瘤細胞高[15，22，23]。由癌細胞產(chǎn)生的鐵調(diào)素啟動局部自分泌信號傳導，以降解膜FPN，從而導致細胞內(nèi)高鐵[15， 23]。同時腫瘤中高鐵調(diào)素表達與腫瘤的轉(zhuǎn)移進展和不良預后有關(guān)[15]。因此，鐵調(diào)素在癌癥中的失調(diào)導致細胞內(nèi)鐵平衡改變，其促癌性質(zhì)可能是由于其能夠通過啟動FPN的退化和降解，增加了腫瘤細胞中的細胞內(nèi)鐵含量而實現(xiàn)的。

2.4 鐵死亡(Ferroptosis)與癌癥的關(guān)系

2012年Dixon 等[26]人研究erastin 殺死含有致癌基因RAS突變的腫瘤細胞的作用機制時，首次發(fā)現(xiàn)并報道了這一新型細胞死亡方式——鐵死亡(ferroptosis)，這是一種依賴于脂質(zhì)過氧化反應驅(qū)動的非凋亡性細胞死亡方式,其特征是細胞死亡過程中伴隨著大量的鐵離子累積和脂質(zhì)過氧化?，F(xiàn)研究證明可通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)鐵的含量從而改變細胞對鐵死亡的敏感性，通過增加轉(zhuǎn)鐵蛋白和TFR1可增加細胞內(nèi)鐵從而促進鐵死亡[26]。熱休克蛋白B1( heat shock protein B1，HSPB1) 通過抑制TFR1的表達而降低細胞內(nèi)鐵離子濃度，因此過表達的HSPB1會抑制鐵死亡[27]。在體內(nèi)，當敲低HSPB1 mRNA的表達時，可增強了鐵離子誘導(erastin)的抗腫瘤活性[27]。

2.5 MiRNAs與癌癥的關(guān)系

最近還發(fā)現(xiàn)了一些新的調(diào)節(jié)機制，這些調(diào)節(jié)機制可能導致特異性的鐵代謝改變。微小RNA(miRNA)是參與基因轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控的非編碼小分子RNA。Sangokoya等[28]人通過添加外源性鐵或去鐵胺螯合鐵后，檢測調(diào)節(jié)FPN的miRNA表達差異，鑒定出44種差異表達的miRNA。并預測其中兩種miRNA(miR-485-3p和miR-194)的靶點是FPN基因。在缺鐵細胞系中，miR-485-3p被大量誘導出來的，并介導的FPN依賴性鐵流出減少。現(xiàn)多個研究證明miR-152[29]、miR-320[30]、miR-31和miR-194[31]均可以通過作用FPN，從而調(diào)控細胞內(nèi)鐵代謝。因此，確定miRNA是否在癌細胞中上調(diào)，以及是否有助于腫瘤中減少FPN的表達將是具有重要臨床意義的。

除了控制鐵的流出外，miRNAs還可調(diào)控鐵攝入的相關(guān)蛋白。TFR1被證明是miRNA-210的直接靶點，過表達miRNA-210抑制TFR1，降低轉(zhuǎn)鐵蛋白對鐵的吸收和增殖[32]。利用TCGA數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)TFR1與miRNA-152之間呈負相關(guān)，與非腫瘤肝組織相比，人肝癌組織中的RNA-152水平降低，TFR1過表達[29]。FTH在侵襲性較高的三陰性乳腺癌細胞系中上調(diào)，并證明了FTH與miR-200b負相關(guān)，表明FTH是miR-200b的直接靶點。因為miR-200b靶向鐵蛋白重鏈(FTH)，所以miRNA也可控制鐵儲存蛋白的表達[33]。

2.6 表觀遺傳學與癌癥相關(guān)研究

表觀遺傳學是研究除不涉及DNA序列變化外，其他機制引起的細胞表型和基因表達的可遺傳的改變，主要在基因轉(zhuǎn)錄層面調(diào)控基因表達。在癌細胞中已經(jīng)報道了與鐵代謝相關(guān)表觀遺傳學改變。在近端啟動子的CpG島處觀察到DNA甲基化是基因沉默的表觀遺傳機制。一項研究表明在乳腺癌中FPN基因啟動子處的CpG島甲基化，導致癌細胞中FPN表達降低[14]。鐵調(diào)素是FPN的負調(diào)控因子，也受啟動子甲基化控制，是通過甲基化鐵調(diào)素調(diào)節(jié)因子間接調(diào)節(jié)的[23]。SOSTDC1是鐵調(diào)素的負調(diào)節(jié)因子，前列腺癌中通過啟動子甲基化所沉默[23]。SOSTDC1沉默增加了鐵調(diào)素的表達，減少了FPN，增加了前列腺腫瘤細胞中的細胞內(nèi)鐵。組蛋白的乙?；强刂苹虮磉_的另一種表觀遺傳機制。通常，組蛋白乙?；癁榛虻幕钚赞D(zhuǎn)錄提供開放的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)來對轉(zhuǎn)錄激活[34]。惡性細胞經(jīng)常表現(xiàn)出組蛋白脫乙酰酶(HDAC)的上調(diào)，這種酶可以使組蛋白去乙?；?。促進封閉的染色體狀態(tài)，從而降低了腫瘤抑制基因的轉(zhuǎn)錄[34]。出于這個原因，HDAC抑制劑已經(jīng)有望成為的抗癌藥物。HDAC抑制劑通過抑制HDAC酶活性起作用，從而維持組蛋白乙?；⒔档完P(guān)鍵腫瘤抑制基因表達[34]。

3 展望

近幾年來，我們深入研究鐵在癌癥中的調(diào)控的機制。并且已經(jīng)開始努力應用于治療中。目前認為調(diào)控鐵外排、鐵轉(zhuǎn)運蛋白-鐵調(diào)素軸、鐵死亡是控制癌癥的主要節(jié)點，從這些方面進行抗腫瘤藥物的研發(fā)。表觀遺傳學和miRNA介導的途徑在腫瘤與鐵代謝的關(guān)系正在研究中，可能為腫瘤的治療提供新的方法。

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