FHC基因的結(jié)構(gòu)與功能及其表達(dá)調(diào)控的研究進(jìn)展

汪 陽(yáng)，王大會(huì)，張子敬，賀 花，徐嘉威，王二耀，雷初朝，陳 宏，黃永震*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，貴州銅仁 554300；3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，河南鄭州 450000；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

鐵是機(jī)體所必需的微量元素，參與許多重要的代謝途徑，與動(dòng)物體的免疫機(jī)制有著密切聯(lián)系。鐵蛋白是機(jī)體內(nèi)儲(chǔ)存鐵形式之一，在哺乳動(dòng)物中主要分布于肝臟和脾臟[1]，并且在鐵代謝中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但鐵過量會(huì)引起細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。高等真核生物鐵蛋白由重鏈和輕鏈2 種亞基構(gòu)成，分子結(jié)構(gòu)具有高度對(duì)稱性。其中重鏈又稱鐵蛋白重鏈1（Ferritin Heavy Chain 1，F(xiàn)HC），具有亞鐵離子的氧化位點(diǎn)，通過氧化還原反應(yīng)將生成三價(jià)鐵復(fù)合物，極大地加快鐵的存儲(chǔ)速度。Ahmad 等[2]研究表明，在心臟、脾臟和肝臟等器官中，F(xiàn)HC 在細(xì)胞核中的表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于細(xì)胞質(zhì)，而鐵蛋白輕鏈（Ferritin Light Chain，F(xiàn)LC）則相反。近年來的研究表明，F(xiàn)HC 在氧化應(yīng)激、豬藍(lán)耳病和癌癥等方面具有重要的研究?jī)r(jià)值。本文闡述了鐵蛋白的分子結(jié)構(gòu)、FHC 基因的表達(dá)調(diào)控與生物學(xué)功能，為今后的研究提供參考。

1 鐵蛋白的結(jié)構(gòu)

鐵蛋白的相對(duì)分子質(zhì)量為473 ku，呈球形，外徑12～13 nm，由蛋白殼和中心的鐵核構(gòu)成。其中，蛋白殼有24 個(gè)亞基，脊椎動(dòng)物的亞基分為FHC 和FLC 兩類，排列方式高度對(duì)稱。2 種亞基分別由2 個(gè)基因編碼，具有不同的功能。FLC 是形成鐵蛋白內(nèi)腔的主要結(jié)構(gòu)，F(xiàn)HC 具有亞鐵離子的氧化位點(diǎn)，可以將Fe2+氧化為Fe3+，并將其儲(chǔ)存在鐵核中。鐵核由氫氧化鐵分子和磷酸鹽分子組成，其中鐵原子的累積量可達(dá)4 500 個(gè)[3]。

2 FHC 基因的結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控

FHC 基因在人類、黑猩猩、恒河猴、狗和斑馬魚等中具有同源性，并且高度保守。人類的FHC 基因位于11 號(hào)染色體q12.3，全長(zhǎng)3 376 bp，具有4 個(gè)外顯子，其編碼的蛋白具有183 個(gè)氨基酸殘基。FHC 基因具有21個(gè)偽基因。目前已經(jīng)觀察到了數(shù)個(gè)選擇性剪接的轉(zhuǎn)錄變異，但它們的生物學(xué)有效性尚未確定。牛的FHC 基因位于29 號(hào)染色體，具有4 個(gè)外顯子，全長(zhǎng)2 665 bp，其編碼的FHC 由181 個(gè)氨基酸構(gòu)成。劉然[3]研究發(fā)現(xiàn)，在鴨的FHC 基因5'側(cè)翼序列含有1 個(gè)CpG 島，轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近存在Sp-1 等多個(gè)反式作用元件，并且這些反式作用元件位于CG 二核苷酸位點(diǎn)上。

FHC 是鐵的緩沖劑[4]，在含鐵量較高的組織器官中FHC 含量較高，如肝臟、脾臟和骨髓等。鐵蛋白的表達(dá)調(diào)控在轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平上進(jìn)行。FHC 轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游存在抗氧化劑應(yīng)答原件（Antioxidant Response Element，ARE），活性氧與ARE 結(jié)合能夠促進(jìn)FHC 轉(zhuǎn)錄[5]。鐵蛋白mRNA 的5′端非翻譯區(qū)有1 個(gè)呈柄-環(huán)結(jié)構(gòu)的鐵反應(yīng)元件（IRE）[6]。細(xì)胞質(zhì)有2個(gè)鐵調(diào)節(jié)蛋白（IRP），分別是IRP1 和IRP2。在缺鐵條件下，IRPs 通過與非翻譯區(qū)域內(nèi)的IRE 結(jié)合阻止核糖體組裝，進(jìn)而抑制鐵蛋白mRNA 的翻譯。當(dāng)鐵離子濃度較高時(shí)，IRP 和IRE 結(jié)合減少，鐵蛋白的翻譯速度加快，以儲(chǔ)存過量的鐵。而在鐵過量的細(xì)胞中，IRP1組裝了一個(gè)立方鐵硫簇，阻止了IRE 的結(jié)合，IRP2 經(jīng)蛋白酶體降解[7]。IRP1 和IRP2 對(duì)與鐵無(wú)關(guān)的信號(hào)也會(huì)有不同反應(yīng)。當(dāng) NO 含量增加時(shí)，IRP 含量增加并與IRE 結(jié)合，降低鐵蛋白的合成速度[8]。H2O2對(duì)鐵代謝的調(diào)節(jié)作用與IRP1 相關(guān)，過氧化氫可以將IRP1 迅速活化，并且整個(gè)反應(yīng)過程中不必一直存在[9]。此外，其他因素如第二信使、生長(zhǎng)因子、激素等也可以調(diào)節(jié)鐵蛋白的表達(dá)。

3 FHC 基因的主要功能

3.1 FHC 基因?qū)ρ趸瘧?yīng)激的調(diào)控作用 細(xì)胞中鐵含量過高會(huì)促進(jìn)活性氧簇（Reactive Oxygen Species，ROS）的生成，進(jìn)而觸發(fā)凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[10]。由于FHC 上具有Fe2+的氧化位點(diǎn)，可以螯合游離的Fe2+，減少Fe2+氧化對(duì)細(xì)胞的傷害，并且能夠利用芬頓反應(yīng)阻止自由基的產(chǎn)生[9]。You 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，線粒體鐵蛋白通過調(diào)節(jié)鐵代謝來降低細(xì)胞中ROS 含量，抑制氧化應(yīng)激，降低1- 甲基-4- 苯基-1，2，3，6- 四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）對(duì)小鼠神經(jīng)元細(xì)胞損傷的程度。Picard 等[12]通過對(duì)FHC 基因野生型和雜合型的小鼠進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)缺少1 個(gè)FHC 等位基因會(huì)增加光誘導(dǎo)視網(wǎng)膜變性的概率。由于光照會(huì)造成視網(wǎng)膜的氧化應(yīng)激，而FHC 具有抗氧化功能，因此提示FHC 具有保護(hù)視網(wǎng)膜的作用。另外，氧化應(yīng)激能在轉(zhuǎn)錄和翻譯水平促進(jìn)鐵蛋白的表達(dá)，減少氧化應(yīng)激對(duì)機(jī)體的損傷[5]。

3.2 FHC 基因在病毒性肝炎中的作用 病毒性肝炎是由多種肝炎病毒引起的以肝臟病變?yōu)橹鞯囊环N傳染病，檢測(cè)血清鐵蛋白濃度是臨床上診斷肝炎重要的參考依據(jù)。Lee 等[13]研究表明，豬感染戊型乙肝病毒后，肝臟中FHC 表達(dá)量顯著降低；童一宇[14]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)HC 在感染雛鴨肝炎（DHV-1）的鴨肝臟中的表達(dá)有同樣的趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)體感染肝炎病毒后，由于肝細(xì)胞變性、壞死，其中儲(chǔ)存的鐵大量釋放入血中[15]，導(dǎo)致肝臟中鐵蛋白濃度下降，血清鐵蛋白水平升高。

載脂蛋白apoB -100 引起的肝脂肪輸出是導(dǎo)致肝脂肪變性原因之一。而丙型肝炎病毒（Hepatitis C，HCV）感染與apoB-100 分泌失調(diào)和脂肪變性有著密切的聯(lián)系。Mancone 等[16]通過定量蛋白質(zhì)組學(xué)和計(jì)算生物學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)FHC 能夠抑制apoB-100 的分泌。隨后通過Western blot 驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示HCV的非結(jié)構(gòu)蛋白可以誘導(dǎo)FHC 上調(diào)，F(xiàn)HC 反過來可以抑制apoB-100 的分泌，通過蛋白酶體來增加apoB-100 在細(xì)胞內(nèi)的降解[16]。細(xì)胞內(nèi)FHC 基因通過siRNA 的下調(diào)可恢復(fù)apoB-100 的分泌，這為肝炎治療提供了新思路。3.3 FHC 基因在腫瘤中的表達(dá)和作用 目前研究表明，F(xiàn)HC 基因在乳腺癌、肺癌、腦癌等惡性腫瘤中的表達(dá)均與正常組織有很大差異。Liu 等[17]采用轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組結(jié)合的方法，在三陰性乳腺癌（Triple Negative Breast Cancer，TNBC）組織中發(fā)現(xiàn)了由細(xì)胞質(zhì)FHC 調(diào)控的免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，并通過TNBC T 淋巴細(xì)胞亞群組織的免疫染色進(jìn)一步證實(shí)了FHC 與TNBC 有效免疫應(yīng)答之間的聯(lián)系。細(xì)胞質(zhì)FHC 調(diào)節(jié)主要組織相容性復(fù)合體I（Major Histocompatibility ComplexI，MHC I）進(jìn)行抗原處理并表示路徑，隨后吸引CD8+ T 細(xì)胞識(shí)別腫瘤細(xì)胞，而細(xì)胞核FHC 有利于癌癥細(xì)胞的生存。所以，推測(cè)阻斷FHC 細(xì)胞質(zhì)- 核轉(zhuǎn)換可能會(huì)抑制腫瘤轉(zhuǎn)移，因此可能成為TNBC 的潛在治療靶點(diǎn)。Kudriavtseva 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，通過分析表達(dá)序列標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)，得到肺腫瘤中FHC 基因表達(dá)較正常組織減少。采用熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)FHC 基因?qū)?yīng)mRNA 的變化，在原發(fā)性鱗狀肺癌中發(fā)現(xiàn)FHC 基因表達(dá)顯著且頻繁的被抑制。FHC基因mRNA 的檢測(cè)可以作為肺癌早期診斷的標(biāo)記方法。Rosager 等[19]利用免疫熒光標(biāo)記法發(fā)現(xiàn)星形腫瘤細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞/ 巨噬細(xì)胞中FHC 的低水平表達(dá)與間變性星形細(xì)胞瘤存活率低有關(guān)，這表明未來星形細(xì)胞瘤的治療策略應(yīng)該考慮到鐵通量以及小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞。

綜上所述，雖然FHC 基因的表達(dá)在不同腫瘤中并不相同，但其表達(dá)量與腫瘤細(xì)胞的存活率相關(guān)聯(lián)，可以為癌癥的預(yù)防、治療和監(jiān)控提供新思路。

3.4 FHC 基因?qū)ι偻荒z質(zhì)細(xì)胞的作用 少突膠質(zhì)細(xì)胞異常會(huì)引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)脫髓鞘病變，甚至引發(fā)腦腫瘤。研究發(fā)現(xiàn)，少突膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育與鐵的利用密切相關(guān)[20]。缺鐵導(dǎo)致人和動(dòng)物的低額髓鞘化，其神經(jīng)后遺癥顯著。Hulet 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，少突膠質(zhì)祖細(xì)胞通過網(wǎng)格蛋白依賴性受體介導(dǎo)的包吞作用攝取細(xì)胞外的鐵蛋白。Todorich 等[20]研究表明，小膠質(zhì)細(xì)胞可以釋放對(duì)少突膠質(zhì)細(xì)胞有營(yíng)養(yǎng)作用的鐵蛋白，以滿足少突膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)鐵的需要。Li 等[22]分別在增殖和分化培養(yǎng)基中培養(yǎng)少突膠質(zhì)細(xì)胞，并利用Western blot 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞FHC 含量顯著升高，證明了鐵蛋白在少突膠質(zhì)細(xì)胞成熟過程中的重要性。

3.5 FHC 基因在豬藍(lán)耳病中的作用 豬藍(lán)耳病又稱豬繁殖與呼吸障礙綜合征，由豬繁殖與呼吸障礙綜合征病毒（Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome，PRRSV）引起，會(huì)導(dǎo)致母豬出現(xiàn)繁殖障礙，新生仔豬患有嚴(yán)重肺炎，并且常常繼發(fā)其他病原感染，是一種免疫抑制病。Yan 等[23]利用抑制差減雜交技術(shù)分析了感染和未感染高致病性豬藍(lán)耳病（HP-PRRSV）的豬肺泡巨噬細(xì)胞中差異表達(dá)的基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)感染HP-PRRSV 的細(xì)胞中FHC 基因下調(diào)，這表明FHC 可能參與了免疫應(yīng)答反應(yīng)，但其具體作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。豬藍(lán)耳病病毒具有抗體依賴增強(qiáng)作用，所以尚無(wú)有效的免疫防控措施。在深入研究FHC 的調(diào)控機(jī)制之后，將其作為分子標(biāo)記輔助育種，可以為豬藍(lán)耳病的防治提供新的途徑。

4 小結(jié)與展望

FHC 在各組織器官中廣泛存在，但其生物學(xué)功能在不同組織中呈現(xiàn)差異。在肝細(xì)胞中，肝炎病毒會(huì)引起FHC 基因高表達(dá)，進(jìn)而增加肝臟脂肪變性的幾率[16]；FHC 在視網(wǎng)膜中可以起到保護(hù)作用，減少光照對(duì)視網(wǎng)膜的損傷[12]。同時(shí)，F(xiàn)HC 在細(xì)胞的不同部位也會(huì)有不同的功能。在TNBC 細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，F(xiàn)HC 是免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，通過調(diào)控MHC I，吸引T 細(xì)胞從而殺滅癌細(xì)胞；而在細(xì)胞核中則有利于癌細(xì)胞的生存[17]。機(jī)體內(nèi)鐵過量會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激，鐵蛋白的儲(chǔ)鐵作用極大地減少了過量鐵的危害，而FHC 上的氧化活性位點(diǎn)為鐵蛋白的功能發(fā)揮提供了前提條件。在許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)鐵和鐵蛋白的含量過高，如阿爾茨海默氏癥、帕金森病、亨廷頓氏舞蹈癥[24]等，因此了解鐵調(diào)控的機(jī)制至關(guān)重要，可以利用其調(diào)控機(jī)制將疾病對(duì)機(jī)體的破壞降低到最小程度。此外，F(xiàn)HC基因在感染和未感染HP-PRRSV 的細(xì)胞中出現(xiàn)了差異性表達(dá)，這表明FHC 在免疫機(jī)制中的作用，為動(dòng)物的抗病育種提供了新的思路。

隨著研究的不斷深入，相信人們可以通過檢測(cè)FHC基因的表達(dá)水平來診斷和監(jiān)控癌癥，并利用FHC 在細(xì)胞中不同位置功能的差異來抑制癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。目前，許多高度培育的品種暴露出抗病性差的問題，每年動(dòng)物傳染病都會(huì)給畜牧業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過進(jìn)一步研究FHC 對(duì)免疫機(jī)制的影響，可以為癌癥的預(yù)防和監(jiān)控提供參考依據(jù)，同時(shí)將該基因作為分子標(biāo)記輔助選擇能夠?yàn)榕嘤鲂碌目共∑废档於ɑA(chǔ)。