腦鐵代謝相關(guān)蛋白與阿爾茨海默病

馬冬雪 賀小平 胡鐵良 董賢慧

(1承德醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室，河北 承德 067000；2河北中醫(yī)學(xué)院 河北省心腦血管病中醫(yī)藥防治研究重點實驗室；3天津市職業(yè)病防治院 天津市工人醫(yī)院泌尿外科)

阿爾茨海默病(AD)是老年人常見的一種神經(jīng)退行性疾病，以進行性認知、學(xué)習(xí)和記憶功能障礙為主要臨床表現(xiàn)。如今，老齡化進程日益加劇，AD發(fā)病率呈逐年上升的趨勢。AD已成為僅次于心腦血管疾病和惡性腫瘤的重要致死性疾病。AD的特征性病理改變主要是腦內(nèi)神經(jīng)細胞外β-淀粉樣蛋白(Aβ)沉積形成老年斑、細胞內(nèi)神經(jīng)原纖維纏結(jié)(NFTs)和膽堿能神經(jīng)元丟失。Aβ是β淀粉樣蛋白前體蛋白(APP)的異常剪接產(chǎn)物，由β和γ分泌酶裂解。神經(jīng)元tau蛋白過度磷酸化導(dǎo)致NFTs的形成。研究表明，影響腦內(nèi)鐵含量增高的因素包括腦內(nèi)鐵代謝調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白(IREG)的表達失控、氧化反應(yīng)及炎癥反應(yīng)以及外周鐵代謝失衡和臟腑功能衰退有關(guān)。AD患者腦內(nèi)多種鐵代謝相關(guān)蛋白的紊亂會使腦內(nèi)鐵沉積，促進自由基生成〔1〕，使腦組織氧化應(yīng)激損傷進一步變的嚴重。本文將詳細講述以下幾種鐵代謝相關(guān)蛋白。

1 二價金屬離子轉(zhuǎn)運體(DMT)1

DMT1也稱二價陽離子轉(zhuǎn)運載體1，屬于可溶性載體家族成員。是一種跨膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白，位于細胞膜上。以運輸二價鐵離子為主。DMT1分子量61 456 kD，其等電點為6.02，有12個跨膜結(jié)構(gòu)域。DMT1在十二指腸和腎中含量最為豐富。DMT1具有高度的疏水性，它的氨基端和羧基端都在胞質(zhì)內(nèi)。轉(zhuǎn)鐵蛋白(Tf)和Tf受體(TfR)途徑是細胞攝取鐵的重要方式。Tf釋放三價鐵并將其變?yōu)槎r鐵，DMT1上的內(nèi)吞小體可以使二價的鐵離子轉(zhuǎn)移到細胞內(nèi)〔2〕。DMT1 mRNA有兩種形式，一種3′端有鐵反應(yīng)元件(IRE)，而另一種沒有。另外，DMT1還可以轉(zhuǎn)運其他的金屬離子，如Mn2+，F(xiàn)e2+，Pb2+，Ni2+，Zn2+〔3〕。DMT1和IRE對鐵變化敏感，當(dāng)機體內(nèi)缺鐵時，鐵調(diào)節(jié)蛋白(IRP)與DMT1 mRNA相結(jié)合，使腦內(nèi)DMT1表達增加，鐵攝取增強;體內(nèi)高鐵時IRP與DMT1 mRNA二者分離，使腦內(nèi)DMT1表達減少，鐵攝取降低；病理顯示，APP/PS1雙轉(zhuǎn)基因小鼠小腦內(nèi)老年斑內(nèi)有大量的DMT1表達，并且AD患者腦內(nèi)的DMT1也明顯增加。腦內(nèi)不同區(qū)域?qū)﹁F的敏感性不同，DMT1的表達也不一樣。DMT1與小腦內(nèi)老年斑的形成密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，藥物通過減少DMT1的表達，抑制鐵的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運，增加膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白(FPN)1表達〔4〕，促進胞內(nèi)鐵的外排，調(diào)節(jié)鐵代謝，起到神經(jīng)元的保護作用〔5〕。

2 FPN1

FPN1又稱金屬轉(zhuǎn)運蛋白(MTP)1或鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運體(IREG)1，是目前在脊椎動物中發(fā)現(xiàn)的唯一能夠?qū)⒓毎麅?nèi)鐵排出到細胞外的膜蛋白〔4〕。由571個氨基酸組成，與DMT1具有高度同源性，F(xiàn)PN1基因位于2號染色體上，長度為20 kb，含有8個外顯子。其mRNA的5′末端非翻譯區(qū)包含與IRP結(jié)合的IRE。FPN1是鐵調(diào)素(hepcidin)的受體，與hepcidin結(jié)合，可將十二指腸細胞內(nèi)的鐵轉(zhuǎn)運入血液循環(huán)中，從而維持機體的鐵穩(wěn)態(tài)。FPN1在腦組織中表達，提示它在鐵轉(zhuǎn)運中起重要作用，缺氧可增加機體鐵的吸收，F(xiàn)PN1在細胞內(nèi)鐵向血液的出口中起到必要的作用〔6〕，其變化會導(dǎo)致鐵超載或鐵缺乏。因此，F(xiàn)PN1的調(diào)節(jié)是維持鐵穩(wěn)態(tài)的重要因素〔7〕。在血腦屏障中，F(xiàn)PN1在內(nèi)皮細胞基底膜上起鐵轉(zhuǎn)運蛋白的作用，參與鐵血腦屏障的轉(zhuǎn)運。然而突觸小泡中FPN1的作用，目前尚不清楚，它可能起到抵抗鐵毒性的作用〔8〕。FPN1廣泛分布于腦內(nèi)，這對血腦屏障鐵轉(zhuǎn)運和血鐵釋放至關(guān)重要。FPN1的表達受到hepcidin、缺鐵、缺氧、過渡金屬等因素的影響〔9〕，其中hepcidin調(diào)控最重要，但調(diào)控機制仍然不是很清楚。Hepcidin對FPN1表達起調(diào)控作用〔10〕，但是腦鐵代謝的調(diào)節(jié)機制極其復(fù)雜，hepcidin與FPN1之間的關(guān)系仍需進一步的科學(xué)研究〔11〕。

3 膜鐵轉(zhuǎn)運輔助蛋白(HEPH)

HEPH由20個外顯子構(gòu)成，分子量約為130 kD的跨膜蛋白〔12〕。在皮質(zhì)、紋狀體、海馬、黑質(zhì)、腦干中均有表達，在鐵代謝中起重要作用。HEPH主要在腸道中表達，最近在胎盤，心臟，腦和胰腺中也發(fā)現(xiàn)了這種蛋白質(zhì)〔13〕，而在心臟，腦和胰腺中，HEPH的鐵氧化酶活性可以保護這些組織免受Fe2+的毒性。HEPH屬于鐵轉(zhuǎn)運相關(guān)蛋白。HEPH是含銅的亞鐵氧化酶，亞鐵氧化酶可將二價鐵氧化成三價鐵，并通過膜鐵轉(zhuǎn)運蛋白調(diào)節(jié)鐵釋放〔14〕，參與鐵從腸上皮細胞釋放到血液循環(huán)的過程，減輕鐵過載引起的氧化損傷〔15〕。在蛋白質(zhì)和核苷酸水平上，HEPH在小鼠，大鼠和人類中的相同性超過80%。完整的人HEPH cDNA編碼具有推定的N-末端信號肽的1 185個氨基酸的多肽。HEPH與銅藍蛋白(Cp)50%相同，HEPH在C末端含有額外的86個氨基酸。該片段包括單個預(yù)測的跨膜結(jié)構(gòu)域和短的胞質(zhì)尾部，表明HEPH是具有大的Cp胞外域的膜結(jié)合蛋白。HEPH胞外域的比較結(jié)構(gòu)模型基于Cp的已知晶體結(jié)構(gòu)。HEPH具有與Cp相似的鐵氧化酶活性。與參與鐵穩(wěn)態(tài)的大多數(shù)蛋白質(zhì)相反，HEPH表達不受鐵反應(yīng)元件和IRE結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)。影響腸中HEPH表達水平的已知因素包括鐵和銅水平。通常，在鐵缺乏條件下，HEPH mRNA水平增加。銅似乎不僅對于HEPH合成和鐵氧化酶功能是關(guān)鍵的，而且對于HEPH穩(wěn)定性也是如此。在銅耗盡的細胞中，HEPH蛋白不會成熟為穩(wěn)定的160 kD形式。研究表明，Cp和HEPH在細胞鐵代謝和體內(nèi)平衡中起重要作用。目前的研究結(jié)果表明，HEPH和Cp消失可導(dǎo)致嚴重的全身性鐵缺乏和局部組織鐵超負荷，從而破壞全身鐵穩(wěn)態(tài)和組織功能受損〔16〕。

4 Cp

Cp為一種多銅鐵氧化酶(MCF)，是鐵轉(zhuǎn)運中的關(guān)鍵酶。位于8號染色體上，基因定位于3q23～q25，基因長度65 kb，有19個外顯子。小腸吸收Fe2+，然后以Fe3+的形式儲存。鐵釋放蛋白將Fe3+還原為Fe2+;血漿中的Cp具有亞鐵氧化酶活性可將Fe2+氧化成能與鐵轉(zhuǎn)運蛋白(Fpn)結(jié)合的Fe3+，F(xiàn)e3+結(jié)合Fpn后被轉(zhuǎn)運至靶細胞，經(jīng)內(nèi)吞后進行代謝或貯存。Cp在鐵轉(zhuǎn)運過程中是必不可少的，Cp減少則中樞神經(jīng)系統(tǒng)出現(xiàn)鐵的沉積，還會影響鐵代謝。是體內(nèi)急性時相反應(yīng)蛋白，是一種含銅的α2糖蛋白，存在于大多數(shù)的脊椎動物血清中。Cp可以運輸銅離子，在調(diào)控鐵離子平衡、鐵離子轉(zhuǎn)運、促進血管生長和抗金屬抗氧化酶活性等方面也發(fā)揮著重要作用。Cp由肝臟產(chǎn)生，其抗金屬抗氧化酶活性可使神經(jīng)元受損時神經(jīng)遞質(zhì)的合成也受影響。當(dāng)Cp功能合成紊亂時，導(dǎo)致體內(nèi)銅的蓄積，AD患者血清中Cp的變化與AD患者的癡呆程度是緊密相連的。癡呆程度越重，AD患者血清中Cp就越少，血銅水平越高?？寡趸饔靡簿碗S之降低，并使組織加重受損和機體功能發(fā)生障礙。過度的氧化應(yīng)激損傷了中樞神經(jīng)，引起認知功能繼續(xù)低下〔17〕。癡呆程度越輕，AD患者血清中Cp就越多，血銅水平越低。大多數(shù)癡呆患者都有精神行為的癥狀，表明隨著癡呆的程度的加重，精神行為癥狀也開始逐漸加重，當(dāng)重度癡呆時，AD患者的神經(jīng)功能明顯發(fā)生退化〔18〕。研究發(fā)現(xiàn)先天性CP缺陷患者和Cp基因敲除小鼠在多種組織中積聚鐵，尤其是巨噬細胞和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，但血漿鐵水平降低〔19〕。Cp缺乏時與非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合的鐵離子會轉(zhuǎn)移到神經(jīng)元或其余的中樞神經(jīng)組織細胞，引起鐵超載，進一步導(dǎo)致中樞神經(jīng)元的氧化應(yīng)激。

5 血幼素(HJV)

HJV是一種在2004年發(fā)現(xiàn)的鐵代謝調(diào)節(jié)物質(zhì)。該基因為4 265 bp，由4個外顯子和3個內(nèi)含子組成。有426個氨基酸殘基。根據(jù)結(jié)合類型，HJV可分為可溶性血幼素(sHJV)和膜型血幼素(mHJV)。HJV在體內(nèi)有兩種來源：骨骼肌是sHJV的主要來源；肝臟是mHJV的主要來源〔20〕。mHJV可以檢測鐵的攝入和傳遞信號來調(diào)節(jié)hepcidin。HJV的生理作用尚不清楚，它通過調(diào)節(jié)hepcidin調(diào)節(jié)鐵代謝。可溶性HJV可能是hepcidin合成的負性調(diào)節(jié)因子。在體內(nèi)，mHJV與骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)結(jié)合來促進hepcidin表達。BMP-6在調(diào)節(jié)hepcidin的表達中起重要作用，在此過程中，mHJV作為BMP-6的共同受體，加速BMPⅠ型受體的磷酸化，間接促進鐵蛋白的表達。sHJV是HJV經(jīng)弗林蛋白酶處理后的產(chǎn)物，sHJV和mHJV可以與BMP-6競爭結(jié)合，sHJV降低了mHJV與BMP-6的結(jié)合，而sHJV抑制了hepcidin表達。BMP-6和mHJV的缺失進一步抑制hepcidin〔21〕。因此，低氧可抑制促進弗林蛋白酶的活性，增加sHJV的表達，抑制hepcidin表達〔22〕。

6 Hepcidin

Hepcidin基因位于人類染色體19q13上，其長度約為2.5 kb，由3個外顯子和3個內(nèi)含子組成。從尿液中分離出來，由25個氨基酸組成，在肝臟合成一種富含半胱氨酸的小肽。為一種抗微生物肽類激素，它是體內(nèi)調(diào)節(jié)鐵代謝并具有抗菌活性的內(nèi)源激素。hepcidin在機體和細胞中的表達水平受到多種因素的影響，包括炎癥、缺氧、紅細胞生成活性和鐵水平。腦內(nèi)的鐵沉積可增加自由基的產(chǎn)生并導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)hepcidin的表達，抑制鐵的外流〔23〕。研究發(fā)現(xiàn)，AD中鐵過度的蓄積使hepcidin的表達異常增高〔24〕。Hepcidin基因的突變可導(dǎo)致嚴重的鐵過載，在鐵過載時，通過增加鐵蛋白分泌水平，合成限制鐵的攝取〔25〕。腦內(nèi)鐵代謝紊亂，細胞內(nèi)鐵含量的增多是AD的發(fā)病機制之一。Hepcidin被認為是調(diào)節(jié)人體鐵平衡的“核心因子”〔26〕。

Hepcidin主要作用于腸上皮細胞、巨噬細胞和FPN1〔27〕。當(dāng)體內(nèi)hepcidin較少時，hepcidin和FPN1解離，F(xiàn)PN1可以通過各種途徑吸收鐵進入體內(nèi)，并促進鐵的水平。當(dāng)hepcidin較多時，hepcidin與FPN1結(jié)合。后誘導(dǎo)FPN1導(dǎo)致其功能消退，使細胞內(nèi)鐵離子釋放減少，最終致使FPN1轉(zhuǎn)鐵功能急速降低，而使機體鐵含量下降〔28〕。當(dāng)缺鐵發(fā)生時，通過降低鐵蛋白合成增加鐵的攝取，從而使得機體鐵含量一直處于平衡穩(wěn)定的狀態(tài)。運動可通過影響肝臟炎癥和HJV表達，進而影響hepcidin水平來誘導(dǎo)鐵調(diào)素表達〔29〕。炎癥反應(yīng)釋放的白細胞介素(IL)-6在hepcidin的分泌中也起重要作用。IL-6通過與受體結(jié)合而激活JAK12，從而磷酸化信號傳導(dǎo)蛋白和轉(zhuǎn)錄激活物(STAT)3。大量磷酸化的STAT3進入細胞核，與hepcidin基因啟動子中的相應(yīng)結(jié)合位點結(jié)合，從而促進hepcidin基因的表達。抑制細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)蛋白(SMAD)4在肝臟中的活性，會影響IL-6在hepcidin上的上調(diào)。近年來的研究證實，hepcidin基因啟動子BMP應(yīng)答元件的變化將嚴重影響鐵蛋白對IL-6的應(yīng)答。BMP/SMAD通路磷酸化的抑制將阻礙鐵蛋白對IL-6的誘導(dǎo)，表明完整的BMP/SMAD信號通路是hepcidin對炎癥的正常反應(yīng)所必需的。新的研究結(jié)果揭示了BMP2在hepcidin和鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵。這些結(jié)果可能為鐵病的病理生理學(xué)提供新的見解，并可能有助于開發(fā)新的更有針對性的療法〔30〕。

7 線粒體鐵蛋白(MtFt)

MtFt是一種新型的鐵蛋白類型，特異性地位于線粒體中，是由染色體5q23.1上的無內(nèi)含子基因編碼的新型H型鐵蛋白。MtFt與具有氧化鐵酶活性的H-鐵蛋白具有高的同源性，這有助于鐵在MtFt的殼結(jié)構(gòu)中的儲存〔31〕。該蛋白質(zhì)被合成為約30 kDa的前體，其通過60個氨基酸的前導(dǎo)序列靶向線粒體。該前導(dǎo)序列在線粒體內(nèi)被蛋白水解除去，得到的22 kDa亞基形成典型的鐵蛋白殼。這些殼具有鐵氧化酶活性，這有助于鐵在MtFt的殼結(jié)構(gòu)中的儲存。MtFt可以將有毒的二價鐵轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒的三價鐵，還可截獲部分鐵，在保護線粒體免受鐵依賴性氧化損傷中發(fā)揮作用〔32，33〕。MtFt具有非常有限的組織表達。在睪丸中發(fā)現(xiàn)大量的MtFt但在鐵儲存器官中僅發(fā)現(xiàn)非常低的水平。此外，MtFt水平的增加導(dǎo)致鐵從細胞質(zhì)重新分布到線粒體，并且鐵螯合作用增強了這種作用。因此，高水平的MtFt導(dǎo)致細胞溶質(zhì)中的鐵缺乏表型，鐵蛋白表達降低和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體表達增加。目前的研究結(jié)果表明MtFt在神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制中具有重要作用。MtFt在AD中的表達增加〔34〕，可能與其對鐵過載和氧化應(yīng)激的神經(jīng)保護作用有關(guān)。關(guān)于調(diào)節(jié)MtFt表達的詳細機制以及MtFt在與鐵代謝異常相關(guān)的神經(jīng)障礙中起作用的進一步研究是將來需要探索的重要主題。MtFt可使線粒體中的鐵水平升高，但降低了細胞內(nèi)不穩(wěn)定鐵池中的鐵水平〔35〕。然而，MtFt的mRNA序列不含鐵調(diào)節(jié)的原始序列，這與其他鐵蛋白不同，因此其表達不受鐵調(diào)節(jié)〔36〕。最近的研究表明MtFt可能具有調(diào)節(jié)線體穩(wěn)態(tài)，保護線粒體免受應(yīng)激損傷。能夠改善Aβ所致的炎癥反應(yīng)，對細胞具有一定保護作用〔37〕。它有助于抵抗細胞的早期凋亡。其主要表達在高能量的細胞中，神經(jīng)元是其中之一。研究證明MtFt通過調(diào)節(jié)鐵代謝的穩(wěn)態(tài)來實現(xiàn)在神經(jīng)元細胞中對過氧化氫(H2O2)誘導(dǎo)的氧化損傷具有保護作用，由于鐵穩(wěn)態(tài)失調(diào)及氧化應(yīng)激發(fā)病都參與了AD的，因此調(diào)節(jié)MtFt表達可預(yù)防或治愈AD〔38〕。

當(dāng)今社會人口老齡化非常嚴重，以AD為代表的神經(jīng)退行性疾病顯然已成為全世界范圍內(nèi)對老年人健康的最大威脅之一。因此，明確AD的發(fā)病機制，制定有效的防治策略成為亟待解決的重要課題。鐵是具有氧化特性的過渡金屬，與AD的病理機制有關(guān)，雖然許多研究表明鐵參與氧化應(yīng)激和蛋白質(zhì)變性，但鐵在神經(jīng)變性疾病的發(fā)病機制和進展中的作用尚未見報道。這一領(lǐng)域的研究進展將為神經(jīng)退行性疾病的治療提供新的途徑。