線粒體鐵蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究進展

邵 哲，郭大闖，孫 榕，王 幟，胡佳豪，彭 浩，馮基高

（1.海南醫(yī)學(xué)院附屬海南醫(yī)院海南省人民醫(yī)院， 海南 ?？?570311；2.海南醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院， 海南 海口 570216）

線粒體鐵蛋白（mitochondrial ferritin， FtMt）是Levi 等于2001 年發(fā)現(xiàn)的，是由位于染色體5q23.1上一種無內(nèi)含子基因編碼的鐵蛋白，具有鐵氧化酶活性［1］。此外FtMt 還具有儲鐵、調(diào)節(jié)胞質(zhì)鐵平衡等的功能［2，3］。既往的研究表明在睪丸、心臟、脊髓、腎臟、胰島Langherans 細胞和平滑肌組織中都存在Ft-Mt，所有這些表達FtMt 的細胞都具有較高的代謝活性［4］。然而在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，F(xiàn)tMt 表達于整個大腦，表達水平隨區(qū)域而變化，并且區(qū)域分布與鐵在大腦不同區(qū)域的分布并不一致［5］。目前，越來越多的證據(jù)表明，F(xiàn)tMt 參與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展，本文主要對FtMt 在神經(jīng)疾病中的研究進展進行綜述。

1 FtMt 與神經(jīng)退行性疾病

1.1 FtMt 與阿爾茨海默病

阿爾茨海默?。ˋlzheimer′s disease， AD）是一種多發(fā)于老年人的神經(jīng)退行性疾病，表現(xiàn)為逐漸的記憶下降和執(zhí)行功能障礙，其發(fā)病率在不斷上升，影響了我國大約1 000 萬人［6］。其發(fā)病假說主要包括β-淀粉樣蛋白級聯(lián)假說、Tau 蛋白過度磷酸化假說以及膽堿能假說等，此外還與氧化應(yīng)激、神經(jīng)炎癥、細胞凋亡、線粒體及突觸功能障礙等反應(yīng)有關(guān)［7］。

研究發(fā)現(xiàn)AD 患者大腦皮層的FtMt 表達水平在mRNA 和蛋白質(zhì)水平上均顯著升高，并可能通過阻止細胞氧化應(yīng)激從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用［8］。FtMt可通過Erk/P38 激酶信號減弱Ab25-35 誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性和氧化損傷［9］。促炎細胞因子會增加FtMt 表達，F(xiàn)tMt 過表達增加了NF-κB 活性，促進p65 易位到HEK293 細胞的細胞核中，并減少了鐵介導(dǎo)的淀粉樣蛋白前體的表達，減少了NF-κB 依賴性分泌酶的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致淀粉樣蛋白前體的產(chǎn)生減少［10］。在神經(jīng)元應(yīng)激的情況下，例如β-淀粉樣蛋白25-35積累，F(xiàn)tMt 通過調(diào)節(jié)細胞鐵含量和分布來提供神經(jīng)保護，從而控制氧化應(yīng)激，防止細胞凋亡的激活。β-淀粉樣蛋白25-35 能改變細胞內(nèi)鐵的水平和分布，從而增加氧化應(yīng)激。這些表明神經(jīng)元細胞可通過P38 MAPK 通路開啟程序性死亡，導(dǎo)致神經(jīng)元細胞死亡，這一過程在FtMt 基因敲除小鼠中加劇，可導(dǎo)致記憶障礙惡化?？偟膩碚f，F(xiàn)tMt 可通過減少氧化應(yīng)激及調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞鐵含量，對AD 發(fā)揮保護作用。

1.2 FtMt 與帕金森病

帕金森?。╬arkinson's disease， PD）是第二大常見的神經(jīng)退行性病，好發(fā)于50 歲以上的中老年人，主要表現(xiàn)為運動障礙。發(fā)病機制與線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、毒性蛋白質(zhì)聚集等引起黑質(zhì)、紋狀體等部位的多巴胺能神經(jīng)元變性死亡有關(guān)［11］。

Tsubaki 等［12］研究發(fā)現(xiàn)， FtMt 免疫反應(yīng)主要發(fā)生在正常對照組和PD 患者黑質(zhì)致密部的多巴胺能神經(jīng)元。PD 患者多巴胺能神經(jīng)元外可見FtMt 陽性顆粒。定量結(jié)果顯示，PD 患者多巴胺能神經(jīng)元的FtMt 免疫反應(yīng)性明顯高于健康對照組。Shi 等［13］研究表明，F(xiàn)tMt 的過度表達導(dǎo)致神經(jīng)元細胞中的胞質(zhì)鐵缺乏，并顯著阻止了6-OHDA 誘導(dǎo)的鐵再分布的改變。重要的是，F(xiàn)tMt 能強烈抑制線粒體損傷，減少活性氧和脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)生，并通過調(diào)節(jié)Bcl-2、Bax 和caspase-3 通路挽救細胞凋亡，因此調(diào)節(jié)神經(jīng)元細胞中的FtMt 表達可為PD 提供一種新的神經(jīng)保護策略。HO-1 反應(yīng)具有雙刃劍效應(yīng)，過表達的HO-1 對星形膠質(zhì)細胞中的神經(jīng)毒素損傷具有細胞保護作用；然而，如FtMt 水平不足，這種HO-1 過度表達可能對神經(jīng)元有害。因此星形膠質(zhì)細胞對HO-1 的適當干預(yù)和FtMt 的適當調(diào)節(jié)可能為PD 治療提供新型神經(jīng)保護策略。

1.3 FtMt 與弗里德賴希共濟失調(diào)

弗里德賴希共濟失調(diào)是由于線粒體基質(zhì)蛋白frataxin 缺乏而引起的細胞損傷，是一種進行性共濟失調(diào)的遺傳性神經(jīng)退行性疾病，臨床癥狀表現(xiàn)為外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的退行性病變，并伴有肥大型心臟病和糖尿?。?4］。

Campanella 等［15］研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)tMt 可降低細胞內(nèi)活性氧（ROS）水平，提高細胞內(nèi)ATP 水平和線粒體Fe-S 酶活性，對細胞存活率有積極影響。此外，F(xiàn)tMt 表達減少了胞質(zhì)和線粒體不穩(wěn)定鐵池的數(shù)量。此外，F(xiàn)tMt 在弗里德賴希共濟失調(diào)患者成纖維細胞中的表達阻止了ROS 的形成，并部分挽救了由frataxin 缺乏引起的線粒體Fe-S 酶活性受損。這表明，F(xiàn)tMt 能通過調(diào)節(jié)線粒體鐵利用率來控制ROS的形成，提示FtMt 在以鐵穩(wěn)態(tài)和呼吸缺陷為特征的細胞中具有保護作用。

1.4 FtMt 與進行性核上性麻痹

進行性核上性麻痹（progressivesupranuclearpalsy， PSP）是一種少見的神經(jīng)退行性疾病，主要以帕金森綜合征、下視麻痹、假性球麻痹、認知障礙和對左旋多巴反應(yīng)差為臨床特征［16］。

Abu 等［17，18］研究表明，與PSP 相比，在對照病例的黑質(zhì)致密部（SNc）和腹側(cè)被蓋區(qū)（VTA）中含神經(jīng)黑色素的神經(jīng)元中檢測到較弱的FtMt 免疫反應(yīng)，PSP 表現(xiàn)出顯著增強的FtMt 免疫反應(yīng)性。人FtMt的單克隆抗體（C65-2）與免疫FtMt 肽的預(yù)孵育顯著減少了染色，表明C65-2 具有特異性。與對照病例相比，在PSP 的神經(jīng)元外觀察到幾個斑點。FtMt和酪氨酸羥化酶（TH）、神經(jīng)膠質(zhì)原纖維酸性蛋白和Iba1 的雙重免疫熒光組織化學(xué)顯示在PSP 的多巴胺能神經(jīng)元、小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞中可定位到FtMt。此外，在一些TH 陰性神經(jīng)元中檢測到FtMt 免疫反應(yīng)性。在SNc 和VTA 中，F(xiàn)tMt 免疫反應(yīng)性與磷酸化tau 免疫反應(yīng)性共定位。這些結(jié)果表明FtMt 參與了PSP 病理過程。在SNc，PSP 患者神經(jīng)元出現(xiàn)較強的FtMt-IR 和LC 3-IR。在其他中腦區(qū)域，如上級丘，F(xiàn)tMt-IR 和LC 3-IR 保持不變。在SNc 中，基于亞細胞LC 3/FtMt 免疫熒光強度，共定位程度和亞細胞重疊，將黑質(zhì)神經(jīng)元分為4 種模式。這一分類表明LC 3/FtMt 的伴隨蓄積與有絲分裂吞噬過程有關(guān)。使用LC3-IR 對神經(jīng)元損傷進行分期，并追溯LC3/FtMt 模式，可揭示FtMt 在黑質(zhì)神經(jīng)元中積累的進展。

2 FtMt 與缺血性腦卒中

缺血性腦卒中是卒中最常見的疾病類型，占腦卒中的80%左右，會引發(fā)嚴重的腦功能障礙。治療缺血性腦卒中最有效的方法是快速恢復(fù)腦血流，然而在血流恢復(fù)過程中可引起一系列繼發(fā)性損害，主要病理、生理過程包括氧化應(yīng)激、興奮性氨基酸毒性、免疫炎癥以及細胞凋亡等，這一過程被稱為“腦缺血-再灌注損傷”（I/R）。

Wu 等［19］研究表明，缺氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1）可上調(diào)FtMt 表達，F(xiàn)tMt 可以通過隔離鐵來緩解低氧誘導(dǎo)的腦細胞死亡，這些鐵的水平隨著這些細胞的缺氧程度增加而增加。在不存在FtMt 的情況下，這種催化金屬會過量催化ROS 的產(chǎn)生。因此，在缺氧期間增加FtMt 表達可以避免源于氧限制的組織損傷。Wang 等［20-22］研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)tMt 在小鼠缺血性腦中增加。缺少FtMt 的小鼠會導(dǎo)致更嚴重的腦損傷和神經(jīng)系統(tǒng)缺陷，并伴有鐵死亡的典型分子特征，包括大腦I/R 后脂質(zhì)過氧化物和谷胱甘肽（GSH）增加。相反，F(xiàn)tMt 過度表達可逆轉(zhuǎn)這些變化。并且FtMt 消融可促進I/R 誘導(dǎo)的炎癥和肝素介導(dǎo)的鐵蛋白減少，從而顯著增加總鐵和可螯合鐵。鐵升高，因此促進了I/R 大腦的細胞鐵死亡。這些表明FtMt 在保護腦I/R 誘導(dǎo)的鐵死亡和隨后的腦損傷方面發(fā)揮保護作用。其次在腦微血管內(nèi)皮細胞（BMVEC）中的FtMt 表達在I/R 后上調(diào)，并且FtMt的過表達減弱了I/R 誘導(dǎo)的血腦屏障（BBB）破壞，F(xiàn)tMt 通過抑制I/R 處理的BMVEC 中的鐵失調(diào)和ROS 積累來防止組織緊密連接丟失和細胞凋亡。用去鐵胺螯合過量鐵可減輕氧葡萄糖剝奪后復(fù)氧（OGD/R）損傷下腦內(nèi)皮細胞系bEnd.3 的細胞凋亡，這表明BMVEC 中鐵介導(dǎo)的氧化應(yīng)激是BMVEC 損傷和缺血性中風(fēng)中BBB 分解的早期原因。最后FtMt 缺陷可通過經(jīng)典線粒體依賴途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑加重I/R 腦神經(jīng)元凋亡。相反，F(xiàn)tMt 過表達顯著抑制OGD/R 誘導(dǎo)的細胞凋亡和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)的激活。同時，F(xiàn)tMt 過表達可減輕OGD/R誘導(dǎo)的線粒體鐵超載、線粒體功能障礙、ROS 的產(chǎn)生和神經(jīng)元GSH 含量的增加。在OGD/R 損傷后，F(xiàn)tMt 過表達細胞的葡萄糖消耗增加； FtMt 過表達促進了OGD/R 后細胞中葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的活化和NADPH 的產(chǎn)生，表明在FtMt 過表達的細胞中戊糖-磷酸途徑增強，從而增強了神經(jīng)元細胞的抗氧化能力?？傊?，F(xiàn)tMt 可以通過調(diào)節(jié)細胞鐵含量以及防止ROS 過度產(chǎn)生，并維持能量代謝，從而保護缺血性腦卒中I/R 和BBB 破壞誘導(dǎo)的細胞凋亡以及鐵死亡。

3 FtMt 與腦膠質(zhì)瘤

膠質(zhì)瘤是最常見的惡性腦腫瘤，占惡性腦腫瘤的70%以上，是近幾十年來全球范圍內(nèi)導(dǎo)致顱內(nèi)腫瘤相關(guān)死亡的主要原因之一，腫瘤發(fā)生和血管生成是膠質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)［23］。

Mi 等［24］研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)tMt 在膠質(zhì)瘤組織和細胞中均有較強表達。功能喪失和獲得實驗的應(yīng)用表明FtMt 增強了膠質(zhì)瘤的腫瘤發(fā)生和血管生成。機制上，F(xiàn)tMt 與小核仁RNA 宿主基因1（small nucleolar RNA host gene 1，SNHG1）呈正相關(guān)，與miR-9-5p 呈負相關(guān)，SNHG1 和FtMt 均能競爭性結(jié)合miR-9-5p。此外，在體內(nèi)實驗中觀察到sh-FtMt 對膠質(zhì)瘤的抑制作用。所以FtMt 可能通過SNHG1 介導(dǎo)miR-9-5p 的表達促進膠質(zhì)瘤的發(fā)生和血管生成。此 外Shi 等［25］研 究 表 明，F(xiàn)tMt 顯 著 抑 制SH-SY5Y細胞的增殖和裸鼠體內(nèi)腫瘤的生長。研究還發(fā)現(xiàn)FtMt 在人正常腦組織中的表達顯著高于神經(jīng)母細胞瘤，但不高于神經(jīng)海綿狀細胞瘤。而轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1 的表達則完全相反。因此FtMt 表達增加可能對神經(jīng)元腫瘤細胞的活力產(chǎn)生負面影響。FtMt 過表達擾亂了腫瘤細胞的鐵穩(wěn)態(tài)，并顯著下調(diào)了增殖細胞核抗原的表達。此外，F(xiàn)tMt 還通過改變cyclinD1、cyclinE、Cdk2、Cdk4 和p21 的表達，影響細胞周期，導(dǎo)致G1/S 期阻滯。值得注意的是，F(xiàn)tMt 強烈上調(diào)腫瘤抑制因子p53 和N-myc 下游調(diào)節(jié)基因-1（NDRG1）的表達，但顯著降低C-myc、N-myc 和p-Rb 水平。因此，F(xiàn)tMt 可能是抑制神經(jīng)元腫瘤細胞增殖的新候選靶點，適當調(diào)節(jié)FtMt 的表達可抑制腫瘤細胞的生長。

4 FtMt 與創(chuàng)傷性腦損傷

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury， TBI）通常由交通事故、運動損傷、暴力傷害和職業(yè)事故引起，導(dǎo)致血管、神經(jīng)元和軸突破壞以及思維、學(xué)習(xí)、語言和行為障礙［26］。許多既往研究都表明氧化應(yīng)激在TBI 繼發(fā)性損傷中發(fā)揮著重要作用。

Wang 等［27］研 究 發(fā) 現(xiàn)，TBI 后3～14 d，F(xiàn)tMt 表達逐漸降低，而氧化應(yīng)激水平逐漸升高，表現(xiàn)為GSH 和SOD 水 平 降 低，MDA 和NO 水 平 升 高，并且腦中Ftmt 表達降低的程度與氧化應(yīng)激呈線性相關(guān)。敲除FtMt 顯著加重了TBI 誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激、腦出血、腦梗死、水腫、神經(jīng)系統(tǒng)嚴重程度評分、記憶障礙和神經(jīng)功能缺損。然而，在FtMt 敲除小鼠中，所有這些效應(yīng)均通過使用抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸對氧化應(yīng)激的藥理學(xué)抑制而顯著減輕。這表明TBI 后FtMt 和氧化應(yīng)激之間的重要相關(guān)性。Ft-Mt 缺乏至少部分通過增加氧化應(yīng)激水平加重TBI誘導(dǎo)的腦損傷和神經(jīng)功能缺損。

5 FtMt 與不安腿綜合征

不安腿綜合征（restless legs syndrome， RLS）是一種常見的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，主要表現(xiàn)為難以言述的不適感及活動的欲望，常伴有感覺的異常，癥狀在休息或夜間時發(fā)生或加重，運動后減輕［28］。

RLS 患者的磁共振成像和經(jīng)顱超聲表明黑質(zhì)中的鐵含量減少，表明在RLS 中，細胞鐵穩(wěn)態(tài)發(fā)生了變化，神經(jīng)元缺鐵的一個可能原因是FtMt 的高表達。特別是與健康對照相比，RLS 樣本的黑質(zhì)中FtMt 水平顯著增加，其中FtMt 主要存在于含有神經(jīng) 黑 色 素 的 神 經(jīng) 元 中［29，30］。FtMt 的 增 加 以 及 線 粒體數(shù)量的增加解釋了RLS 患者細胞中胞質(zhì)鐵的減少。作為該過程的結(jié)果，細胞經(jīng)歷缺鐵并且細胞溶質(zhì)鐵蛋白的表達降低。胞質(zhì)溶膠中的鐵缺乏，從鐵通過FtMt 遷移到線粒體，減少了鐵依賴性蛋白質(zhì)的產(chǎn)生和成熟。事實上，RLS 細胞表達較低水平的調(diào)節(jié)蛋白IRP1 和其他ISC 蛋白。鐵也從胞質(zhì)溶膠中去除以維持大量線粒體，表明RLS 中神經(jīng)細胞的高代謝活性。在這種病理學(xué)中線粒體發(fā)生的激活導(dǎo)致鐵的代謝改變，并且無法控制其日常生理變化。盡管FtMt 在這種病理學(xué)中的作用尚不完全清楚，但它的增加似乎有利于鐵穩(wěn)態(tài)的不穩(wěn)定。與弗里德賴希共濟失調(diào)不同，在 RLS 中大量的FtMt 似乎對細胞有害［31］。

6 總結(jié)與展望

隨著對FtMt 功能和作用的深入研究，我們對FtMt 在病理狀態(tài)下有了更深入的了解。目前，F(xiàn)t-Mt 調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究主要集中在調(diào)控細胞氧化應(yīng)激、胞質(zhì)鐵的平衡。FtMt 可通過影響線粒體鐵含量、線粒體功能、ROS 的產(chǎn)生和神經(jīng)元GSH 含量，進而調(diào)控神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)疾病進展。值得注意的是，最近新發(fā)現(xiàn)的一種細胞鐵依賴性的非細胞凋亡性的細胞死亡形式--鐵死亡與FtMt 的研究尚不深入，有待進一步探討。其次FtMt 可通過調(diào)節(jié)腫瘤相關(guān)抑制因子的表達，進而調(diào)節(jié)細胞凋亡和細胞周期，因此FtMt 可作為抑制神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤細胞增殖的新候選靶點，適當調(diào)節(jié)FtMt 的表達可抑制腫瘤細胞的生長。然而，目前并無太多FtMt 和有關(guān)腫瘤研究的報道，因此，往后的研究若能分析FtMt 與腫瘤細胞之間的關(guān)系并探索出更多FtMt 作用于神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的有效靶點，將為神經(jīng)腫瘤的機制研究提供更有力的證據(jù)。相信隨著基礎(chǔ)與臨床研究的不斷進步，F(xiàn)tMt 一定會更好地應(yīng)用到臨床疾病特別是神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防治中。

作者貢獻度說明：

邵哲：論文選題，撰寫與修改；郭大闖、孫榕、王幟、胡佳豪：論文審閱與修改；彭浩、馮基高：指導(dǎo)老師。

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。