轉鐵蛋白的結構功能和潛在臨床應用價值*

彭健 ，張耀婷 ，陳杰 ，丁成明 ，李慧 ，張禮銘 ，夏贊賢

（1.中南大學湘雅醫院，湖南 長沙 410008；2.中南大學生命科學學院，湖南 長沙 410013）

綜述

轉鐵蛋白的結構功能和潛在臨床應用價值*

彭健1，張耀婷1，陳杰1，丁成明1，李慧2，張禮銘2，夏贊賢2

（1.中南大學湘雅醫院，湖南 長沙 410008；2.中南大學生命科學學院，湖南 長沙 410013）

鐵是維持細胞生長繁殖及代謝活動所必需的元素之一，機體內絕大多數游離鐵是由轉鐵蛋白運輸傳遞。轉鐵蛋白（Tf）是血漿中主要的結合并轉運鐵的β球蛋白，主要負責運載由胃腸道吸收的鐵和由紅細胞降解釋放的鐵。Tf的金屬離子結合位點由2個酪氨酸、1個天冬氨酸和1個組氨酸殘基構成。Tf除了轉運鐵外同時還具有許多生理生化功能，如抗菌活性、促細胞生長分化及細胞保護等，是一類多功能蛋白。此外，研究發現Tf還被發現可作為一種新型的藥物主動靶向載體，在腫瘤靶向治療領域中具有廣闊的應用前景。該文從Tf的結構特性、多樣性、生物學功能及臨床應用等方面對Tf進行系統性綜述。

轉鐵蛋白；轉鐵蛋白受體；結構；臨床應用；靶向治療

轉鐵蛋白（Transferrin，Tf）又稱鐵傳遞蛋白、運鐵蛋白，是脊椎動物血漿中主要的糖蛋白。Tf不僅直接參與鐵離子的運輸和代謝，還具有許多生理生化功能，如抗菌活性、促細胞生長分化、參與免疫系統的細胞保護作用及調節細胞增殖等。Tf作為一種新型的藥物主動靶向載體，在腫瘤靶向領域中具有廣闊的應用前景。

1 Tf的結構

Tf含有679個氨基酸殘基，分子量約為79 kD。Tf氨基酸序列包含38個半胱氨酸殘基，可形成19對二硫鍵，對蛋白結構的穩定起重要的作用[1]。Tf由2個具有相似結構的結構域所組成，包括N端結構域（336aa）和 C 末端球形結構域（343aa），2個結構域之間通過短間隔序列連接（見圖1）。每個結構域包含一系列α-螺旋和β-折疊，結構域通過相互作用形成親水的金屬離子結合位點。在結構域中的Fe2+結合位點分別有4個保守氨基酸，包括2個酪氨酸、1個天冬氨酸和1個組氨酸，這些殘基以八面體形式排列[2]（見圖2）。此外，Fe2+結合位點還需要由碳酸根離子提供2個氧分子來維持鐵原子的穩定[3]。在 Tf結合位點附近，Gly-65、Glu-83、Tyr-85、Arg-124、Lys-206、Ser-248 和 Lys-296 在鐵的釋放過程中具有關鍵作用[2]。HE等[4]證明，位于N末端相反結構域上的Lys-206和Lys-296堿基對的質子效應可誘導Tf“開放”或“關閉”構象[4]。目前，Tf主要被劃分為 3類：血清 Tf、卵（清）Tf和乳（清）Tf[5]。

圖1 Tf的蛋白質結構

圖2 Tf C端結構域鐵離子結合位點的關鍵氨基酸殘基

2 Tf的多態性及分布

Tf蛋白廣泛存在于真核生物，目前發現Tf至少在30種不同物種中有表達，具有較高的多態性。其中Tf蛋白有B、C和D主要的亞型[6]。研究顯示Tf的多態性和部分疾病的易感性有很大聯系。該疾病包括過敏性鐵蛋白血癥、心血管疾病和阿爾茨海默病[2，7-8]。

Tf在人體內主要由肝細胞合成，此外還在支持細胞、室管膜、少突膠質細胞、腦膠質瘤、轉移性黑素瘤細胞系和人乳腺癌細胞系中均有表達，且在血漿、膽汁、羊膜、腦脊髓、淋巴和母乳中均能檢測到Tf的存在[1-2，9-13]。

3 Tf的功能

3.1 運載鐵離子

在DNA復制過程中，鐵作為核糖核苷酸還原酶的輔因子，直接參與DNA的合成與修復。此外，鐵直接參與血紅蛋白運輸O2的過程[2]。游離鐵通過將氫過氧化物轉化成反應性的過氧化物和烷氧基來引起脂質過氧化作用[3]。因此，Tf最主要的作用是將鐵安全地輸送到細胞體內。

3.2 Tf-Tf受體系統

載鐵Tf（holo-transferrin，holo-Tf）會與細胞表面的Tf受體（transferrin receptor，TfR）結合形成載鐵Tf-Tf受體復合物（holo-transferrin-transferrin receptor，holo-Tf-TfR），該復合物在網格蛋白介導的內吞作用下轉運至內體[5]。pH降低，從而促進鐵離子的釋放[10]。最后，脫鐵Tf-Tf受體（apotransferrin-transferrin receptor，apo-Tf-TfR）復合物經囊泡排出到細胞表面[5]。然后Tf分子在體內循環，介導下一輪的鐵運轉（見圖3）。1個Tf分子可以循環運輸多達100次[3]。

圖3 Tf-Tf受體介導的鐵轉運途徑

3.3 脫鐵Tf的抗菌能力

最新研究表明，體內游離鐵濃度的增加會促進病原體生長，apo-Tf螯合游離鐵可減少細菌感染的發生[14-15]。apo-Tf的抗菌能力不僅局限于簡單地降低游離鐵水平，已有研究表明，apo-Tf能夠有效抑制革蘭氏陽性和陰性細菌的生長[16]。

3.4 生長、分化和細胞保護作用

Tf廣泛參與機體細胞的生長和分化活動，包括肌細胞生長、胚胎形成、細胞增殖、神經發生、趨化活性和血管生成等[15]。此外，Tf的旁分泌效應在癌細胞系中被發現，例如，腦細胞產生的Tf促使腦黑素瘤轉移的增殖[12]。

holo-Tf已被證明可抑制卵巢癌細胞的凋亡[18]。holo-Tf主要通過上調Tf導致細胞內鐵水平降低，從而恢復細胞中的鐵水平，防止細胞死亡。同理，Tf也被報道可以保護淋巴細胞和肝細胞，降低Fas介導的細胞凋亡[19]。

WEINZIMER等[17]證明，Tf的抗細胞凋亡和抗增殖作用與其結合胰島素樣生長因子結合蛋白3（insulin-like growth factor binding protein 3，IGFBP-3）的能力有關。

4 Tf的臨床應用

最近數年對Tf-TfR系統的研究為該系統的藥物定向和運載中的臨床應用提供了依據。Tf和TfR作為新的臨床指標，為血液、腫瘤等疾病的診斷和治療提供新的思路與手段。

4.1 Tf缺乏癥

Tf缺乏癥是一種罕見的常染色體隱性遺傳疾病，最初是由HEILMEYER等于1961年在1個7歲女孩身上發現并首次報道[20]。患者血漿由于缺乏血清Tf，從而導致貧血。

目前，臨床試驗表明，對患者靜脈灌注apo-Tf可有效緩解病癥。另外，apo-Tf可用于治療青少年轉移性貧血（血漿水平≤0.2 g/L），減少與鐵缺失相關的生長遲緩和其他癥狀[6]。

4.2 缺血再灌注損傷

缺血再灌注（ischemia reperfusion，IR）損傷是指缺血性疾病在恢復血液供應后過量自由基應激導致炎癥的發生，最終引起細胞凋亡或壞死的病癥[21]。IR損傷與中風、心血管疾病、腎衰竭和器官移植的病癥相關[22]。

由于游離鐵能夠催化氧自由基的產生，所以增加血液游離鐵的濃度會加強IR損傷。de VRIES等[22]在小鼠中證明apo-Tf可降低血液游離鐵水平并減少小鼠腎臟IR損傷。

4.3 心血管疾病

CAMPENHOUT 等[3]報道低水平中 Tf（＜2 gl/L）以及蛋白質糖基化都可以增強鐵的促氧化反應。該反應是引起脂質過氧化作用并導致糖尿病患者心血管疾病風險增高的原因之一。

Tf是在炎癥性疾病中重要的負急性期蛋白。I型糖尿病患者中的Tf水平通常比正常個體低10%。因此，給糖尿病患者靜脈輸注apo-Tf可減少機體游離鐵含量，減輕患者的氧化損傷和降低患心血管疾病的風險。該方法還有利于降低Tf鐵飽和水平，改善Tf的糖化形式，提高其與鐵的結合能力[3]。

4.4 放射性治療

臨床數據表明，放射治療期間患者Tf水平有所降低，被認為是因為循環系統中鐵的氧化還原反應水平增加進而促進機體的氧化應激反應所導致[23]。靜脈注射apo-Tf可用于減少放射治療期間釋放的游離鐵，從而減輕機體的氧化損傷。apo-Tf能有效降低游離鐵水平，通過直接刺激骨髓細胞、環核苷酸的修飾等機制減輕機體的氧化損傷。KOTEROV等[24]在小鼠放射治療實驗中驗證輸注apo-Tf可有效減輕機體的氧化損傷。

4.5 Tf與靶向藥物開發

對Tf-TfR系統的鐵轉運和攝取的機制研究，發現結合Tf-TfR系統運用各種治療性金屬離子、藥物、蛋白質和基因的特異性靶向治療具有極大臨床應用潛力[25-26]。值得注意的是，Tf受體蛋白TfR在腫瘤、病變組織中普遍高表達（見附表）。由此可見，利用Tf-TfR系統對腫瘤細胞進行高精度靶向殺傷作用具有極大的研究價值和應用潛力[5]。

Tf在體內鐵飽和度為30%～38%。除鐵離子外，Tf還可以可逆結合≥30種多價金屬離子，包括銅、鋅、鈷等[10]。因此，可以使用Tf來傳輸身體中的其他金屬，特別是鎵（Ga3+）和銦（In3+）。低能量γ發射放射性核素67 Ga3+被廣泛用作惡性腫瘤的診斷；111In3+被用于治療腫瘤或作為放射性標記確定腫瘤細胞的存活情況[27]。Tf還可以通過結合其他治療性金屬靶向治療特定疾病。例如，鉍可被用于治療梅毒、高血壓、感染、皮膚病癥和胃腸道疾病[26]。包含在Tf共軛脂質體中的硼也已經用于癌細胞硼中子的俘獲治療[28]。釕和鈦都具有抗癌活性，锝則可以用于腫瘤成像研究[29]。

Tf還可以結合藥物分子、蛋白質或基因。例如將綴合白喉毒素Tf-CRM107通過靜脈輸注到惡性腦腫瘤的患者中，在常規治療有抗體的惡性腦腫瘤患者中觀察到陽性抗腫瘤作用[30]。與Tf結合使用的抗癌化合物還包括多柔比星阿霉素，氯苯丁酸和紫杉醇[27]。

附表 不同腫瘤組織中TfR的表達情況

4.6 腫瘤治療

TfR在腫瘤組織中普遍高表達，因此，如何利用Tf-TfR系統結合抗腫瘤藥物靶向殺傷腫瘤細胞是當前腫瘤研究的熱點和難點之一。Tf通過結合其他細胞因子，如胰島素樣生長因子1（insulin-like growth factor 1，IGF-1） 和白介素 2（Interleukin-2，IL-2）等，可以促進淋巴因子激活殺傷細胞和自然殺傷細胞的細胞毒性和增殖。OKAMOTO[31]據此使用一種特定的含Tf的細胞生長培養基RDSF，進而刺激，因子激活殺傷細胞的生長和增殖。

青蒿素（Artemisinin，ART）在 Fe2+的存在下分解成毒性化合物。研究顯示，ART在用Tf預處理后能夠在納摩爾濃度水平下殺死小細胞肺癌細胞[32]。使用類似的方式手段，EFFERTH等[32]證明當ART化合物與Tf聯合使用時，對白血病細胞也具有較強的殺傷作用。

5 結論

Tf是血漿中主要的結合并轉運鐵的β球蛋白，其功能是通過與Tf受體的相互作用介導鐵的吸收，調節體內鐵離子平衡和能量平衡，是脊椎動物體液及細胞不可缺少的成分[1-4，30-32]。Tf不僅是Fe2+轉運體蛋白，同時還具有許多生理生化功能，包括抗菌活性、促細胞生長分化以及細胞保護作用等，是一類多功能蛋白。此外，Tf作為一種新型的藥物主動靶向載體，在抗腫瘤藥物如化療藥物、生物活性藥物以及基因靶向治療藥物的開發與應用中具有很大的潛在價值[1，5，11]。隨著蛋白質工程、靶向藥物治療和納米生物材料的快速發展，Tf作為一種新型的藥物主動靶向載體，在腫瘤靶向治療領域中會有更廣闊的應用前景。

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Structural function and potential clinical value of transferrin*

Jian Peng1,Yao-ting Zhang1,Jie Chen1,Cheng-ming Ding1,Hui Li2,Li-ming Zhang2,Zan-xian Xia2
(1.Xiangya Hospital,Central South University,Changsha,Hunan 410008,China;2.School of Life Sciences,Central South University,Changsha,Hunan 410013,China)

Iron is necessary for all living organisms to maintain cell growth,reproduction and metabolic activity.The majority of free iron in the body is transported by transferrin.Transferrin is a β-globulin which is responsible for binding and carrying iron in the plasma.The primary role of transferrin is to transport iron from the digestive tract and erythrocyte safely around the body to supply growing cells.The metal ion-binding sites of transferrin include two tyrosines,one aspartic acid and one histidine residue.Furthermore,transferrin,as a class of multi-functional protein,not only transports Fe2+,but also has many physiological and biochemical functions,such as antimicrobial activity,promoting cell growth and cell protection.In addition,as a new type of drug targeting carrier,transferrin has broad application prospects in the field of tumor targeted therapy.In this review,we discussed transferrin in terms of structural characteristics,diversity,biological functions and clinical application.

transferrin;transferrin receptor;structure;clinical application;targeted therapy

R730.5

A

10.3969/j.issn.1005-8982.2017.26.011

1005-8982（2017）26-0056-05

2017-02-20

國家自然科學基金（No：U1603126）；湖南省自然科學基金（No：2017JJ2334）[

夏贊賢，E-mail：xiazanxian@sklmg.edu.cn；Tel：0731-82650230

（李科 編輯）