鐵穩態與相關疾病研究進展

郭英英 鐘莉 綜述 王梅 審校

(重慶大學生物工程學院，重慶 400044)

鐵是生命體必需的微量元素。生物機體內的鐵處于一個不斷吸收、利用、儲存和循環的動態平衡中，即鐵穩態。該穩態失衡可導致鐵代謝相關疾病的發生，包括鐵限制性疾病及鐵過載性疾病。本文闡明了鐵穩態的分子學機制，并對鐵穩態失衡導致的相關慢性疾病及其防護機制進行闡述。

1 鐵穩態與氧化應激對皮膚細胞內鐵穩態的影響

在生物體內，鐵主要以二價鐵與三價鐵的形式存在，可作為生物氧化還原反應的催化劑及許多功能蛋白質與酶的重要組成部分，對細胞的正常生長至關重要。

1.1鐵穩態 生物體內，巨噬細胞會吞噬并降解衰老的紅細胞與小腸細胞吸收的鐵，使鐵進入血液中。在細胞外液中，轉鐵蛋白(Tf)會以高親和力結合兩個Fe3+原子。形成兩分子的Fe3+-tf-Fe3+復合物結合到細胞表面上的一個轉鐵蛋白受體1(TfR1)上。通過細胞膜的內吞作用讓生成的Tf-TfR1復合物被內化為內體。內體通過自身膜上的質子泵作用，使細胞內體內的PH降低，Tf釋放鐵。內體內的還原酶將鐵從Fe3+還原為Fe2+。形成的Fe2+轉移到二價金屬轉運蛋白1(DMT1)，并以Fe2+形式釋放到細胞溶質，儲存到細胞溶質不穩定鐵池(LIP)或鐵蛋白(Ft)中。而Tf與TfR1釋放鐵后以胞吐的方式返回血液及細胞膜上再次轉運Fe3+。胞吞進入內體內的鐵與細胞溶質LIP都可以借助線粒體膜鐵轉運蛋白(Mf)轉運至線粒體，用于合成血紅素與鐵硫簇等。最初，人們認為LIP主要存在于細胞溶質，但是近年來，有研究報道認為LIP主要存在于線粒體。細胞溶質LIP可以再次重新分布。細胞溶質不穩定鐵(LI)可以通過伴侶蛋白1(PCBP-1)運輸并儲存在Ft中。細胞溶質LI可以通過假設的伴侶或可能通過擴散補充線粒體LI。細胞溶質LI還可能通過核孔與核LI建立動態平衡。H.Cabantchik等[1]通過比較在心肌細胞中三種鐵螯合劑去鐵胺(DFO)、去鐵酮(DFP)和地拉羅司(DFR)螯合鐵的能力，進一步證實了在心臟細胞核中存在LI。另外，細胞核中需要含鐵的酶即核糖核苷酸還原酶參與反應，催化核糖核苷酸為脫氧核糖核苷酸[2]，這也說明了細胞溶質LI可能通過核孔與細胞核鐵保持動態平衡。胞質LI也可以通過膜輸送蛋白1(FP1)從細胞中運出。據已有報道[3-4]，膜鐵轉運蛋白(FPN)是哺乳動物細胞向外運輸鐵的唯一蛋白，儲存在Ft中的胞質鐵可以通過Ft的自噬和溶酶體蛋白降解酶來補充溶酶體LI，溶酶體中的鐵主要是大量的還原型的Fe2+，Fe2+能與氧化應激產生的過氧化氫發生芬頓反應，從而使溶酶體喪失穩態，最后導致細胞凋亡或壞死。

1.2氧化應激對皮膚細胞內鐵穩態的影響 在正常條件下，生物體內的鐵水平受到極其嚴密的控制，很少有鐵催化自由基的產生。但是，當生物體暴露于氧化劑如UVA時，細胞內就會催化含氧自由基的生成，同時，生物體內的鐵會增強氧化劑的氧化作用而進一步增強生物體內的氧化損傷。太陽光中的紫外線(UV)根據波長可分為：長波黑斑效應紫外線(UVA,320～420 nm)、中波紅斑效應紫外線(UVB,275～320 nm)和短波滅菌紫外線(UVC,200～275 nm)。UVC被大氣中的臭氧層全部吸收。只有UVA與UVB能夠到達地球表面，而UVA占到達地球表面UV的95%。當皮膚細胞暴露于UVA時會產生活性氧簇(ROS)，ROS促進溶酶體，線粒體，細胞質膜和核膜的氧化損傷。UVA還促進血紅素在血紅素氧化酶1的催化下生成膽紅素、膽綠素、一氧化碳與鐵，增加細胞溶質LI。細胞溶質的LI可以儲存在Ft中，但是溶酶體膜的損傷會導致溶酶體裂解進而導致蛋白酶的釋放，蛋白酶會降解細胞質內的Ft并以不穩定形式釋放鐵。線粒體膜的損害導致線粒體膜中的電子鏈轉運的中斷，引起ROS的產生，通過內膜的電化學梯度的損失和ATP消耗。在細胞質中釋放的有害的LI，加上細胞溶質已存在的LI池，導致細胞溶質池LI大量增加，通過芬頓反應催化產生更多的ROS，進一步加劇了溶酶體、線粒體、質膜和核膜中的過氧化損傷，導致細胞器和質膜完整性的損失。質膜完整性的損失與線粒體ATP消耗最終一起導致細胞壞死性細胞死亡。

2 鐵穩態失衡造成的相關疾病

銀屑病(PS)是一種常見的易于復發的慢性全身炎癥性皮膚病。銀屑病患者體內經常會出現鐵代謝紊亂與鐵缺乏的癥狀。鐵缺乏不僅與鐵調素的過表達有關還與網狀內皮系統細胞內的鐵不能用于細胞代謝有關。另外，銀屑病患者皮膚表皮層過度增生和脫屑加速了營養的損失，這可能導致鐵缺乏癥。M.Ponikowska等[6]檢測了銀屑病患者與健康受試者血液中鐵蛋白、轉鐵蛋白飽和度、可溶性轉鐵蛋白受體和鐵調素的濃度，得出在體重低的銀屑病患者中，鐵缺乏的嚴重程度與該疾病的嚴重程度有關。另外，R.Rashmi等[7]從分子水平上探索銀屑病的生物分子標志，發現銀屑病患者體內的鐵水平顯著降低，鐵蛋白與鐵的比值顯著升高。N.Dilek等[8]研究了銀屑病患者中鐵調素的表達情況，發現銀屑病患者體內鐵與鐵調素的水平顯著降低，但其具體機制還不清楚。類風濕性關節炎(RA)被認為是一種慢性綜合自身免疫性非特異性炎癥疾病。Z.Ullah等[9]認為RA患者的發病可能與人體內微量元素的新陳代謝有關，研究表明RA患者身體內的Fe明顯低于健康人，這可能與Fe作為人體內的強氧化劑催化自由基的生成有關。RA常常伴隨慢性病貧血(ACD)的發生，S.Pavai等[10]提出了用血清可溶性轉鐵蛋白受體(sTfR)和轉鐵蛋白受體—鐵蛋白(TfR-F)指數來區分只有ACD和同時具有ACD和缺鐵性貧血(IDA)[11]的患者。E.J.Fitzsimons等[12]研究了貧血性RA的體外成紅細胞內的鐵代謝，結果表明紅細胞表面TfR1對Fe攝取效率的提高，能夠進一步增加貧血性RA的原本較低的血漿鐵濃度，并且有助于維持RA成紅細胞鐵攝取。帕金森(PD)被認為是一種與神經系統變性相關的疾病。已經有一些研究證明了鐵代謝功能障礙與帕金森的發生發展有著密切的聯系，腦中鐵積累是導致帕金森患者多巴胺能神經元變性的原因之一。腦黑質中鐵濃度的升高是帕金森病的特征。H.Jiang等[13]認為腦鐵累積與DMT1、TfR、FPN和淀粉樣前蛋白有關，這幾種蛋白主要參與神經元和神經膠質細胞中鐵的吸收、排出與儲存。并且PD患者中鐵能特異性的在黑質的多巴胺能神經元累積。E.C.Hirsch等[14]證明了PD患者黑質中鐵濃度增加。P.D.Griffiths等[15]證明了腦黑質中鐵的增加預示了鐵蛋白中的高鐵負荷。調查顯示PD患者腦氧化還原活性鐵濃度升高與黑質神經元中的神經絲氨酸有關。神經絲氨酸是在黑質多巴胺能神經元中產生的黑色素，能結合鐵離子。B.A.Faucheux等[16]的研究表明氧化還原活性鐵在黑質多巴胺能神經元多的腦中含量高。C.Ohtsuka等[17]證明了通過神經絲氨酸敏感MR成像可以區分PD患者、PD早期階段患者和有高敏感性和特異性的健康人。阿爾茨海默病(AD)又稱老年癡呆癥，被認為是一種發病隱匿的神經系統退行性疾病。病患主要表現為記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執行功能障礙以及人格和行為改變等。在AD中，與老年斑相關的神經纖維Fe含量是正常神經纖維Fe含量的近三倍[18]。β-淀粉樣蛋白在大腦神經元細胞外異常沉積形成的老年斑塊[19]和tau蛋白的異常磷酸化所形成的神經元纖維纏結都與氧化應激有關[20]。鐵的積累會導致氧化應激。而老年斑塊與神經元纖維纏結現象是阿爾茨海默病病理診斷的主要目標[21]。在AD患者腦局部常常會出現鐵過載現象[22]，并且鐵的積累產生的氧化應激可能是AD的早期事件。研究證明鐵可以介導β-淀粉樣肽在體外的毒性。但是，也有研究[23]表明β-淀粉樣蛋白可以降低腦鐵累積導致的氧化應激。G.Perry等[20]認為神經原纖維纏結中的Tau積累與HO-1的誘導有關。而HO-1可以催化血紅素生成Fe2+，Fe2+就會通過芬頓反應催化含氧自自由基的產生。J.F.Collingwood等[24]在5 μm空間分辨率下使用同步輻射X射線吸收技術鑒定AD患者的額葉腦組織切片上異常鐵濃度，表明磁性氧化鐵可能會擾亂腦鐵代謝。弗里德賴希共濟失調(FRDA)是一種慢性小腦進行性常染色體隱性遺傳性共濟失調退行性疾病，涉及中樞、周圍神經系統和心臟。其臨床表現獨特，例如在25歲前發病、肢體共濟失調、腿部缺乏腱反射、腿虛弱、發音障礙、足弓形和心臟損傷等。已經知道在弗里德賴希共濟失調患者中共濟蛋白合成減少。共濟蛋白表達不足會導致線粒體功能紊亂，其中包括線粒體鐵累積、鐵硫簇合成減少和氧化應激增加。線粒體是鐵代謝的主要部位，而共濟蛋白能調節線粒體鐵代謝以防止鐵產生的氧化應激，還可作為鐵硫簇與血紅素生物合成的鐵伴侶分子，在線粒體鐵代謝過程中共濟蛋白發揮重要的作用[25-26]。A.Rotig與V.Campuzano等[27-28]認為FRDA是由于染色體9q13上的FRDA基因座的關鍵區域的一個編碼共濟蛋白的基因X25上的內含子GAA三核苷酸重復擴增所造成的。而H.Puccio等[29]認為FRDA涉及氧化應激與自由基的產生。這明顯與線粒體鐵累積有關。Y.K.Lee等[30]將多能干細胞作為FRDA的藥物篩選平臺來調節心肌鐵穩態，以減弱FRDA心肌病。

3 降低鐵穩態失衡的幾種防護機制

3.1抗氧化分子 生物體具有包括超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶等抗氧化酶。除了抗氧化酶，生物體還具有一些非酶抗氧化分子包括抗壞血酸、生育酚、類胡蘿卜素、谷胱甘肽、類黃酮等。這些抗氧化酶與非酶抗氧化分子保護生物體免受氧化應激引起的傷害。生物體內的鐵蛋白與線粒體鐵蛋白能螯合細胞內的LI，減少Fe2+引起的含氧自由基的產生，以達到抵抗氧化應激的作用。L.Wang等[31]證明線粒體鐵蛋白在阿爾茨海默病中起到抗氧化應激的作用。W.Wu等[32]證明線粒體鐵蛋白在帕金森病中起到抗氧化應激的作用。鐵調素是調節體內鐵代謝的關鍵調節劑，主要是在肝臟中產生一種多肽類物質，分泌到血液中將體內需鐵信號傳到小腸，調控腸鐵的吸收并可以減少網狀內皮系統對鐵的釋放而減少生物體內游離鐵的水平[33]。

3.2鐵螯合劑 線粒體是細胞的能量代謝中心，還是合成血紅素與鐵硫簇的重要部位。因此，線粒體對氧化損傷極為敏感。O.Reelfs等[34]設計了線粒體靶向的六齒鐵螯合劑，六齒鐵螯合劑能螯合細胞內多余的LI，降低UVA對皮膚成纖維細胞造成的線粒體損傷及帶來的壞死性細胞死亡。V.Abbate等[35]設計出能夠準確監測線粒體內活性氧水平并連接有鐵螯合劑的雙選擇性鐵螯合探針。線粒體活性氧與異氟烷誘導的神經變性疾病的認知功能障礙發病機制有關。J.Wu等[36]探究了線粒體靶向的抗氧化劑SS-31(The peptide Szeto-Schiller(SS)-31(D-Arg-dimethylTyr-Lys-Phe-NH2)對小鼠中異氟烷誘導的認知功能障礙的作用，并探討了其機理，研究表眀異氟烷誘導的小鼠認知功能障礙與線粒體的功能障礙有關，例如生成的ATP減少、ROS增多以及線粒體腫脹，認為SS-31通過清除異氟烷誘導的ROS而降低NF-κB，NLRP3，半胱天冬酶-1，IL-1β和TNF-α等炎性因子的水平抑制促炎反應；還可通過降低Bax/Bcl-2比例，減少細胞色素C的釋放和阻斷胱天蛋白酶3的切割來抑制細胞凋亡。因此得出線粒體靶向的抗氧化劑SS-31具有能夠減輕氧化應激引起的損傷的能力。E.Pelle等[37]得出了(2-硝基苯基)乙基吡哆醛異煙酰基腙(2-PNEPIH)鐵螯合劑能夠保護角質形成細胞免受UVA誘導的脂質過氧化和鐵蛋白耗竭。因此認為2-PNEPIH可能對絕經后婦女中UVA誘導的氧化應激有抑制作用。

4 結 語

生物體內的鐵具有較高的氧化還原活性，是維持生物體正常生命活動必需的營養元素。生物體內的鐵穩態一旦被打破，會引起一些疾病的產生，了解生物體內鐵的致病機理，可為疾病的根治提供理論依據與希望。