動物機體鐵代謝和細菌鐵代謝的研究進展

摘" 要：鐵是動物機體必需的微量元素之一，在動物的生命活動中發揮著重要的作用。它不僅是合成血紅蛋白、肌紅蛋白的主要原料，也是一系列氧化還原反應中一些重要酶的輔助因子，廣泛參與氧氣輸運、氧化還原反應、DNA合成等基本生命過程。維持鐵穩態對動物正常生長發育至關重要，鐵穩態的維持有賴于系統調節水平和細胞調節水平的共同作用。同時，鐵也是病原微生物生長所必需的微量元素，本文綜述了動物機體是如何調節鐵代謝以限制病原微生物對鐵的利用以及病原微生物如何逃避機體的免疫反應。

關鍵詞：鐵；宿主；鐵調素；細菌

中圖分類號：R5 文獻標志碼：A 文章編號：1001-0769（2024）03-0029-05

鐵（Fe）在地殼中的含量僅次于氧、硅和鋁，位居第四。成年人體內鐵含量為3.50 g，大部分存在于血紅蛋白（2.3 g）中，其中肌肉纖維（0.35 g）、巨噬細胞（0.50 g）、肝臟（0.20 g）、骨髓（0.15 g）中均含有。皮膚、胃腸道上皮細胞脫落等原因造成的鐵損失每天為1～2 mg[1]，因此為了維持體內鐵平衡，需要每天從十二指腸吸收1～2 mg的鐵。

游離的鐵離子可通過芬頓反應促進活性氧的產生，造成細胞損傷[2]。因此，體內絕大部分鐵都是以有機化合物的形式存在，按組成可分為兩類：血紅素鐵（卟啉基的構成部分）和非血紅素鐵。血紅素鐵主要包括血紅蛋白、肌紅蛋白和一些酶類，如細胞色素類、過氧化氫酶、過氧化物酶等。非血紅素鐵主要包括轉鐵蛋白、鐵蛋白、血鐵黃素等。

1" 動物機體鐵代謝

動物機體吸收利用的鐵主要來源于血紅素鐵和非血紅素鐵兩類。血紅素鐵主要來源于肉類產品或動物性飼料。血紅素鐵含有卟啉環結構，由腸絨毛血紅素鐵特定受體轉運到小腸上皮細胞內，在細胞內由血紅素加氧酶1（heme oxygenase 1，Hox 1）將鐵從血紅素鐵中分離出來；非血紅素鐵主要指無機鐵，也有簡單的有機鹽類，如檸檬酸亞鐵、富馬酸鐵、氨基酸鐵螯合物、甘氨酸鐵、蛋氨酸鐵等。

動物機體鐵代謝主要包括鐵的吸收、轉運、攝取、儲存和再循環。十二指腸的前段是機體吸收鐵的主要部位。當日糧中的鐵到達十二指腸時，Fe3+首先被腸上皮細胞刷狀緣表面的細胞色素b還原成Fe2+，經二價金屬轉運體1（divalent metal transporter 1，DMT1）吸收至細胞內[3]，也有研究指出氨基酸鐵螯合物中的鐵可以氨基酸的形式被吸收。進入細胞內的鐵一部分被上皮細胞利用，另一部分以鐵蛋白（ferritin，Ft）的形式儲存起來，還有一部分經腸上皮細胞基底膜上鐵轉運蛋白（ferroportin，FPN）轉運到血液中[4]。其中進入血液中的Fe2+經膜鐵轉運輔助蛋白或血漿銅藍蛋白氧化為Fe3+[5]，之后與血液中的轉鐵蛋白（transferrin，Tf）結合，形成Tf-Fe2復合物，輸送鐵至各組織器官。然后Tf-Fe2與各組織器官細胞膜表面的轉鐵蛋白受體l（transferrin receptor 1，TfRl）發生作用，使細胞膜內陷形成內涵體，其酸性環境使TfRl-Tf-Fe2解離出Fe3+，Fe3+在鐵還原酶STEAP3作用下轉化為Fe2+，隨后由DMTl轉運至細胞質中，解離出Fe3+的TfRl-Tf復合物重新回到細胞膜上[6-9]。進入到細胞內的鐵首先貯存在可變鐵池（labile iron pool，LIP）中，LIP具有較低的鐵結合能力，其含量高低由鐵的利用、存儲和釋放共同作用。細胞內的鐵一部分轉移到線粒體中，用于合成血紅素和鐵硫蛋白，未被利用的鐵則儲存在Ft中或經FPN轉移至胞外[10]。生成于骨髓的紅細胞主要功能是參與氧氣運輸，主要成分是血紅蛋白（約占干重的97％），血紅蛋白分子由四分子的珠蛋白和四分子亞鐵血紅素組成，血紅素又由4個吡咯環組成，在環中央有一個鐵原子。而脾臟等網狀內皮組織的巨噬細胞可吞噬衰老的紅細胞，經血紅素氧化酶１（heme oxygenase 1，HO-1）分解為鐵、膽綠素和一氧化碳，之后鐵參與含鐵蛋白的合成或儲存在Ft中和經FPN作用重新循環至血液中[11]。

動物機體內鐵穩態有賴于兩個調控系統來平衡。一個是系統調節水平的鐵調素-膜鐵轉運蛋白（Hepcidin-FPN）系統；一個是細胞調節水平的鐵調節蛋白-鐵反應元件（IRP-IREs）系統。

1.1 鐵調素（hepcidin）-FPN 系統

鐵調素（hepcidin）最初是由Krause和Park[12]在人尿液和血清中提純出來的，是肝臟細胞分泌的一種由25個氨基酸殘基組成的抗菌肽，其中8個半胱氨酸殘基構成發夾結構，2個臂被4個二硫鍵連接。雖然鐵調素最早被作為一種抗菌肽，但其主要功能是調控機體鐵代謝。它可以結合細胞膜表面的FPN（細胞唯一的鐵外排通道），使其內化、泛素化降解，從而抑制十二指腸鐵吸收、巨噬細胞鐵外排。鐵調素水平受機體鐵含量、炎癥因子、造血、低氧等因素影響。

1.1.1 鐵含量

血色病蛋白是非典型主要組織相容性復合體Ⅰ類分子，可以與TfR1和TfR2結合形成復合物，當血液中鐵飽和度升高（＞30％）時，Tf-Fe2競爭性結合TfR1（Tf-Fe2與TfR2結合率很低），血色病蛋白則與TfR1脫離進而與TfR2結合，而血色病蛋白、TfR2和血幼素（hemojuvelin，HJV）三者可以在肝細胞膜上形成復合物，同時鐵過量時會導致BMP6表達升高，促使其與受體BMPRR及輔助受體復合物HJV結合，進而引發SMAD1/5/8蛋白磷酸化，磷酸化的SMAD1/5/8可以與SMAD4形成異源復合物，作為轉錄因子進入細胞核，結合鐵調素的啟動子區域中BMP/SMAD響應元件，激活鐵調素的轉錄[13]。另外在前體蛋白轉化酶（proprotein convertase）弗林蛋白酶（Furin）的作用下，HJV會降解成可溶的s-HJV，從而抑制鐵調素表達；此外，TMPRSS6基因編碼的Ⅱ型跨膜絲氨酸蛋白酶matriptase2，可通過剪切HJV抑制鐵調素的表達[3]。

1.1.2 炎癥

在感染情況下，動物機體受到刺激產生刺激炎癥因子IL-6，IL-6與受體結合激活JAK-STAT信號通路，導致STAT3磷酸化，磷酸化的STAT3結合到鐵調素啟動子區附近的結合位點從而促進其表達。IL-1β可激活NF-κB和JNK信號通路，C/EBPδ和c-Jun/JunB結合到鐵調素啟動子區附近的結合位點從而促進其表達。另外細菌脂多糖可以結合Toll樣受體4，通過MyD88依賴和非依賴途徑激活NF-κB表達，從而促進鐵調素表達[3，13-14]。

1.1.3 造血

當動物機體出現生理性或病理性失血等情況時，造血活動增加，需要更多的鐵作為原料。腎臟分泌的促紅細胞生成素（erythropoietin，EPO）是造血過程中的關鍵調控分子，EPO可以與其受體紅細胞生成素受體（Erythropoietin Receptor，EPOR）結合，激活JAK2/STAT5調控通路。2014年發現的一種由前體紅細胞分泌的激素人赤鐵酮（erythroferrone，ERFE）啟動子區含有STAT5的結合位點，ERFE直接作用于肝細胞抑制鐵調素生成[15]。此外，生長分化因子15（growth differentiation factor 15，GDF15））和扭轉原腸胚形成蛋白1（twisted gastrulation-1，TWS G1）也被認為參與了造血調控鐵調素表達的過程[15-16]。

1.1.4 缺氧

缺氧條件下，缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）表達增強，HIF可以直接與鐵調素啟動子區結合，抑制其轉錄水平。此外缺氧促進促紅細胞生成素的表達，通過造血途徑抑制鐵調素表達[13]。

1.2 IRP-IREs系統

鐵反應元件（iron-responsive elements，IREs）存在于多種鐵調節蛋白的mRNA的非翻譯區（untranslated regions，UTR），在鐵缺乏的細胞中，IRP與TfR1、DMT1 mRNA的3’UTR的多個IREs結合，增強其mRNA的穩定性，從而增強鐵吸收。IRP與FPN、Ft 5’UTR的單個IRE結合，抑制FPN、Ft翻譯，從而減少鐵外排。在鐵充足的細胞中，IRP1與Fe-S簇結合導致構象改變，失去與IRE結合能力，另外，IRP1/IRP2在一些蛋白酶的作用下，泛素化降解[3]。

2" 細菌鐵代謝

鐵也是細菌生長所必需的重要元素，動物機體大部分的鐵結合在血紅素相關蛋白、鐵蛋白和轉鐵蛋白中，游離鐵含量只有約10-18 M，而細菌胞內鐵含量在10-7～10-5 M，且細菌每繁殖一代需105～106個Fe3+離子，遠低于細菌所需鐵量[17-19]。細菌進化出多種攝鐵途徑，如鐵載體（siderophore）途徑、Heme鐵途徑、Tf或乳鐵蛋白（Lf）途徑、Fe2+離子轉運途徑。

2.1 細菌攝鐵途徑

2.1.1 鐵載體途徑

鐵載體是一種高效結合Fe3+的低分子量物質[20]，廣泛存在于細菌、真菌及禾本科植物中。其與鐵的結合常數遠大于Tf與鐵的結合力。鐵載體根據化學結構可分為兒茶酚鹽類、酚鹽類、異羥肟酸類、羥基羧酸鹽類。其中腸桿菌素（enterobactin）和沙門嗜鐵素（salmochelins）是細菌分泌的兩種常見的鐵載體，屬于兒茶酚鹽類。首先，結合有鐵的鐵載體需要通過相應的受體才能轉移至胞內，這個過程受FepA、IroN受體蛋白介導[21]，需要ATP依賴的TonB-ExbB-ExbD系統提供能量[22]。另外還有多種鐵載體受體，如Cir、FecA、FecA、FhuE、Fiu[23]。然后，經細胞周質的FepB將結合有鐵的鐵載體轉運給內膜上的FepD GC系統，最后，轉移到細胞質中。

2.1.2 Heme途徑

有些細菌如疽桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌進化出可利用Heme和血紅素蛋白中鐵的機制[24]。它們可以通過細胞膜表面的相關受體介導Heme的攝取。

2.1.3 Tf和Lf途徑

細菌可以通過合成鐵載體吸收Tf和Lf中的鐵，而有的細菌可直接獲得Tf和Lf中的鐵。如奈瑟菌可通過表面Tf受體TbpA和TbpB、Lf受體LbpA和LbpB剝奪Tf和Lf中的鐵，這個過程需要TonB-ExbB-ExbD系統和ABC轉運蛋白參與，并受鐵吸收調節蛋白（Ferric uptake regulator，Fur）調控系統調節。

2.1.4 Fe2+轉運途徑

Fe2+轉運蛋白最早在大腸桿菌中發現，由兩個高度保守的FeoA、FeoB組成，Feo轉運蛋白在細菌在低氧環境中發揮著重要作用[25]。

2.2 鐵在細菌內的儲存及調節

細菌儲鐵蛋白包括Ft、Bfr和Dps[20]。它們的結構和功能相似，由12或24個相同或相似的亞基組成近似球形的蛋白骨架，在中央形成一個儲鐵池。細菌鐵吸收受嚴格的調控，主要是轉錄水平上的調控。其中革蘭陰性菌受Fur調控系統調控，革蘭陽性菌受DtxR調控系統調控。高鐵條件下，Fur/DtxRr通過一個17 kDa高組氨酸含量的多肽結合Fe2+，作為阻遏蛋白結合到鐵調控基因啟動子的“Fur box”位點上，抑制轉錄與鐵代謝相關的基因表達；低鐵條件下，Fur/DtxR的轉錄抑制被解除，與鐵吸收相關的基因開始表達[20]。

3" 宿主和細菌鐵代謝的關系

在腸道健康條件下，共生菌，如乳酸桿菌，分泌的代謝物1，3-二氨基丙烷導致HIF2α降解，進而導致腸道上皮細胞Dcytb、DMT1和FPN下調，同時一些未知的代謝物上調Ft的表達[26]。宿主中性粒細胞分泌的脂質運載蛋白2（Lipocalin 2）和Lf可以競爭性螯合腸道中的鐵離子和細菌鐵載體結合的鐵，從而抑制病原菌的生長。腸道鐵過載情況下，某些細菌，如沙門菌，可分泌沙門嗜鐵素，這種鐵載體結合的鐵不能被Lipocalin 2奪取，導致病原菌增殖。但也有研究發現，IRP1/2在機體抗沙門菌感染過程中也發揮著重要作用，可以通過增強Lcn2表達和抑制沙門菌對Ft鐵的攝取，限制其生長繁殖，具體的機制還需進一步研究。另外，感染狀態下，鐵調素的高表達導致FPN鐵輸出減少，血鐵的減少進一步減少細菌鐵的來源。

4" 小結

總之，鐵作為動物機體和病原微生物生長不可或缺的微量元素，在機體內的可利用度和分布顯著影響病原微生物的毒力和宿主的免疫反應。機體如何在滿足自身鐵需求的情況下，減少病原菌鐵的攝取，是維持機體健康的重要保證。

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