線粒體鐵蛋白在神經系統疾病的研究進展

邵 哲，郭大闖，孫 榕，王 幟，胡佳豪，彭 浩，馮基高

（1.海南醫學院附屬海南醫院海南省人民醫院， 海南 海口 570311；2.海南醫學院第二附屬醫院， 海南 海口 570216）

線粒體鐵蛋白（mitochondrial ferritin， FtMt）是Levi 等于2001 年發現的，是由位于染色體5q23.1上一種無內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、調節胞質鐵平衡等的功能［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］。然而在中樞神經系統中，FtMt 表達于整個大腦，表達水平隨區域而變化，并且區域分布與鐵在大腦不同區域的分布并不一致［5］。目前，越來越多的證據表明，FtMt 參與多種神經系統疾病的發生、發展，本文主要對FtMt 在神經疾病中的研究進展進行綜述。

1 FtMt 與神經退行性疾病

1.1 FtMt 與阿爾茨海默病

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

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

1.2 FtMt 與帕金森病

帕金森病（parkinson's disease， PD）是第二大常見的神經退行性病，好發于50 歲以上的中老年人，主要表現為運動障礙。發病機制與線粒體功能障礙、氧化應激、毒性蛋白質聚集等引起黑質、紋狀體等部位的多巴胺能神經元變性死亡有關［11］。

Tsubaki 等［12］研究發現， FtMt 免疫反應主要發生在正常對照組和PD 患者黑質致密部的多巴胺能神經元。PD 患者多巴胺能神經元外可見FtMt 陽性顆粒。定量結果顯示，PD 患者多巴胺能神經元的FtMt 免疫反應性明顯高于健康對照組。Shi 等［13］研究表明，FtMt 的過度表達導致神經元細胞中的胞質鐵缺乏，并顯著阻止了6-OHDA 誘導的鐵再分布的改變。重要的是，FtMt 能強烈抑制線粒體損傷，減少活性氧和脂質過氧化的產生，并通過調節Bcl-2、Bax 和caspase-3 通路挽救細胞凋亡，因此調節神經元細胞中的FtMt 表達可為PD 提供一種新的神經保護策略。HO-1 反應具有雙刃劍效應，過表達的HO-1 對星形膠質細胞中的神經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元有害。因此星形膠質細胞對HO-1 的適當干預和FtMt 的適當調節可能為PD 治療提供新型神經保護策略。

1.3 FtMt 與弗里德賴希共濟失調

弗里德賴希共濟失調是由于線粒體基質蛋白frataxin 缺乏而引起的細胞損傷，是一種進行性共濟失調的遺傳性神經退行性疾病，臨床癥狀表現為外周和中樞神經系統的退行性病變，并伴有肥大型心臟病和糖尿病［14］。

Campanella 等［15］研究發現，FtMt 可降低細胞內活性氧（ROS）水平，提高細胞內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，FtMt 表達減少了胞質和線粒體不穩定鐵池的數量。此外，FtMt 在弗里德賴希共濟失調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，FtMt 能通過調節線粒體鐵利用率來控制ROS的形成，提示FtMt 在以鐵穩態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，在對照病例的黑質致密部（SNc）和腹側被蓋區（VTA）中含神經黑色素的神經元中檢測到較弱的FtMt 免疫反應，PSP 表現出顯著增強的FtMt 免疫反應性。人FtMt的單克隆抗體（C65-2）與免疫FtMt 肽的預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 的神經元外觀察到幾個斑點。FtMt和酪氨酸羥化酶（TH）、神經膠質原纖維酸性蛋白和Iba1 的雙重免疫熒光組織化學顯示在PSP 的多巴胺能神經元、小膠質細胞和星形膠質細胞中可定位到FtMt。此外，在一些TH 陰性神經元中檢測到FtMt 免疫反應性。在SNc 和VTA 中，FtMt 免疫反應性與磷酸化tau 免疫反應性共定位。這些結果表明FtMt 參與了PSP 病理過程。在SNc，PSP 患者神經元出現較強的FtMt-IR 和LC 3-IR。在其他中腦區域，如上級丘，FtMt-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，將黑質神經元分為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。使用LC3-IR 對神經元損傷進行分期，并追溯LC3/FtMt 模式，可揭示FtMt 在黑質神經元中積累的進展。

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腦血流，然而在血流恢復過程中可引起一系列繼發性損害，主要病理、生理過程包括氧化應激、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，缺氧誘導因子1（HIF-1）可上調FtMt 表達，FtMt 可以通過隔離鐵來緩解低氧誘導的腦細胞死亡，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］研究發現，FtMt 在小鼠缺血性腦中增加。缺少FtMt 的小鼠會導致更嚴重的腦損傷和神經系統缺陷，并伴有鐵死亡的典型分子特征，包括大腦I/R 后脂質過氧化物和谷胱甘肽（GSH）增加。相反，FtMt 過度表達可逆轉這些變化。并且FtMt 消融可促進I/R 誘導的炎癥和肝素介導的鐵蛋白減少，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 誘導的鐵死亡和隨后的腦損傷方面發揮保護作用。其次在腦微血管內皮細胞（BMVEC）中的FtMt 表達在I/R 后上調，并且FtMt的過表達減弱了I/R 誘導的血腦屏障（BBB）破壞，FtMt 通過抑制I/R 處理的BMVEC 中的鐵失調和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氧（OGD/R）損傷下腦內皮細胞系bEnd.3 的細胞凋亡，這表明BMVEC 中鐵介導的氧化應激是BMVEC 損傷和缺血性中風中BBB 分解的早期原因。最后FtMt 缺陷可通過經典線粒體依賴途徑和內質網應激途徑加重I/R 腦神經元凋亡。相反，FtMt 過表達顯著抑制OGD/R 誘導的細胞凋亡和內質網應激反應的激活。同時，FtMt 過表達可減輕OGD/R誘導的線粒體鐵超載、線粒體功能障礙、ROS 的產生和神經元GSH 含量的增加。在OGD/R 損傷后，FtMt 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，從而增強了神經元細胞的抗氧化能力。總之，FtMt 可以通過調節細胞鐵含量以及防止ROS 過度產生，并維持能量代謝，從而保護缺血性腦卒中I/R 和BBB 破壞誘導的細胞凋亡以及鐵死亡。

3 FtMt 與腦膠質瘤

膠質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導致顱內腫瘤相關死亡的主要原因之一，腫瘤發生和血管生成是膠質瘤發生發展的兩個關鍵環節［23］。

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

4 FtMt 與創傷性腦損傷

創傷性腦損傷（traumatic brain injury， TBI）通常由交通事故、運動損傷、暴力傷害和職業事故引起，導致血管、神經元和軸突破壞以及思維、學習、語言和行為障礙［26］。許多既往研究都表明氧化應激在TBI 繼發性損傷中發揮著重要作用。

Wang 等［27］研 究 發 現，TBI 后3～14 d，FtMt 表達逐漸降低，而氧化應激水平逐漸升高，表現為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激呈線性相關。敲除FtMt 顯著加重了TBI 誘導的氧化應激、腦出血、腦梗死、水腫、神經系統嚴重程度評分、記憶障礙和神經功能缺損。然而，在FtMt 敲除小鼠中，所有這些效應均通過使用抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸對氧化應激的藥理學抑制而顯著減輕。這表明TBI 后FtMt 和氧化應激之間的重要相關性。Ft-Mt 缺乏至少部分通過增加氧化應激水平加重TBI誘導的腦損傷和神經功能缺損。

5 FtMt 與不安腿綜合征

不安腿綜合征（restless legs syndrome， RLS）是一種常見的神經系統疾病，主要表現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生或加重，運動后減輕［28］。

RLS 患者的磁共振成像和經顱超聲表明黑質中的鐵含量減少，表明在RLS 中，細胞鐵穩態發生了變化，神經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 樣本的黑質中FtMt 水平顯著增加，其中FtMt 主要存在于含有神經 黑 色 素 的 神 經 元 中［29，30］。FtMt 的 增 加 以 及 線 粒體數量的增加解釋了RLS 患者細胞中胞質鐵的減少。作為該過程的結果，細胞經歷缺鐵并且細胞溶質鐵蛋白的表達降低。胞質溶膠中的鐵缺乏，從鐵通過FtMt 遷移到線粒體，減少了鐵依賴性蛋白質的產生和成熟。事實上，RLS 細胞表達較低水平的調節蛋白IRP1 和其他ISC 蛋白。鐵也從胞質溶膠中去除以維持大量線粒體，表明RLS 中神經細胞的高代謝活性。在這種病理學中線粒體發生的激活導致鐵的代謝改變，并且無法控制其日常生理變化。盡管FtMt 在這種病理學中的作用尚不完全清楚，但它的增加似乎有利于鐵穩態的不穩定。與弗里德賴希共濟失調不同，在 RLS 中大量的FtMt 似乎對細胞有害［31］。

6 總結與展望

隨著對FtMt 功能和作用的深入研究，我們對FtMt 在病理狀態下有了更深入的了解。目前，Ft-Mt 調控神經系統疾病的研究主要集中在調控細胞氧化應激、胞質鐵的平衡。FtMt 可通過影響線粒體鐵含量、線粒體功能、ROS 的產生和神經元GSH 含量，進而調控神經系統有關疾病進展。值得注意的是，最近新發現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 可通過調節腫瘤相關抑制因子的表達，進而調節細胞凋亡和細胞周期，因此FtMt 可作為抑制神經系統腫瘤細胞增殖的新候選靶點，適當調節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系并探索出更多FtMt 作用于神經系統腫瘤的有效靶點，將為神經腫瘤的機制研究提供更有力的證據。相信隨著基礎與臨床研究的不斷進步，FtMt 一定會更好地應用到臨床疾病特別是神經系統疾病的防治中。

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：指導老師。

所有作者聲明不存在利益沖突關系。