血紅素加氧酶-1在鐵代謝中的作用

          【摘要】 鐵是饑體必需的微量元素，有著廣泛的生物學(xué)作用，包括氧化運(yùn)輸和細(xì)胞呼吸作用，缺鐵 會(huì)引起細(xì)胞生長(zhǎng)停滯或死亡，鐵過(guò)載會(huì)使細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激進(jìn)而損傷細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)、核酸。血紅素加 氧酶-1( Ho-1）分解血紅素產(chǎn)生鐵是鐵重復(fù)利用主要的來(lái)源，在鐵代謝中的作用至關(guān)重要。 
        【關(guān)鍵詞】 血紅素加氧酶-1；鐵代謝；膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；鐵蛋白；鐵調(diào)素 
        血紅素加氧酶一l（heme oxygenase-l，HO-I）是由 Hmoxl基因編碼的一個(gè)應(yīng)激反應(yīng)酶，可以分解血紅 素為CO、Fe和膽綠素，膽綠素在膽綠素還原酶的作 用下還原為膽紅素。以往HO-I的研究多集中在其保護(hù)性作用已HO-I通過(guò)降解咀紅素及其產(chǎn)物在抗氧化、抗炎、調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和死亡中起到重要作用 但是近年，開(kāi)始關(guān)注HO-1的致病性作用，這些作用多與鐵代謝相關(guān) 鐵的攝取、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存和再利用 鐵是機(jī)體必需的微量元素，有著廣泛的生物學(xué)： 作用，包括氧化運(yùn)輸和細(xì)胞呼吸的作用，缺鐵會(huì)引起細(xì)胞生長(zhǎng)停滯或死亡，鐵過(guò)載會(huì)使細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激損傷細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)、核酸。因此需要精細(xì)的調(diào)節(jié)才 能滿足人體對(duì)鐵的正常需求。而人體95％的鐵 是來(lái)源于衰老紅細(xì)胞再循環(huán)的鐵，也就是血紅素分 解產(chǎn)生的鐵，因此HO-l在鐵代謝中的作用至關(guān)重 要。 
        1.1鐵的攝取
        已有研究關(guān)于鐵的攝取主要有三個(gè)途徑：①通 過(guò)細(xì)胞膜表面的二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體( DMTl)，十二指腸吸收的無(wú)機(jī)鐵有Fe3+和Fe2+，只有Fe2+可 以進(jìn)出上皮細(xì)胞，一般認(rèn)為，F(xiàn)e3+要在細(xì)胞色素B(Dn。tB)作用下還原成Fe2+才能被二價(jià)金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)體( DVITl)在多銅氧化酶家族的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)輔助蛋白(11Pphaestin，Hp)等輔助下轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞；②內(nèi)吞 作用：F’e -在十二指腸溶液的pH中是不可溶的并 且會(huì)迅速沉淀為了避免其沉淀，可能需要通過(guò)內(nèi) 吞途徑來(lái)獲得Fe3+；③血紅素鐵的攝?。菏澄镏械难t素鐵一般來(lái)源于動(dòng)物性食物，heme-Fe的吸收主要有三個(gè)步驟：步，從腔面頂端攝取，可 能的機(jī)制有：受體介導(dǎo)的內(nèi)吞，通過(guò)血紅素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（hcpl)或其他未知的因子介導(dǎo)攝人、被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)；第二步，細(xì)胞內(nèi)分解；第三步，heme-Fe或鐵的輸出

        1．2 鐵的運(yùn)送、儲(chǔ)存 吸收人腸道的鐵有三種去路：以鐵蛋白形式儲(chǔ)存、以游離鐵池儲(chǔ)存，在機(jī)體需要時(shí)釋放、通過(guò)鐵輸出蛋白ferroportin l(FPNI)釋放入血。進(jìn)入循環(huán)的： fe2+．會(huì)在鐵氧化酶如銅藍(lán)蛋白等作用下，氧化成fe3+才能與轉(zhuǎn)鐵蛋白( Tf)結(jié)合．被運(yùn)輸?shù)綑C(jī)體各個(gè) 器官組織進(jìn)行利用或在肝臟中儲(chǔ)存。 1.3 鐵的再利用 人體每天需要20 -25g鐵來(lái)滿足紅細(xì)胞血紅蛋白的合成，因此95%的鐵來(lái)自于衰老紅細(xì)胞的再循 環(huán)。巨噬細(xì)胞可以通過(guò)細(xì)胞膜上的TfRI結(jié)合轉(zhuǎn)鐵蛋白( Tf)結(jié)合的鐵，引發(fā)細(xì)胞膜內(nèi)陷，形成內(nèi)涵體， 其內(nèi)部pH在質(zhì)子泵作用下降低到4-5，隨后Tf-TfR1構(gòu)象發(fā)生變化，釋放出Fe3+。Tf-TfR1則回到 細(xì)胞表面，繼續(xù)發(fā)揮轉(zhuǎn)運(yùn)鐵的作用。另一種方式是吞噬衰老的紅細(xì)胞，隨之HO-1表達(dá)增加，降解heme并釋放Fe2+，經(jīng)由內(nèi)涵體膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)囊泡中 的Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)中，再由細(xì)胞膜上FPN1將鐵轉(zhuǎn) 運(yùn)到血漿。這種噬紅細(xì)胞作用非常重要。也是研究HO-1-／一小鼠巨噬細(xì)胞的一個(gè)很重要的方面。 2 HO-1分解血紅素產(chǎn)生鐵 在J774細(xì)胞中，HO-1過(guò)表達(dá)細(xì)胞中結(jié)合鐵明顯高于對(duì)照組細(xì)胞，用anti-FTH siRNA轉(zhuǎn)染HO-I過(guò)表達(dá)細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)不再具有保護(hù)作用，證明其保護(hù)作 用是通過(guò)鐵蛋白合成增加來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AD模型鼠 海馬HO-1升高伴鐵的沉積，導(dǎo)致一些相關(guān)蛋白如
CDK5的升高，而在細(xì)胞轉(zhuǎn)染shHO-1載體后及給予去鐵胺刺激，則可以逆轉(zhuǎn)HO-1帶來(lái)的作用L14]。說(shuō)
明在細(xì)胞和動(dòng)物模型中，HO-1的增加均會(huì)引起鐵的 沉積。 Poss等。

        研究發(fā)現(xiàn)，HO-1敲除也引起肝鐵的沉積，這就給研究者提出了一個(gè)疑問(wèn)，為什么HO-I過(guò)表達(dá)和HO-I敲除都引起鐵的沉積呢？HO-I除 了分解血紅素產(chǎn)生鐵以外，還對(duì)鐵代謝有哪些影響呢？3 HO-1參與鐵代謝的其他環(huán)節(jié)
        3.1 HO-I與鐵轉(zhuǎn)運(yùn)
        TfR在鐵的運(yùn)輸、利用中起重要的作用。細(xì)胞鐵濃度降低時(shí)，TfRI蛋白表達(dá)升高，使鐵輸入增多[13]。但是在穩(wěn)轉(zhuǎn)HO-I的HEK293細(xì)胞中，盡管游離鐵增加，但TfR mRV\水平下降達(dá)500-/0?？赡?的原因?yàn)榉€(wěn)轉(zhuǎn)HO-I會(huì)產(chǎn)生0L，使ISC氧化失活， IRP1不可逆性失活，從而TfR mRNA水平下降對(duì)HO-1敲除小鼠進(jìn)行血清學(xué)檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和度明顯下降，18一HO-1缺乏患者的血清 中，sTfR明顯升高，可能為了代償貧血而引起的紅 細(xì)胞生成增加。

        3.2 HO-1與鐵輸出FPNI是目前已知的的膜鐵輸出蛋[1 ． 在十二指腸和巨噬細(xì)胞高表達(dá)，在肝細(xì)胞低表達(dá)，小管上皮細(xì)胞基底膜也有表達(dá)’。其對(duì)于全身鐵 平衡有重要作用。缺鐵飲食條件下，敲除肝細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的FPNI基因，會(huì)引起嚴(yán)重的貧血FPN1的調(diào)節(jié)機(jī)制，一是鐵調(diào)節(jié)蛋白的轉(zhuǎn)錄前調(diào) 節(jié)[21]，缺鐵條件下，鐵調(diào)節(jié)蛋白IRPs可以與FP\I的5 UTR區(qū)的IRE結(jié)合，抑制FPNJ的翻譯，同時(shí)也能和鐵蛋白重鏈輕鏈的5 UTR區(qū)的IRE結(jié)合，使鐵蛋白合成減少，與轉(zhuǎn)鐵蛋白和DMrrl 3’UTR區(qū)的IRE結(jié)合，則使這兩種蛋白mRNA穩(wěn)定性增強(qiáng)，促進(jìn)鐵的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)，減少鐵的儲(chǔ)存和輸出。J774細(xì)胞
噬紅細(xì)胞作用( EPC)后，鐵蛋白明顯升高，F(xiàn)PN1與 HO-1蛋白表達(dá)一致，均明顯升高，證明在HO-1分 解血紅素產(chǎn)生鐵時(shí)，促進(jìn)FPN1的表達(dá)增加。二是血紅素獨(dú)立于鐵的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。血紅素從 衰老的紅細(xì)胞中釋放，引起氧化應(yīng)激，抑制環(huán)氧氯丙 烷相關(guān)蛋白1( Keapl)，Nrf2從Keapl解離，進(jìn)入細(xì)胞核，與Maf蛋白形成異二聚體，與FPN1啟動(dòng)子區(qū)的MARE/ARE序列結(jié)合并取代阻遏蛋白轉(zhuǎn)錄因子 Bachl，活化FPNI，Bachl本身也可以直接受heme抑制，此調(diào)節(jié)機(jī)制同樣見(jiàn)于heme對(duì)于HO-1和fer-ritin的調(diào)節(jié)。因此，在HO-1敲除鼠的骨髓巨噬細(xì)胞EPC后，F(xiàn)PNI的表達(dá)不象野生型鼠與HO-I變 化一致，而是呈現(xiàn)持續(xù)高水平，可能因?yàn)镠O-I敲除小鼠的巨噬細(xì)胞不能有效分解血紅素，引起FPNI的表達(dá)持續(xù)升高三是一些蛋白例如鐵調(diào)素( Hepcidin)對(duì)FPN1的翻譯后調(diào)節(jié)。鐵過(guò)載Ⅱ扎flep-cidin分泌增多，加速FPN1的降解，關(guān)閉鐵向血液轉(zhuǎn)
運(yùn)的出口，使小腸上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞向血液輸送 的鐵減少，鐵缺乏時(shí)，Hepcidin分泌減少．Ff）、1表達(dá)增多，向血液中轉(zhuǎn)運(yùn)的鐵增多，從而維持全身鐵的穩(wěn)態(tài)。但是當(dāng)HO-I敲除時(shí)，F(xiàn)PN1口r能會(huì)對(duì)抗Hepcidin介導(dǎo)的失活”。在FPNI內(nèi)化降解的脂質(zhì) 伐中發(fā)現(xiàn)除了FPN還有HO-I和銅籃蛋白，說(shuō)明其 內(nèi)化作用可能需要HO-I及其他因子的輔助M：還有人認(rèn)為鐵的輸出存在著HO-I依賴(lài)途徑因此在 HO-I缺乏時(shí)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)不出胞外，這可能是導(dǎo)致HO-I缺乏時(shí)鐵沉積在組織中的一個(gè)原因

        3.3 HO-l與鐵儲(chǔ)存
        F 1¨．1-itin通常由重鏈(FTH)和輕鏈(FTL)組成， 每24個(gè)亞基組成一個(gè)球形的鐵蛋白，可以儲(chǔ)存4 500個(gè)鐵原子．不同的細(xì)胞類(lèi)型，H和L比例不 同，H鐵蛋白能在應(yīng)激狀態(tài)下合成，具有鐵氧化酶的活性，能把：價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵儲(chǔ)存起來(lái)，L鐵蛋白 負(fù)責(zé)鐵的長(zhǎng)期儲(chǔ)備。血紅素分解產(chǎn)生游離鐵，是有潛在危險(xiǎn)的，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生自由基，但是同時(shí)鐵蛋白 ，卜調(diào)，它具有很強(qiáng)的儲(chǔ)鐵能力。在很多情況下起到 細(xì)胞保護(hù)作用，使細(xì)胞免受氧化損傷：27：。在HO-I過(guò)表達(dá)的A549細(xì)胞中鐵的總量增加，而游離鐵減 少，認(rèn)為H()-1是通過(guò)這種鐵的重新分布起到保護(hù)作用。并且用a11Ii-FTHI -siRNA轉(zhuǎn)染HO-I過(guò)表達(dá) 細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)不再有效對(duì)抗氧化損傷”1。說(shuō)明HO-l發(fā)揮細(xì)胞保護(hù)作用主要是通過(guò)鐵蛋白的抗氧化作用 也有研究顯示血紅素（氯化高鐵血紅素）誘導(dǎo)的H()-1表達(dá)增加的細(xì)胞，鐵蛋白合成增加，這種增加是由于HO-I分解血L紅素釋放的鐵增加，通過(guò)IRP/IRE轉(zhuǎn)錄后機(jī)制調(diào)節(jié)來(lái)引起的；而用非血紅素（亞砷酸鈉）誘導(dǎo)HO-I表達(dá)增加的細(xì)胞，鐵蛋白合成無(wú)變化，但是事實(shí)證明HO-I仍然起到抗氧化應(yīng)激的作用，因此認(rèn)為可能在缺乏外源性heme的情況下，HO-1是通過(guò)其它途徑發(fā)揮作用的。。Li等也提出相似的觀點(diǎn)，在缺乏外源性heme的情況下，用HO-I穩(wěn)轉(zhuǎn)非紅細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)轉(zhuǎn)H()-1補(bǔ)償維持ljf）活性，作用于heme的周轉(zhuǎn)一IRP結(jié)合力卜降所引起的ferritin升高的作用被蛋白酶體的抑制 作用抵消了。鐵蛋白被水解掉用于線粒體中heme的合成，以補(bǔ)償heme的周轉(zhuǎn)。因此在HO-1過(guò)表達(dá) 細(xì)胞中鐵蛋白的表達(dá)是否同誘導(dǎo)方式，轉(zhuǎn)染方式、細(xì)胞類(lèi)型有關(guān)還有待進(jìn)一步研究。在HO-1敲除小 鼠，人們比較關(guān)注i的是腎臟鐵蛋白的情況，因?yàn)檫@時(shí) 認(rèn)為腎臟是代替脾臟進(jìn)行鐵的回收利用的器官。 HO-I小鼠的腎臟細(xì)胞裂解液和腎膜裂解液中發(fā)現(xiàn) 重鏈及輕鏈鐵蛋白均明顯增加，并被鐵飽和。 在腎膜卜的鐵蛋白可能不是起去鐵毒性的作用。 
        3. 4 HO-I與鐵調(diào)芍
        Hepcidin在機(jī)體鐵代謝中起著核心調(diào)節(jié)作用。 它是由肝臟合成的25 1、氨基酸的活性肽，進(jìn)入血液 循環(huán)發(fā)揮作用。可以鈍化FPNI 來(lái)抑制鐵從鐵從腸細(xì)胞及巨噬細(xì)胞中流出，與鐵水平呈負(fù)反饋關(guān)系 Hep-ciclin敲除小鼠(Hanipl’’)會(huì)m現(xiàn)明顯鐵過(guò)載’ 它的合成可被多種刺激調(diào)節(jié)，如鐵儲(chǔ)存、炎癥、貧血、 缺氧等。31。炎癥可以通過(guò)JAK-STAT通路促進(jìn)其 表達(dá)，貧血、缺氧會(huì)抑制其表達(dá)以增加紅細(xì)胞生成活性。H0活性對(duì)于hepcidin的編碼基因 HAMP的表達(dá)沒(méi)有直接調(diào)節(jié)作用。而HO-1缺失引 起鐵平衡失調(diào)是引起鐵循環(huán)減少和hepcidin受抑制 的原因。但在HO-I敲除小鼠，會(huì)有鐵沉積、炎癥、貧血多重作用，不同月齡的小鼠，hepcidin的表達(dá)情況不同。8月齡的HO-1敲除小鼠hepcidin升 高。，而14月齡的HO-1敲除小鼠hepcidin檢測(cè)沒(méi)釘明顯變化，這可能與貧血的嚴(yán)重程度有關(guān)，而 出生1年內(nèi)的小鼠，貧血相對(duì)輕微，則鐵過(guò)載 和炎癥所趁的誘導(dǎo)作用大于貧血的抑制作用，hep-ciclii]表達(dá)升高：而超過(guò)1年的小鼠腎臟代償能力下 降，由溶血性貧血發(fā)展成為嚴(yán)重的缺鐵性貧血，則嚴(yán) 重的貧血和紅細(xì)胞生成對(duì)]二hepcidin的抑制作用抵消了鐵過(guò)載和炎癥的誘導(dǎo)作用，岡此hepcidin的表達(dá)可能沒(méi)有明顯變化在H()-I缺乏的病人，盡管伴隨炎癥和鐵沉積，但1．Pp。idin水平減低，認(rèn)為也是 因?yàn)閲?yán)重的貧血使骨髓造血需求增多[34]。

        4結(jié)語(yǔ)機(jī)體很多疾病都與鐵代謝失常有關(guān)，鐵沉積會(huì)引起很多疾病，HO-l在鐵穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作
用 例如老年癡呆癥，帕金森綜合癥等的發(fā)病機(jī)制與HO-I過(guò)表達(dá)引起鐵過(guò)載有關(guān)，在AD鼠，長(zhǎng)期過(guò) 表達(dá)HO-1．鐵過(guò)載引起tau蛋白磷酸化，在大腦聚集，形成神經(jīng)節(jié)纏結(jié)，加重病情。有研究發(fā)現(xiàn)， 抑制HO-1表達(dá)改善鐵沉積可以有效減輕肝臟纖維 化。 這也為肝纖維化患者提供了新的治療手段目前，對(duì)于HO-l對(duì)鐵代謝的調(diào)節(jié)作用的研究才剛剛起步，對(duì)于二者之間關(guān)系的進(jìn)一步研究會(huì)增強(qiáng)我 們對(duì)于體機(jī)體鐵穩(wěn)態(tài)的了解，并為我們提供新的有芙 鐵代謝疾病的新的治療策略。