李丰益 综述

四川大学华西第二医院 儿童血液肿瘤研究室

发表于：《国际输血及血液学》杂志， 2008 ； 31 （ 2 ）： 125-128.

内容摘要：铁作为细胞生长所必需一种重要元素，其在机体内的自身稳态调控过程非常复杂，近年来随着 Hepcidin 、铁转运蛋白（ ferroportin ）、血幼素 (hemojuvelin) 等一系列铁转运及调控分子的发现，使肠道铁吸收调控机制及与铁代谢相关疾病病理机理的研究逐渐深入。但有关母 - 胎铁转运调控机制及调控行为主体方面的研究仍有许多不清楚的地方，本文力图对相关研究成果和今后可能的研究热点作一综述和展望。

关键词： Hepcidin 铁代谢调控 母 - 胎铁转运

铁 (Fe) 作为一种非常重要的微量元素，它主要参与机体内氧气运输、细胞内能量代谢和遗传物质 DNA 合成等许多重要的生命过程，是细胞增殖生长和分化等所必需的。但体内铁负荷过重，又会导致游离铁浓度增高，并通过 Fenton 氏反应形成自由基，对细胞或组织造成氧化损伤。正常情况下机体可通过对参与铁吸收、储存和利用等过程的相关蛋白质在转录或转录后水平进行调控，以保证铁在体内处于动态平衡。

缺铁 (iron deficiency, ID) 乃至缺铁性贫血 (iron deficiency anemia, IDA) 仍然是严重危害人体健康的一种常见和多发性疾病，特别是围产期孕妇缺铁，不仅影响孕妇自身，而且可影响其胎儿和 6 个月内小婴儿铁代谢，导致多器官系统（特别是大脑）的生长发育和功能受到损害。最近一次全国性缺铁流调结果显示： ID 和 IDA 的发病率在学龄前儿童分别为 40.3% 和 7.8% ，在孕妇中则高达 61.7% 和 19.1% [1 、 2] 。因此进一步深入研究母 - 胎铁转运机制，对于更好的认识并预防围产期孕妇、胎儿及新生儿缺铁的发生是非常重要的。

 

一、机体铁代谢调控研究概况

近年的研究发现在对铁的吸收、利用、储存和排泄等过程中，机体对铁排泄过程不能进行有效的调控，因此维持体内铁动态平衡的关键是对铁吸收过程进行调控。铁吸收的主要部位在小肠，特别是十二指肠上段，成熟肠细胞是一种矢量细胞，其面向肠腔的刷状缘膜 (brush border membrane, BBM) 和面向血循环的基底膜 (basolateral membrane, BM) 具有不同的组成和功能。 BBM 上的二价金属转运体（ divalent metal transporter 1 ， DMT1 ），在十二指肠细胞色素 b 高铁还原酶（ ferrireductase ， Dcytb ）的参与下，主要负责将肠腔中的游离高铁离子转入胞内；另外，来自动物性食品的血红素铁则 可能 先经 BBM 上血红素受体的介导进入肠细胞，再由血红素氧化酶作用后经 DMT1 转运。 BM 上的高铁转运体（ ferroportin, FPN ）则在一种铜蓝蛋白的类似物——亚铁氧化酶（ ferroxidase ，又称 hephaestin ）的参与下，继而将肠细胞内的铁转入血循环，并以同转铁蛋白（ transferrin ， Tf ）相结合的形式存在于血中，供其它组织和细胞利用或储存。

有关肠道铁吸收的调控机制目前有两种假说，其一认为小肠隐窝细胞可感知血循环中 Fe 的变化，正常情况下当血循环中 Fe 降低时， Tf 的铁饱和度也降低。隐窝细胞与血循环相接触一侧的膜上转铁蛋白受体 1 （ transferrin receptor 1 ， TfR1 ）通过 Tf-TfR 途径，转入隐窝细胞内的 Fe 减少，导致胞内可变铁池（ labile iron pool ， LIP ）下降，胞内铁调节蛋白（ iron regulation protein ， IRP ）与某些铁代谢相关蛋白 mRNA 分子上的铁效应元件（ iron responsive element ， IRE ）间结合活性增高。由于大多铁代谢相关蛋白 mRNA 分子的 5' 或 3' 非翻译端均带有一个或多个 IRE ， IRP/IRE 结合活性的增强将使相应 mRNA 分子的翻译过程受抑（如铁蛋白， Fn ）或是增强 ( 如 DMT-1 等 ) 。因此肠道隐窝细胞感受缺铁后，即可通过这种铁代谢转录后调控机制，使新分化形成的成熟肠细胞中负责铁吸收和转运的相关蛋白的表达水平上调，进而使肠道铁吸收转运能力增加，最终使体内铁浓度达到新的平衡。有研究发现： TfR1- 人白细胞抗原相关血色素沉着症基因产物（ HLA-linked hemochromatosis gene, HFE ） - b 2 微球蛋白（ b 2 -microgolubin, b 2 M ）复合体在以上肠道铁转运调控过程中发挥着重要作用，当 TfR1-HFE- b 2 M 三聚体的结构和功能因其中某种蛋白质的基因突变而受到影响后，则隐窝细胞将不能通过该机制正常地感知血循环中铁浓度的变化。该假说可较好地解释因 HFE 基因突变所致的 I 型遗传性血色素沉着症（ hereditary hemochromatosis ， HH ）和因 b 2 M 等突变所致的铁负荷过重 [3 、 4] ，但无论是小肠隐窝细胞或是成熟小肠细胞均不是转铁蛋白受体 2 （ transferritin receptor2, TfR2 ）表达的优势细胞，因此很难用肠道隐窝细胞编程说解释因 TfR2 基因突变所致的Ⅲ型 HH 发生机体铁负荷过重的机制，提示该假说仍有不足。

肠道铁吸收调控的另一种假说与最近研究发现的一种主要由肝脏分泌的杀菌蛋白—— Hepcidin （ hep atic bacteri cid al prote in ， Hepc ）密切相关 [5 、 6] ， Hepc 又称肝脏表达的抗微生物肽（ liver expressed antimicrobial peptide ， LEAP-1 ）或肝脏抗微生物蛋白（ hepatic antimicrobial protein, HAMP ）。 人 Hepc 基因定位于 19q13.1 ，编码一个 84 氨基酸残基的前肽原 (prepropeptide ) 。该前肽原包括三部分： ① N- 端 24 个氨基酸残基的引导肽部分， ② 中间 35 个氨基酸残基的前区（ pro-region ），该区的 C- 端含有 5 个寡聚精氨酸残基，推测与 Hepc 前体肽（ pro-hepcidin, Pro-Hepc ）的剪切有关， ③ C- 端 25 个氨基酸残基的成熟 Hepc ，该区富含 8 个半胱氨酸残基，可形成四对分子内二硫键，对维持其变形 b - 折叠的立体结构有重要作用。

Hepc 最早被称为抗微生物肽，是因为其分子大小、结构和功能同参与人体抗击外来微生物的一大类天然免疫性小分子—— a 、 b 防御素（ defensins ）相似。随后的研究却发现 Hepc 作为一种‘激素样'分子，在体内铁代谢调控中具有非常重要的作用。已证实肝脏是体内 Hepc 表达的最主要器官，肝脏 Hepc 的转录水平随体内铁浓度的变化而相应变化，即铁浓度增加时其转录水平增高，缺铁时则降低 [5] 。剔除（ knockout ）位于 Hepc 基因上游的刺激因子 2 基因 (upstream stimulatory factor 2, USF2) ，可导致 Hepc 无表达或低表达的动物发生铁负荷过重 [7] ；在对不同的幼年型 HH （即Ⅱ型 HH ）家系进行遗传分析时，分别发现存在多种 Hepc 基因的突变，包括 93delG 、 166C → T 和 C70R 突变 [15, 16] ，以及 Hepc 基因上游血幼素（ Hemojuvelin ， HJN ）的 G320V 替代突变，推测 HJN 可能是 Hepc 表达的正调控子

[17] ，以上突变或影响 Hepc 的结构和功 能，或是影响 Hepc 的表达水平，结果导致机体 Hepc 活性下降、铁代谢调控紊乱，而临床均表现为铁负荷过重。 Nicolas G [8] 等从相反的方面探讨了 Hepc 异常高表达的生物学效应，他们将 Hepc 基因接在 transthyretin 基因启动子区到其部分第二外显子区的下游，用微注射的方法将经 PCR 扩增的上述线性化构建片断转入实验鼠肝中，制备成 Hepc 表达水平受肝脏特异性 transthyretin 启动子控制的转基因小鼠，当 Hepc 转基因受该启动子影响而高表达时，则导致转基因动物发生严重的 IDA 。

基于大量的实验结果， Frazer DM 和 Anderson GJ [18] 提出了一个以肝脏为中心、 Hepc 为介质、肠道（可能主要是成熟肠细胞）为靶器官的铁代谢调控假说（见右图），认为大量存在于肝细胞膜上的 HFE 、 TfR1 和 TfR2 分子可以感知血循环中 Fe-Tf/2Fe-Tf 与去铁转铁蛋白（ apo-transferritin, apo-Tf ）间浓度的变化，① 当体内铁状况正常时 ， TfR1 部分被 Fe-Tf/2Fe-Tf 结合，部分可与膜上的一些 HFE 分子结合，膜上另一些游离 HFE 分子可成为肝细胞核 Hepc 基因的活化信号；同时部分被 Fe-Tf/2Fe-Tf 结合的 TfR2 分子也可作为 Hepc 基因活化的信号，刺激肝细胞产生正常水平的 Hepc 。② 当体内缺铁时，肝细胞产生的 Hepc 水平则下降。③ 当体内铁负荷过重时 ，肝细胞产生的 Hepc 水平则明显增加。这样肠道在感受血中 Hepc 浓度变化后，通过调节 DMT-1 、 FPN 等

图 1 ： Hepc 参与体内铁代谢调控模式图

的表达水平，可使吸收入肠细胞和转入血循环中的铁量相应变化，以使体内铁稳态达到新的平衡。该模型较好地阐明了体内铁浓度、 Hepc 浓度与肠道铁吸收转运间的关系，同时还可较好地解释： ① 急、慢性感染、炎症或某些肿瘤患者中 Hepc 表达异常增高与体内发生铁代谢紊乱的关系； ② HFE 、 Hepc 、 TfR2 基因突变分别与Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型 HH 发生铁负荷过重间的关系； ③ 贫血、低氧、促红细胞生成素（ EPO ）等影响细胞或机体铁代谢与它们可影响 Hepc 表达间的关系 [9] 。另外， Yamaji S 等的研究证明 Hepc 可直接抑制肠细胞的铁吸收转运过程 [19] 。 Nemeth E 等的研究也发现： Hepc 可与肠细胞膜上 FPN 直接作用，导致后者发生内吞化和胞内降解 [20] ，进而降低肠细胞内铁向血循环中的转运。同样 Hepc 与 FPN 的相互作用可导致肝脏、脾脏和骨髓单核巨噬细胞内储存铁的动用受阻。

二、母 - 胎铁转运研究现状

胎盘滋养层合体细胞 也是一种矢量细胞，通过它介导的母 - 胎铁转运过程与发生在肠道的铁吸收转运过程非常相似。从上世纪七八十年代开始国外学者及我们研究室均先后研究证实：面向母体血循环的 BBM 可通过 TfR 或铁蛋白受体（ ferritin receptor ， FnR ）介导的内吞作用将母体血循环中的铁转入胞内，但进入滋养层合体细胞内的铁是如何经过 BM 而进入胎儿血循环的却一直未能弄清。近年来借鉴肠道铁吸收方面的研究成果，先后发现胎盘也存在 DMT1 、 FPN 等铁代谢分子，因此目前倾向于认为铁进入胎盘滋养层合体细胞后，母 - 胎铁逆浓度梯度转运的后续过程主要是通过 DMT1 将铁从内吞小体中释放出，然后再通过 BM 面的 FPN 转入胎儿血循环内，当然这一过程中还伴随着由 Dcytb 和 Haephastin 参与进行的铁在 Fe +++ ? F ++ 间的转换。 Gambling L 等 [11] 在研究不同铁膳食条件下孕鼠胎盘铁转运相关蛋白表达情况时发现：孕鼠缺铁时除 TfR 明显增高外， Hephaestin 活性、含有 IRE 的 DMT-1 分子的 mRNA 水平和 DMT1 的总蛋白水平均明显增高，说明孕鼠缺铁时通过胎盘 TfR 、 DMT-1 、 FPN 通路进行铁转运的能力是增加的。另外，国外的研究还发现胎盘有大量 HFE 蛋白的表达，但目前对于母 - 胎铁转运过程的调控机制还知之甚少。

我们研究室曾对不同铁营养状况的中、晚期妊娠母 - 胎铁转运过程进行了多个课题的研究，主要的研究结论是：孕母轻度缺铁时（包括隐性缺铁期和轻度 IDA ） , 胎盘 BBM 上 TfR 和 FnR 表达水平均显著增高，同时孕母骨髓幼红细胞 TfR 表达水平也显著升高；孕母严重缺铁（缺铁进展到中、重度 IDA 水平）时，孕母骨髓幼红细胞 TfR 仍维持在很高的表达水平，但胎盘 BBM 上 TfR 和 FnR 表达水平却从轻度缺铁时的显著增高而回落到孕母铁状况正常时的水平。同时对胎肝幼红细胞铁染色、胎盘 Fn 分布的免疫组化染色、新生儿脐血铁代谢指标的分析后发现：孕母严重缺铁可导致胎儿的铁储存下降 [12 、 13 、 14] ，说明胎盘铁转运在孕母铁营养状况变化时有一定补偿性上调能力，但这种调控方式要保障胎儿铁代谢不受影响，似乎只在孕母轻度缺铁时有效。据此，我们还从孕母自身控制母 - 胎铁转运过程的角度提出了：母婴铁转运是 “有限无私” 过程的观念 ，更新了传统认为孕母铁状况不影响胎儿铁代谢，孕母可以通过胎盘“无私地”将铁转运给胎儿以保证其铁代谢需要的老观念。

胎盘本身是受精卵分化而成的，作为胎儿生长发育过程中的一个辅助器官，它所参与的母 - 胎铁转运过程更应受胎儿自身对铁需求状况而进行调控，也即是说孕母缺铁导致胎盘铁转运能力的上调可能是胎儿自身体内铁稳态调控机制起作用的结果。 Courselaud B 在研究 CCAAT/ 增强子结合蛋白 a （ CCAAT/enhancer-binding protein,C/EBP a ）及其 DNA 效应区（位于 Hepc 启动子基因 -250/230 区域）与胚胎发育过程中鼠肝 Hepc 基因表达的关系时，发现胚鼠肝脏 Hepc mRNA 水平在整个发育过程中基本处于 Northern blot 方法检测水平以下，仅在出生时出现快速、短暂而较强的表达 [10] ； Nicolas G 等也发现正常野生型 C57BL/6 小鼠在妊娠期胎肝 Hepc mRNA 水平和出生后 7 ~ 42 天的鼠肝 Hepc mRNA 水平均在 Nothern Blot 检测水平以下，而出生 0 ~ 2 天和 56 天则可见 Nothern Blot 检测水平的 Hepc mRNA ；而在几只存活下来的（可能是嵌合体） F1 代 Hepc 转基因鼠的肝中则发现 Hepc mRNA 水平的异常高表达，该鼠也呈严重的 IDA 表型 [8] ， 强烈提示胎鼠肝 Hepc 低表达与孕鼠母 - 胎铁转运调节过程密切相关 。由于胎鼠铁的吸收是通过胎盘完成的，这与出生后铁的吸收主要通过肠道进行所不同，因此胎鼠 Hepc 的低表达与胎鼠调控自身铁吸收器官——胎盘维持较高的铁吸收能力是一致的。

从生理的角度来说，胎儿在宫内处在一个相对的低氧环境中，吸收大量的铁用于红系造血，对于维系高水平的血红蛋白浓度、携带更多的氧供其新陈代谢，以及满足其他细胞快速增殖生长过程对铁的需要是非常重要的。另外新生儿出生后，迅速由宫内的胎式呼吸变为肺呼吸，为了迅速适应外部的高氧环境，其血红蛋白浓度快速下降（血红蛋白的组成也由 HbF → HbA ）。此时肝 Hepc 适时地高表达对于抑制肠道吸收铁（可能）和促进巨噬细胞储存大量的由血红蛋白分解而来的铁（或抑制巨噬细胞铁的释放），以避免游离铁负荷过重所造成的损害也是非常重要的。

三、母胎铁转运调控研究展望

前已述及人体缺乏铁排泄的调控机制，妊娠作为哺乳类的一种特殊生理过程，妊娠期铁经过胎盘从母体到胎儿的逆浓度梯度转运，对孕母来说实际上是一种铁的“排泄”。虽然胎盘铁转运过程与肠道铁吸收很相似，但从维系孕母自身铁稳态的角度考虑，它们则是完全相反的两个过程，而且国内外研究结果均显示在孕母（或孕鼠）缺铁时，这两个过程的铁转运能力均是上调的。从目前所掌握的铁代谢调控知识考虑，孕母自身似乎不可能通过同一种机制对它们同时进行调控，因此我们推测母 - 胎铁转运从理论上更可能受胎儿自身的控制。那么这种调控机制是否直接与胎儿自身感受铁浓度或其它因素的变化，再通过改变胎儿血循环中 Hepc 浓度来调节胎盘铁转运有关？是非常值得研究的。弄清这一点不仅有重要的理论价值，而且对于指导母婴围产期缺铁防治、降低孕母和新生儿铁缺乏症的发生、提高人体素质等均有重要意义。

主要参考文献： 

⑴中国儿童铁缺乏症流行病学调查协作组（通讯作者：朱易萍，廖清奎），中国 7 个月 ~ 7 岁儿童铁缺乏症流行病学的调查研究，中华儿科杂志， 2004;42(12):886-891.

⑵ 中国儿童、孕妇、育龄妇女铁缺乏症流行病学调查协作组（通讯作者：廖清奎），中国孕妇、育龄妇女铁缺乏症患病率调查，中华血液学杂志， 2004;25(11):653-657.

⑶ Robert E, Fleming and William S.Sly. Mechanisms of iron accumulation in hereditary hemochromatosis. Annu.Rev.Physiol.2002;64:663-680.

⑷ Sproule TJ, Jazwinska EC, Britton RS, et al. Naturally variant autosomal and sex-linked loci determine the severity of iron overload in beta 2-microglobulin-deficient mice. Proc.Natl. Acad. Sci. USA 2001;98(9):5170-5174.

⑸ Pigeon C, Ilyin G, Courselaud B, et al. A new mouse liver-specific gene, encoding a protein homologous to human antimicrobial peptide hepcidin, is over expressed during iron overload. J. Biol. Chem. 2001; 276(11):7811-7819.

⑹ Nicolas G, Viatte L, Bennoun M, et al. Hepcidin, A new iron regulatory peptide. Blood Cells,Molecules,and Diseases 2002;29(3):327-335.

⑺ Nicolas G, Bennoun M, Devaux I, et al. Lack of hepcidin gene espression and severe tissue iron overload in upstream stimulatory factor 2(USF2) knockout mice. Proc.Natl. Acad. Sci. USA. 2001;98(15):8780-8785.

⑻ Nicoload G., Bennoun M, Porteu A, et al. Severe iron deficiency animia in transgenic mice expressing liver hepcidin. Proc.Natl. Acad. Sci. USA.2002;99(7):4596-4601.

⑼ Nicoload G., Bennoun M, Porteu A, et al. The gene encoding the iron regulatory peptide hepcidin is regulated by anemia, hypoxia, and inflmmation. The Journal of Clinical Investigation 2002;110(7):1037-1044.

⑽ Courselaud B, Pigeon C, Inoue Y, et al. C/EBP a regulates hepatic transcription of hepcidin,an antimicrobial peptide and regulator of iron metabolism. The Journal Biology Chemistry 2002;277(43):41163-41170.

⑾ Gambling L, Danzeisen R, Gair S, et al. Effect of iron deficiency on placental transfer of iron and exprssion of iron transport proteins in vivo and in vitro. Biochemical Journal,2001;356 (Pt 3) :883-889. :

⑿ Liao QK, Kong PY, Gao J, et al. Expression of ferritin receptor in placental microvilli membrane in pregnant women with different ioon status at mid-term gestation. Journal of Clinical Nutrition.2001; 55(8) :651-656.

⒀ 廖清奎 , 张眉，罗春华， 等；中期孕母铁缺乏症对胎儿铁代谢的影响，中华儿科杂志， 1996;34(5):333-334.

⒁ 廖清奎， 罗春华，李强， 等；胎盘铁蛋白受体对调节母婴铁代谢的作用，中华医学杂志， 1992;72(10):619-621.

⒂ Roetto A, Daraio F, Porporato P, et al. Screening hepcidin for mutations in juvenile hemochromatosis: identification of a new mutation (C70r). Blood. 2004;103(3):2407-2409.

⒃ Roetto A, Papanikolaou G, Politou M, et al. Mutant antimicrobial peptide hepcidin is associated with severe juvenile hemochromatosis, Nat. Genet. 2003;33(1):21-22.

⒄ Papanikolaou G, Samuels ME, Ludwig EH,et al. Mutations in HFE2 cause iron overload in chromosome 1q-linked juvenile hemochromatosis. Nat Genet. 2004;36(1):77-82.

⒅ Frazer DM and Anderson GJ. The orchestration of body iron intake: how and where do enterocytes receive their cues? Blood cells, molecules, and diseasee. 2003;30( 3 ):288-297.

⒆ Yamaji S, Sharp P, Ramesh B, et al. Inhibition of iron transpoit aross human intestinal epithelial cells by hepcidin, Blood, 2004; 104(7): 2178-2780.

⒇ Nemeth E, Tuttle MS, Powelson L, et al. Hepcidin regulates cellular iron efflux by binding to ferroportin and inducing its internalization, Science ，2004; 306(17): 2090-2093.

版权所有，本栏目文字内容，未经作者许可，请勿转载

联系作者： lifengyicd@yahoo.com.cn