血红素加氧酶-1在铁代谢中的作用

          【摘要】 铁是饥体必需的微量元素，有着广泛的生物学作用，包括氧化运输和细胞呼吸作用，缺铁 会引起细胞生长停滞或死亡，铁过载会使细胞发生氧化应激进而损伤细胞膜、蛋白质、核酸。血红素加 氧酶-1( Ho-1）分解血红素产生铁是铁重复利用主要的来源，在铁代谢中的作用至关重要。 
        【关键词】 血红素加氧酶-1；铁代谢；膜铁转运蛋白；铁蛋白；铁调素 
        血红素加氧酶一l（heme oxygenase-l，HO-I）是由 Hmoxl基因编码的一个应激反应酶，可以分解血红 素为CO、Fe和胆绿素，胆绿素在胆绿素还原酶的作 用下还原为胆红素。以往HO-I的研究多集中在其保护性作用已HO-I通过降解咀红素及其产物在抗氧化、抗炎、调节细胞增殖和死亡中起到重要作用 但是近年，开始关注HO-1的致病性作用，这些作用多与铁代谢相关 铁的摄取、转运、储存和再利用 铁是机体必需的微量元素，有着广泛的生物学： 作用，包括氧化运输和细胞呼吸的作用，缺铁会引起细胞生长停滞或死亡，铁过载会使细胞发生氧化应激损伤细胞膜、蛋白质、核酸。因此需要精细的调节才 能满足人体对铁的正常需求。而人体95％的铁 是来源于衰老红细胞再循环的铁，也就是血红素分 解产生的铁，因此HO-l在铁代谢中的作用至关重 要。 
        1.1铁的摄取
        已有研究关于铁的摄取主要有三个途径：①通 过细胞膜表面的二价金属离子转运体( DMTl)，十二指肠吸收的无机铁有Fe3+和Fe2+，只有Fe2+可 以进出上皮细胞，一般认为，Fe3+要在细胞色素B(Dn。tB)作用下还原成Fe2+才能被二价金属离子转运体( DVITl)在多铜氧化酶家族的铁转运辅助蛋白(11Pphaestin，Hp)等辅助下转运进细胞；②内吞 作用：F’e -在十二指肠溶液的pH中是不可溶的并 且会迅速沉淀为了避免其沉淀，可能需要通过内 吞途径来获得Fe3+；③血红素铁的摄取：食物中的血红素铁一般来源于动物性食物，heme-Fe的吸收主要有三个步骤：步，从腔面顶端摄取，可 能的机制有：受体介导的内吞，通过血红素转运蛋白（hcpl)或其他未知的因子介导摄人、被动转运、主动转运；第二步，细胞内分解；第三步，heme-Fe或铁的输出

        1．2 铁的运送、储存 吸收人肠道的铁有三种去路：以铁蛋白形式储存、以游离铁池储存，在机体需要时释放、通过铁输出蛋白ferroportin l(FPNI)释放入血。进入循环的： fe2+．会在铁氧化酶如铜蓝蛋白等作用下，氧化成fe3+才能与转铁蛋白( Tf)结合．被运输到机体各个 器官组织进行利用或在肝脏中储存。 1.3 铁的再利用 人体每天需要20 -25g铁来满足红细胞血红蛋白的合成，因此95%的铁来自于衰老红细胞的再循 环。巨噬细胞可以通过细胞膜上的TfRI结合转铁蛋白( Tf)结合的铁，引发细胞膜内陷，形成内涵体， 其内部pH在质子泵作用下降低到4-5，随后Tf-TfR1构象发生变化，释放出Fe3+。Tf-TfR1则回到 细胞表面，继续发挥转运铁的作用。另一种方式是吞噬衰老的红细胞，随之HO-1表达增加，降解heme并释放Fe2+，经由内涵体膜上的转运体介导囊泡中 的Fe2+转运到胞质中，再由细胞膜上FPN1将铁转 运到血浆。这种噬红细胞作用非常重要。也是研究HO-1-／一小鼠巨噬细胞的一个很重要的方面。 2 HO-1分解血红素产生铁 在J774细胞中，HO-1过表达细胞中结合铁明显高于对照组细胞，用anti-FTH siRNA转染HO-I过表达细胞，发现不再具有保护作用，证明其保护作 用是通过铁蛋白合成增加来实现的。AD模型鼠 海马HO-1升高伴铁的沉积，导致一些相关蛋白如
CDK5的升高，而在细胞转染shHO-1载体后及给予去铁胺刺激，则可以逆转HO-1带来的作用L14]。说
明在细胞和动物模型中，HO-1的增加均会引起铁的 沉积。 Poss等。

        研究发现，HO-1敲除也引起肝铁的沉积，这就给研究者提出了一个疑问，为什么HO-I过表达和HO-I敲除都引起铁的沉积呢？HO-I除 了分解血红素产生铁以外，还对铁代谢有哪些影响呢？3 HO-1参与铁代谢的其他环节
        3.1 HO-I与铁转运
        TfR在铁的运输、利用中起重要的作用。细胞铁浓度降低时，TfRI蛋白表达升高，使铁输入增多[13]。但是在稳转HO-I的HEK293细胞中，尽管游离铁增加，但TfR mRV\水平下降达500-/0。可能 的原因为稳转HO-I会产生0L，使ISC氧化失活， IRP1不可逆性失活，从而TfR mRNA水平下降对HO-1敲除小鼠进行血清学检测，可以发现其转铁蛋白饱和度明显下降，18一HO-1缺乏患者的血清 中，sTfR明显升高，可能为了代偿贫血而引起的红 细胞生成增加。

        3.2 HO-1与铁输出FPNI是目前已知的的膜铁输出蛋[1 ． 在十二指肠和巨噬细胞高表达，在肝细胞低表达，小管上皮细胞基底膜也有表达’。其对于全身铁 平衡有重要作用。缺铁饮食条件下，敲除肝细胞和巨噬细胞的FPNI基因，会引起严重的贫血FPN1的调节机制，一是铁调节蛋白的转录前调 节[21]，缺铁条件下，铁调节蛋白IRPs可以与FP\I的5 UTR区的IRE结合，抑制FPNJ的翻译，同时也能和铁蛋白重链轻链的5 UTR区的IRE结合，使铁蛋白合成减少，与转铁蛋白和DMrrl 3’UTR区的IRE结合，则使这两种蛋白mRNA稳定性增强，促进铁的吸收、转运，减少铁的储存和输出。J774细胞
噬红细胞作用( EPC)后，铁蛋白明显升高，FPN1与 HO-1蛋白表达一致，均明显升高，证明在HO-1分 解血红素产生铁时，促进FPN1的表达增加。二是血红素独立于铁的方式进行转录调节。血红素从 衰老的红细胞中释放，引起氧化应激，抑制环氧氯丙 烷相关蛋白1( Keapl)，Nrf2从Keapl解离，进入细胞核，与Maf蛋白形成异二聚体，与FPN1启动子区的MARE/ARE序列结合并取代阻遏蛋白转录因子 Bachl，活化FPNI，Bachl本身也可以直接受heme抑制，此调节机制同样见于heme对于HO-1和fer-ritin的调节。因此，在HO-1敲除鼠的骨髓巨噬细胞EPC后，FPNI的表达不象野生型鼠与HO-I变 化一致，而是呈现持续高水平，可能因为HO-I敲除小鼠的巨噬细胞不能有效分解血红素，引起FPNI的表达持续升高三是一些蛋白例如铁调素( Hepcidin)对FPN1的翻译后调节。铁过载Ⅱ扎flep-cidin分泌增多，加速FPN1的降解，关闭铁向血液转
运的出口，使小肠上皮细胞和巨噬细胞向血液输送 的铁减少，铁缺乏时，Hepcidin分泌减少．Ff）、1表达增多，向血液中转运的铁增多，从而维持全身铁的稳态。但是当HO-I敲除时，FPN1口r能会对抗Hepcidin介导的失活”。在FPNI内化降解的脂质 伐中发现除了FPN还有HO-I和铜篮蛋白，说明其 内化作用可能需要HO-I及其他因子的辅助M：还有人认为铁的输出存在着HO-I依赖途径因此在 HO-I缺乏时铁转运不出胞外，这可能是导致HO-I缺乏时铁沉积在组织中的一个原因

        3.3 HO-l与铁储存
        F 1¨．1-itin通常由重链(FTH)和轻链(FTL)组成， 每24个亚基组成一个球形的铁蛋白，可以储存4 500个铁原子．不同的细胞类型，H和L比例不 同，H铁蛋白能在应激状态下合成，具有铁氧化酶的活性，能把：价铁氧化为三价铁储存起来，L铁蛋白 负责铁的长期储备。血红素分解产生游离铁，是有潜在危险的，因为它会产生自由基，但是同时铁蛋白 ，卜调，它具有很强的储铁能力。在很多情况下起到 细胞保护作用，使细胞免受氧化损伤：27：。在HO-I过表达的A549细胞中铁的总量增加，而游离铁减 少，认为H()-1是通过这种铁的重新分布起到保护作用。并且用a11Ii-FTHI -siRNA转染HO-I过表达 细胞，发现不再有效对抗氧化损伤”1。说明HO-l发挥细胞保护作用主要是通过铁蛋白的抗氧化作用 也有研究显示血红素（氯化高铁血红素）诱导的H()-1表达增加的细胞，铁蛋白合成增加，这种增加是由于HO-I分解血L红素释放的铁增加，通过IRP/IRE转录后机制调节来引起的；而用非血红素（亚砷酸钠）诱导HO-I表达增加的细胞，铁蛋白合成无变化，但是事实证明HO-I仍然起到抗氧化应激的作用，因此认为可能在缺乏外源性heme的情况下，HO-1是通过其它途径发挥作用的。。Li等也提出相似的观点，在缺乏外源性heme的情况下，用HO-I稳转非红细胞，发现稳转H()-1补偿维持ljf）活性，作用于heme的周转一IRP结合力卜降所引起的ferritin升高的作用被蛋白酶体的抑制 作用抵消了。铁蛋白被水解掉用于线粒体中heme的合成，以补偿heme的周转。因此在HO-1过表达 细胞中铁蛋白的表达是否同诱导方式，转染方式、细胞类型有关还有待进一步研究。在HO-1敲除小 鼠，人们比较关注i的是肾脏铁蛋白的情况，因为这时 认为肾脏是代替脾脏进行铁的回收利用的器官。 HO-I小鼠的肾脏细胞裂解液和肾膜裂解液中发现 重链及轻链铁蛋白均明显增加，并被铁饱和。 在肾膜卜的铁蛋白可能不是起去铁毒性的作用。 
        3. 4 HO-I与铁调芍
        Hepcidin在机体铁代谢中起着核心调节作用。 它是由肝脏合成的25 1、氨基酸的活性肽，进入血液 循环发挥作用。可以钝化FPNI 来抑制铁从铁从肠细胞及巨噬细胞中流出，与铁水平呈负反馈关系 Hep-ciclin敲除小鼠(Hanipl’’)会m现明显铁过载’ 它的合成可被多种刺激调节，如铁储存、炎症、贫血、 缺氧等。31。炎症可以通过JAK-STAT通路促进其 表达，贫血、缺氧会抑制其表达以增加红细胞生成活性。H0活性对于hepcidin的编码基因 HAMP的表达没有直接调节作用。而HO-1缺失引 起铁平衡失调是引起铁循环减少和hepcidin受抑制 的原因。但在HO-I敲除小鼠，会有铁沉积、炎症、贫血多重作用，不同月龄的小鼠，hepcidin的表达情况不同。8月龄的HO-1敲除小鼠hepcidin升 高。，而14月龄的HO-1敲除小鼠hepcidin检测没钉明显变化，这可能与贫血的严重程度有关，而 出生1年内的小鼠，贫血相对轻微，则铁过载 和炎症所趁的诱导作用大于贫血的抑制作用，hep-ciclii]表达升高：而超过1年的小鼠肾脏代偿能力下 降，由溶血性贫血发展成为严重的缺铁性贫血，则严 重的贫血和红细胞生成对]二hepcidin的抑制作用抵消了铁过载和炎症的诱导作用，冈此hepcidin的表达可能没有明显变化在H()-I缺乏的病人，尽管伴随炎症和铁沉积，但1．Pp。idin水平减低，认为也是 因为严重的贫血使骨髓造血需求增多[34]。

        4结语机体很多疾病都与铁代谢失常有关，铁沉积会引起很多疾病，HO-l在铁稳态中起着至关重要的作
用 例如老年痴呆症，帕金森综合症等的发病机制与HO-I过表达引起铁过载有关，在AD鼠，长期过 表达HO-1．铁过载引起tau蛋白磷酸化，在大脑聚集，形成神经节缠结，加重病情。有研究发现， 抑制HO-1表达改善铁沉积可以有效减轻肝脏纤维 化。 这也为肝纤维化患者提供了新的治疗手段目前，对于HO-l对铁代谢的调节作用的研究才刚刚起步，对于二者之间关系的进一步研究会增强我 们对于体机体铁稳态的了解，并为我们提供新的有芙 铁代谢疾病的新的治疗策略。