汪 阳，王大会，张子敬，贺 花，徐嘉威，王二耀，雷初朝，陈 宏，黄永震*

（1.西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌 712100；2.铜仁学院农林工程与规划学院，贵州铜仁 554300；3.河南省农业科学院畜牧兽医研究所，河南郑州 450000；4.西北农林科技大学动物医学学院，陕西杨凌 712100）

铁是机体所必需的微量元素，参与许多重要的代谢途径，与动物体的免疫机制有着密切联系。铁蛋白是机体内储存铁形式之一，在哺乳动物中主要分布于肝脏和脾脏[1]，并且在铁代谢中发挥着至关重要的作用。但铁过量会引起细胞氧化应激反应，导致细胞死亡。高等真核生物铁蛋白由重链和轻链2 种亚基构成，分子结构具有高度对称性。其中重链又称铁蛋白重链1（Ferritin Heavy Chain 1，FHC），具有亚铁离子的氧化位点，通过氧化还原反应将生成三价铁复合物，极大地加快铁的存储速度。Ahmad 等[2]研究表明，在心脏、脾脏和肝脏等器官中，FHC 在细胞核中的表达量远远高于细胞质，而铁蛋白轻链（Ferritin Light Chain，FLC）则相反。近年来的研究表明，FHC 在氧化应激、猪蓝耳病和癌症等方面具有重要的研究价值。本文阐述了铁蛋白的分子结构、FHC 基因的表达调控与生物学功能，为今后的研究提供参考。

1 铁蛋白的结构

铁蛋白的相对分子质量为473 ku，呈球形，外径12～13 nm，由蛋白壳和中心的铁核构成。其中，蛋白壳有24 个亚基，脊椎动物的亚基分为FHC 和FLC 两类，排列方式高度对称。2 种亚基分别由2 个基因编码，具有不同的功能。FLC 是形成铁蛋白内腔的主要结构，FHC 具有亚铁离子的氧化位点，可以将Fe2+氧化为Fe3+，并将其储存在铁核中。铁核由氢氧化铁分子和磷酸盐分子组成，其中铁原子的累积量可达4 500 个[3]。

2 FHC 基因的结构及其表达调控

FHC 基因在人类、黑猩猩、恒河猴、狗和斑马鱼等中具有同源性，并且高度保守。人类的FHC 基因位于11 号染色体q12.3，全长3 376 bp，具有4 个外显子，其编码的蛋白具有183 个氨基酸残基。FHC 基因具有21个伪基因。目前已经观察到了数个选择性剪接的转录变异，但它们的生物学有效性尚未确定。牛的FHC 基因位于29 号染色体，具有4 个外显子，全长2 665 bp，其编码的FHC 由181 个氨基酸构成。刘然[3]研究发现，在鸭的FHC 基因5'侧翼序列含有1 个CpG 岛，转录起始点附近存在Sp-1 等多个反式作用元件，并且这些反式作用元件位于CG 二核苷酸位点上。

FHC 是铁的缓冲剂[4]，在含铁量较高的组织器官中FHC 含量较高，如肝脏、脾脏和骨髓等。铁蛋白的表达调控在转录水平和翻译水平上进行。FHC 转录起始位点上游存在抗氧化剂应答原件（Antioxidant Response Element，ARE），活性氧与ARE 结合能够促进FHC 转录[5]。铁蛋白mRNA 的5′端非翻译区有1 个呈柄-环结构的铁反应元件（IRE）[6]。细胞质有2个铁调节蛋白（IRP），分别是IRP1 和IRP2。在缺铁条件下，IRPs 通过与非翻译区域内的IRE 结合阻止核糖体组装，进而抑制铁蛋白mRNA 的翻译。当铁离子浓度较高时，IRP 和IRE 结合减少，铁蛋白的翻译速度加快，以储存过量的铁。而在铁过量的细胞中，IRP1组装了一个立方铁硫簇，阻止了IRE 的结合，IRP2 经蛋白酶体降解[7]。IRP1 和IRP2 对与铁无关的信号也会有不同反应。当 NO 含量增加时，IRP 含量增加并与IRE 结合，降低铁蛋白的合成速度[8]。H2O2对铁代谢的调节作用与IRP1 相关，过氧化氢可以将IRP1 迅速活化，并且整个反应过程中不必一直存在[9]。此外，其他因素如第二信使、生长因子、激素等也可以调节铁蛋白的表达。

3 FHC 基因的主要功能

3.1 FHC 基因对氧化应激的调控作用 细胞中铁含量过高会促进活性氧簇（Reactive Oxygen Species，ROS）的生成，进而触发凋亡信号转导途径，导致细胞凋亡[10]。由于FHC 上具有Fe2+的氧化位点，可以螯合游离的Fe2+，减少Fe2+氧化对细胞的伤害，并且能够利用芬顿反应阻止自由基的产生[9]。You 等[11]研究发现，线粒体铁蛋白通过调节铁代谢来降低细胞中ROS 含量，抑制氧化应激，降低1- 甲基-4- 苯基-1，2，3，6- 四氢吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）对小鼠神经元细胞损伤的程度。Picard 等[12]通过对FHC 基因野生型和杂合型的小鼠进行对比，发现缺少1 个FHC 等位基因会增加光诱导视网膜变性的概率。由于光照会造成视网膜的氧化应激，而FHC 具有抗氧化功能，因此提示FHC 具有保护视网膜的作用。另外，氧化应激能在转录和翻译水平促进铁蛋白的表达，减少氧化应激对机体的损伤[5]。

3.2 FHC 基因在病毒性肝炎中的作用 病毒性肝炎是由多种肝炎病毒引起的以肝脏病变为主的一种传染病，检测血清铁蛋白浓度是临床上诊断肝炎重要的参考依据。Lee 等[13]研究表明，猪感染戊型乙肝病毒后，肝脏中FHC 表达量显著降低；童一宇[14]发现，FHC 在感染雏鸭肝炎（DHV-1）的鸭肝脏中的表达有同样的趋势。当机体感染肝炎病毒后，由于肝细胞变性、坏死，其中储存的铁大量释放入血中[15]，导致肝脏中铁蛋白浓度下降，血清铁蛋白水平升高。

载脂蛋白apoB -100 引起的肝脂肪输出是导致肝脂肪变性原因之一。而丙型肝炎病毒（Hepatitis C，HCV）感染与apoB-100 分泌失调和脂肪变性有着密切的联系。Mancone 等[16]通过定量蛋白质组学和计算生物学分析，发现FHC 能够抑制apoB-100 的分泌。随后通过Western blot 验证了这一观点，实验结果显示HCV的非结构蛋白可以诱导FHC 上调，FHC 反过来可以抑制apoB-100 的分泌，通过蛋白酶体来增加apoB-100 在细胞内的降解[16]。细胞内FHC 基因通过siRNA 的下调可恢复apoB-100 的分泌，这为肝炎治疗提供了新思路。3.3 FHC 基因在肿瘤中的表达和作用 目前研究表明，FHC 基因在乳腺癌、肺癌、脑癌等恶性肿瘤中的表达均与正常组织有很大差异。Liu 等[17]采用转录组和蛋白质组结合的方法，在三阴性乳腺癌（Triple Negative Breast Cancer，TNBC）组织中发现了由细胞质FHC 调控的免疫调节网络，并通过TNBC T 淋巴细胞亚群组织的免疫染色进一步证实了FHC 与TNBC 有效免疫应答之间的联系。细胞质FHC 调节主要组织相容性复合体I（Major Histocompatibility ComplexI，MHC I）进行抗原处理并表示路径，随后吸引CD8+ T 细胞识别肿瘤细胞，而细胞核FHC 有利于癌症细胞的生存。所以，推测阻断FHC 细胞质- 核转换可能会抑制肿瘤转移，因此可能成为TNBC 的潜在治疗靶点。Kudriavtseva 等[18]研究发现，通过分析表达序列标签数据库，得到肺肿瘤中FHC 基因表达较正常组织减少。采用荧光定量PCR技术检测FHC 基因对应mRNA 的变化，在原发性鳞状肺癌中发现FHC 基因表达显著且频繁的被抑制。FHC基因mRNA 的检测可以作为肺癌早期诊断的标记方法。Rosager 等[19]利用免疫荧光标记法发现星形肿瘤细胞和小胶质细胞/ 巨噬细胞中FHC 的低水平表达与间变性星形细胞瘤存活率低有关，这表明未来星形细胞瘤的治疗策略应该考虑到铁通量以及小胶质细胞/巨噬细胞。

综上所述，虽然FHC 基因的表达在不同肿瘤中并不相同，但其表达量与肿瘤细胞的存活率相关联，可以为癌症的预防、治疗和监控提供新思路。

3.4 FHC 基因对少突胶质细胞的作用 少突胶质细胞异常会引起中枢神经系统脱髓鞘病变，甚至引发脑肿瘤。研究发现，少突胶质细胞的发育与铁的利用密切相关[20]。缺铁导致人和动物的低额髓鞘化，其神经后遗症显著。Hulet 等[21]研究发现，少突胶质祖细胞通过网格蛋白依赖性受体介导的包吞作用摄取细胞外的铁蛋白。Todorich 等[20]研究表明，小胶质细胞可以释放对少突胶质细胞有营养作用的铁蛋白，以满足少突胶质细胞对铁的需要。Li 等[22]分别在增殖和分化培养基中培养少突胶质细胞，并利用Western blot 检测发现成熟少突胶质细胞FHC 含量显著升高，证明了铁蛋白在少突胶质细胞成熟过程中的重要性。

3.5 FHC 基因在猪蓝耳病中的作用 猪蓝耳病又称猪繁殖与呼吸障碍综合征，由猪繁殖与呼吸障碍综合征病毒（Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome，PRRSV）引起，会导致母猪出现繁殖障碍，新生仔猪患有严重肺炎，并且常常继发其他病原感染，是一种免疫抑制病。Yan 等[23]利用抑制差减杂交技术分析了感染和未感染高致病性猪蓝耳病（HP-PRRSV）的猪肺泡巨噬细胞中差异表达的基因，结果发现感染HP-PRRSV 的细胞中FHC 基因下调，这表明FHC 可能参与了免疫应答反应，但其具体作用机制有待进一步研究。猪蓝耳病病毒具有抗体依赖增强作用，所以尚无有效的免疫防控措施。在深入研究FHC 的调控机制之后，将其作为分子标记辅助育种，可以为猪蓝耳病的防治提供新的途径。

4 小结与展望

FHC 在各组织器官中广泛存在，但其生物学功能在不同组织中呈现差异。在肝细胞中，肝炎病毒会引起FHC 基因高表达，进而增加肝脏脂肪变性的几率[16]；FHC 在视网膜中可以起到保护作用，减少光照对视网膜的损伤[12]。同时，FHC 在细胞的不同部位也会有不同的功能。在TNBC 细胞的细胞质中，FHC 是免疫调节网络的重要组成部分，通过调控MHC I，吸引T 细胞从而杀灭癌细胞；而在细胞核中则有利于癌细胞的生存[17]。机体内铁过量会导致氧化应激，铁蛋白的储铁作用极大地减少了过量铁的危害，而FHC 上的氧化活性位点为铁蛋白的功能发挥提供了前提条件。在许多中枢神经系统疾病的病理检测中发现铁和铁蛋白的含量过高，如阿尔茨海默氏症、帕金森病、亨廷顿氏舞蹈症[24]等，因此了解铁调控的机制至关重要，可以利用其调控机制将疾病对机体的破坏降低到最小程度。此外，FHC基因在感染和未感染HP-PRRSV 的细胞中出现了差异性表达，这表明FHC 在免疫机制中的作用，为动物的抗病育种提供了新的思路。

随着研究的不断深入，相信人们可以通过检测FHC基因的表达水平来诊断和监控癌症，并利用FHC 在细胞中不同位置功能的差异来抑制癌细胞的转移。目前，许多高度培育的品种暴露出抗病性差的问题，每年动物传染病都会给畜牧业带来巨大的经济损失。通过进一步研究FHC 对免疫机制的影响，可以为癌症的预防和监控提供参考依据，同时将该基因作为分子标记辅助选择能够为培育出新的抗病品系奠定基础。