乔 倩 综述，耿 惠 审校

(1.青海大学医学院，西宁 810001；2.青海大学附属医院血液科，西宁 810001)

·综 述·

低氧条件下铁调素表达的研究进展

乔 倩1综述，耿 惠2△审校

(1.青海大学医学院，西宁 810001；2.青海大学附属医院血液科，西宁 810001)

铁调素；缺氧；铁代谢；铁稳态

铁调素(hepcidin,Hepc)是调控体内铁稳态的关键的铁调节激素。它是由肝脏合成并分泌到血液循环中的富含25个氨基酸的抗菌多肽(2 789.4)。Hepc最初是在血液和尿液中以抗菌肽的形式被发现的。Hepc在生物体内检测是含有25个氨基酸的多肽形式(hepcidin-25)和2种较小的同种型(hepcidin-22和hepcidin-20)，但只有hepcidin-25已被证实参与铁代谢的调节。尽管Hepc在体外具有抗菌作用，但在生理条件下低浓度的Hepc不能发挥上述抗菌活性，也就是说发挥抗菌肽作用的浓度比生理状态下的浓度要高[1]。Hepc是铁稳态的中央调节因子，它可以通过Hepc-膜铁转运蛋白(ferroportin，FPN)轴，调控肠道铁的吸收和巨噬细胞铁的释放，这一功能是通过诱导FPN细胞内吞和降解而实现的[2]。

1 Hepc与铁代谢的关系

1.1 Hepc对铁稳态的调节 Hepc是调节铁稳态的关键物质，可在铁的动态平衡中发挥有效作用，它的变化会引起铁含量超负荷和铁缺乏。因此，对它的研究得到了科学界的广泛重视，并成为研究机体铁代谢的一个重要领域。

Hepc对铁代谢的调节主要通过FPN实现，FPN是目前在哺乳动物中发现的唯一的细胞铁输出蛋白，在肝脏、十二指肠上皮细胞、网状内皮组织巨噬细胞的细胞膜上均有表达[3]。具体机制为：Hepc与细胞表面的FPN结合，形成Hepc-FPN复合物，诱导了FPN的泛素化及Hepc-FPN复合物的降解。从而抑制小肠吸收细胞和巨噬细胞的铁释放进入血液，使血清铁水平降低。FPN的降解具体又可分为Hepc依赖的降解途径和非Hepc依赖的降解途径。前者因为Hepc与FPN的结合导致了胞质蛋白激酶Jak2与FPN的结合，一旦与Jak2结合上，FPN发生磷酸化和内化，内化的FPN在溶酶体内被降解。而后者中铜蓝蛋白活性的丧失会导致FPN的内化，细胞表面FPN可以被泛素化进而导致其在溶酶体内内化和降解[4]。实验证据证实了Hepc这种作用机制：Hepc基因的破坏导致了细胞膜上FPN的堆积和随后表达的铁超载[5]，Hepc表达的增加导致血清铁和铁的吸收降低。研究表明：FPN缺陷的小鼠在小肠细胞、巨噬细胞和肝细胞中积累了大量的铁，这一结果证明 FPN在这些细胞的铁代谢中起着关键的作用。总之，Hepc通过限制铁的吸收和巨噬细胞铁的释放来调控铁稳态。

1.2 Hepc的转录调控 作为体内铁代谢的中央调节因子，Hepc的表达也被改变铁的动态平衡的因素所调节，包括体内铁储备的变化、贫血、缺氧、炎症和红细胞生成。口服和肠外铁的摄入会提高Hepc的水平，另一方面，铁缺乏的状态会降低Hepc的水平[5]。

1.2.1 铁储备变化调控Hepc表达 体内肝铁储存和血液循环中与转铁蛋白结合的铁(Tf-Fe2)通过不同的信号影响肝脏Hepc的表达[6-7]。转铁蛋白受体-1(transferrin receptor-1,TfR1)，转铁蛋白受体2(TfR2)和遗传性血色病铁蛋白(hemochromatosis iron protein，HFE)组成的肝细胞复合体可感受血液循环中的转铁蛋白。TfR2和HFE的缺陷通过胞外的信号调节激酶：ERK/MAPK途径和BMP/SMAD途径来下调Hepc的表达。胞内铁储备通过骨形态发生蛋白(bone morphogenic protein，BMP)以自分泌或旁分泌的形式调控Hepc的表达，包括BMP6在内的BMPs已经被证实在体内影响Hepc的生成。例如BMP基因敲除的大鼠模型导致严重的超铁负荷[8]。这些细胞外信号分子作用于肝细胞BMP受体进一步激活细胞内SMAD信号通路来增加Hepc的转录。Hepc调节蛋白(hemojuvelin，HJV) 作为BMP 蛋白的辅助受体，因为不同的Hepc的调控途径会聚于该膜结合蛋白，所以其在Hepc表达中尤为关键。在低铁储备情况下，膜锚定的HJV被蛋白裂解酶-2所裂解，跨膜丝氨酸蛋白酶6(TMPRSS6)基因编码蛋白裂解酶-2，从而降低BMP途径的活性来抑制Hepc的产生[9]。

1.2.2 红细胞生成调控Hepc的表达 红细胞生成需要大量的原料铁，因此红细胞生成成为Hepc产生的抑制剂。临床研究及动物实验表明血清Hepc和mRNA水平均由下游EPO管理[10-11]，虽然红细胞生成影响Hepc的机制不明，早期的证据表明有两种蛋白通过产生红细胞前体来调控Hepc的表达。一种是生长分化因子15(growth differentitation factor，GDF15)，它可以抑制Hepc的表达且在 β-珠蛋白生成障碍性贫血患者中表达增高[12]；另一个因子是扭转原肠胚形成同系物1(twisted gastrulation protein，TWGS1)，它和GDF15通过抑制BMP/SMAD信号在体外抑制Hepc的表达[13]。

1.2.3 炎症调控Hepc的表达 炎症刺激通过增加白细胞介素-6(IL-6) 水平，进而提高Hepc的表达。IL-6与其受体结合激活JAK/STAT信号通路，导致STAT磷酸化，进而促使转录激活因子STAT3结合到Hepc基因的启动子区并激活转录[14]。

2 缺氧和铁代谢

既往研究表明，当人类进入低氧环境时，会影响膳食中铁的吸收，增加红细胞生成。随着海拔高度的增加氧分压下降，贫血或局部组织缺氧时，激活一系列缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor，HIF)/缺氧反应元件(hypoxia response element，HRE)系统。在常氧条件下，HIF-1α由脯氨酰羟化酶(prolylhydroxylase，PHD)羟基化，然后结合希佩尔-林道(von Hippel-Lindau，VHL)蛋白最终导致泛素化和蛋白酶体降解。在缺氧条件下，羟化酶的活性被抑制，导致HIF-1α积累，与大多数低氧反应基因的低氧反应元件(hypoxia responsive element，HRE) 结合。与HIF-1α类似，HIF-2α的稳定性也通过PHD受氧分压的调节，并在促红细胞生成素(EPO)表达的缺氧信号中起着主导作用[15]。HIF-2诱导肾脏和肝脏分泌EPO(取决于缺氧的严重程度)，导致血清EPO水平增加和红细胞生成增加，后者则导致肝脏抑制Hepc的分泌[16]。HIF-2直接调控肝脏和肾脏EPO合成的调节，但是通过刺激骨髓造血活动来间接调节Hepc的表达[17]。

3 缺氧和Hepc的表达

Nicolas等[18]于2002年率先提出缺氧抑制Hepc的表达，他在氧浓度为0.1%～2%的条件下培养HepG2细胞，发现与氧浓度为20%的常氧条件下培养细胞相比Hepc mRNA的表达明显下降。相似的，大鼠在低氧氧舱(模拟海拔5 500 m)缺氧48 h后Hepc的表达也下降。Hintze等[19]也报道在1%氧浓度下培养大鼠肝脏HepG2细胞，Hepc mRNA表达与在氧浓度为20%下培养肝脏细胞相比下降。但是连接缺氧和Hepc表达下调的具体分子机制尚不清楚。

Vdker[20]研究表明肝细胞特异性HIF-1α基因敲除的大鼠与野生型大鼠相比，饮食中铁缺乏可以下调Hepc表达。这就表明：HIF-1α可能是Hepc信号的负性调控因子。另外肝细胞特异性VHL基因敲除的大鼠有较高的HIF-1水平，但降低Hepc增加了肝脏FPN的水平。这就更进一步表明HIF系统是Hepc表达的负性调节因子。有研究表明，Hepc的启动子区域存在 HIF/HRE 信号通路负调控靶点，HIF 信号通路直接或间接通过上游介质参与 Hepc的表达调控，这与之前的研究相似。通常情况下HIF系统是基因表达的正性调控因子，但是HIF系统的负性转录调控也并不是前所未有的。

缺氧时HJV被剪切为可溶性的HJV从而抑制BMP / BRE 信号通路，进而降低 Hepc启动子的活性[21]。有一种假说[22]是HJV调节Hepc不论HJV是锚定于细胞膜上还是可溶性的HJV(SHJV)，膜锚定HJV参与BMP/SMAD的正调控，而SHJV作为虚拟受体抑制此通路导致Hepc表达下降。

一些研究表明[23]缺氧对Hepc的调控通过 HJV/BMP轴和缺氧调控的蛋白裂解酶-2(也称跨膜丝氨酸蛋白酶6，TMPRSS6)和弗林蛋白酶实现。也有研究认为缺氧没有引起HIF-1α或HIF-1β基因敲除大鼠中Hepc表达上调;缺氧引起了HepG2细胞中Hepc的表达下调，但与HIF-1α无关。因此缺氧/HIF-1α信号通路与Hepc表达调控之间的关系有待进一步研究。

Sonnweber等[24]研究表明缺氧时导致Hepc显著减少并且血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor,PDGF-BB)增加，他们推断PDGF-BB与Hepc的下调有关，可能是通过PDGF-BB下调转录的蛋白表达因子CREB和CREB-H，抑制Hepc的转录。缺氧抑制Hepc的表达通过PDGF-BB的新兴通路,导致循环铁更多地用于红细胞的生成。

但是Lundgrin等[25]在研究埃塞俄比亚南部的阿姆哈拉族和奥罗莫族Hepc水平发现：高海拔(3 700 m)的阿姆哈拉族与低海拔(1 200 m)的阿姆哈拉族相比，其血浆Hepc水平更高；而高海拔(4 000 m)的奥罗莫族Hepc水平与低海拔(1 500 m)的奥罗莫族Hepc水平相比，二者无明显差异。这与之前的研究是有冲突的。Lundgrin等得出结论：在持续低氧时阿姆哈拉族或奥罗莫族Hepc水平并未得到抑制，可能是因为红细胞生成是稳定的，由于低血红蛋白水平、EPO水平和体内铁储存增高导致低铁需求并未抑制Hepc表达。

4 小 结

Hepc是当前公认的参与维持机体铁稳态和调节铁代谢的关键物质。调节Hepc的通道主要是铁依赖性 HFE/TfR2 通道、炎性反应引起的 JAK/STAT3 通道和转化因子超家族的BMP/SMAD 信号通路。为低氧状态下红细胞增殖及慢性高原病的发病机制提供了一系列的理论依据，进而为慢性高原病的防治提供了更多的新方法和途径。

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乔倩(1989-)，硕士研究生，主要从事血液病学方面的研究。

△通讯作者，E-mail:gh0227@sina.com。

:10.3969/j.issn.1671-8348.2015.15.045

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1671-8348(2015)15-2134-03

2014-09-18

2015-02-19)