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铁稳态和相关疾病的调节
抽象
肝脏是铁贮存和调节器官;其感测通过BMP-SMAD途径在体内循环的铁浓度和通过分泌铁调素调节从食品和红细胞恢复铁摄取到血液中。下缺铁,缺氧,和出血,肝脏铁调素减少以确保红细胞生成的表达,但增加的感染和炎症期间铁调素的排泄由病原体,以减少铁的使用。过量的铁会导致系统的铁超负荷;它积累在从未系统和神经细胞的损害导致的神经退行性疾病,如帕金森氏综合征。当某些基因突变影响铁和铁调节能力在肝脏的感知,则它们减少的铁调素表达,引起遗传性疾病如遗传性血色素沉着。本文总结在体内的源和铁的利用率,肝脏调节通过感测循环铁浓度全身铁稳态,以及由各种信号转导途径调节铁调素,从而理解的铁相关疾病发病机制中的表达。
1.介绍
铁是人体最大的微量元素。作为过渡金属,铁容易捐赠和接受电子参与如氧气输送,线粒体呼吸,核酸复制,中介,异生物质代谢,细胞信号转导[生物过程1]。铁是如此重要,以至于它的缺乏是全世界残疾和死亡的主要危险因素之一,据估计,它影响着20亿人[2,3]。在另一方面,过量的铁是有害的;它会损伤肝脏和大脑,对神经造成氧化应激引起神经退行性疾病如帕金森氏综合征。在多个铁调节的途径中的突变导致遗传铁超负荷疾病如遗传性血色病(HH)和铁 - 耐火缺铁性贫血(IRIDA)4]。
在食品和铁蜂窝采集铁的吸收2.
膳食铁包括血红素铁和非血红素铁;其中90%是铁非血红素,主要存在以Fe的形式(OH)3络合。非血红素膳食铁是在十二指肠肠的刷状缘吸收并显示出昼夜节律[五]。细胞色素B(Dcytb)在十二指肠肠膜还原Fe3+以铁2+,然后是Fe2+通过在膜进入细胞的二价金属转运体1(DMT1)。血红素铁的吸收主要通过摄取血红素载体蛋白1(HCP-1)[6,7]。当血红素进入细胞内,它被分解成铁,一氧化碳,和通过血红素胆绿素氧合酶1或2(HO-1/2)[8]。细胞内铁是流出由ferroportin1(FPN1)细胞外,在脊椎动物细胞中的唯一铁跨膜外排蛋白[9-11]。多余的细胞铁储存在铁蛋白中,铁蛋白有一个大的腔体,可以储存成千上万的铁原子;它能防止游离铁对细胞造成氧化损伤[12]。铁后2+外排进入流通,它氧化成铁3+由ferroxidases如hephaestin(HEPH)或它的同源物血浆铜蓝蛋白(CP)[13,14]接着向装载到转铁蛋白(Tf),并通过血流运输。
大多数在骨髓造血的血铁参与的,和一小部分运输到肝脏。肝脏是人体储存铁的基本器官,并在肝细胞中的铁主要储存在铁蛋白。对于过量的铁,它是由网状内皮系统的枯否细胞吞噬并沉积在该系统作为含铁血黄素的形式[15]。
铁在血液中结合到细胞表面转铁蛋白受体(TFR),TF-的Fe /转铁蛋白受体复合凹陷,和内吞进入细胞内,随后将构象复杂的改变通过将酸化的内体触发[16,17],其从TF [释放铁18]。在核内体中的铁还原成Fe2+通过前列腺的六跨膜上皮前列腺3(STEAP3)的抗原,并通过DMT1 [运送到胞浆19]。在核内体的脱辅基Tf和转铁蛋白受体复合物被再循环到细胞表面。连接蛋白3(SNX3)排序是磷酸肌醇结合蛋白家族的蛋白之一[20],需要TF /转铁蛋白受体的中endocytisis回收,并且通过TF回收和结合的能力[增大铁的吸收21]。我们总结了铁的吸收和细胞铁的获取1。
2.1。铁循环与红细胞的产生和清除有关
在人类中,200个十亿红细胞生成每天需要超过 每秒铁原子以维持红细胞生成。对铁的需求正在majorly从回收的红细胞得到,因此生产和红细胞的间隙是用于铁稳态的关键[22]。
的红细胞生成发生在成红细胞岛包围的中央的巨噬细胞,称为巨噬细胞护士晚期胎儿肝脏和成人骨髓的。护士巨噬细胞促进了红细胞岛利基红细胞生成[23]、吞噬红细胞前体细胞在红细胞生成后期排出的细胞核[24]。除此之外,红细胞岛中的巨噬细胞通过胞吐作用产生和释放铁蛋白[25];然后,铁蛋白内吞进入成红细胞[26]。进入细胞,从铁蛋白释放铁酸化和蛋白水解后,这是红细胞[发展过程中用于生产血红素后27]。看来,巨噬细胞提供铁蛋白培育幼红细胞,但有其他人也指出,转铁是红细胞中唯一的铁源;铁蛋白的内吞作用仅仅是为红细胞收购铁一小力[28]。
而红细胞的寿命即将结束或得到不可挽回的损失,血液发生在脾和肝他们最后乘坐网状内皮系统。还有,已知的是脾红髓巨噬细胞清除衰老和受损红细胞血红蛋白然后分解后回收铁红细胞生成[29]。这里,首先,住宅巨噬细胞审视传代红[三十,然后当巨噬细胞与红细胞受体接触并检测其表面的特异性标记物时,触发吞噬和消化红细胞[31],像磷脂酰丝氨酸和带3 [32,33]。此后,红细胞由巨噬细胞巨噬细胞进入吞噬溶酶体吞噬,导致血红蛋白击穿和血红素释放[34]。随后,噬菌体中的血红素通过血红素转运体(HRG1)输出到胞浆中,并被HO-1/HO-2分解为铁[35,36],则铁由巨噬细胞利用或由FPN1 effluxed细胞外。[8]。对于铁周期的巨噬细胞显示在图1。
菲3+在食物被还原成Fe2+通过Dcytb在十二指肠上皮;它吸收铁2+从通过DMT1肠腔。HCP1血红素摄取食物,和HO-1降解成铁2+在细胞质中。过量的铁存储在铁蛋白和其他出口进入血液通过FPN1;在这之后,铁2+由CP和HEPH在基底外侧面然后载荷到TF氧化。
巨噬细胞吞噬红细胞,并释放在吞噬溶酶体血红素。HRG1出口从吞噬溶酶体进入细胞质血红素;然后,HO-1降解血红素铁成2+流出量成FPN1血液。
TF-Fe及转铁蛋白受体结合的细胞膜。SNX3-诱导TF-铁蛋白下垂和内吞进入细胞。酸化的内涵体释放铁3+并恢复到铁2+通过STEAP3和Fe2+成通过DMT1细胞质中。脱辅基Tf和转铁蛋白受体复合物被再循环到细胞表面,和TF被释放到血液中。
米尔-LET-7D和miR-16家族降低DMT1表达。铁调素内化和降解FPN1。的miR-485-3p和miR-20b的调节FPN1的表达。铁蛋白的miR-200b中诱导下调,和miR-320禁止显示TFR1的表达。
2.2。Hepcidin-FPN1轴感应和调节肝脏的全身铁稳态
肝脏除了储存铁外,是调节全身铁稳态最重要的器官,通过分泌hepcidin。Hepcidin (HAMP)是合成调节激素的多肽;它通过在细胞外结合FPN1内在化和降解FPN1调节铁稳态在溶酶体[37]。在铁的TF和运输与血液中的血负荷从FPN1被导出后。而循环铁浮筒,肝细胞感测,并通过BMP / Smad通路调节铁调素表达的浓度,以调节从FPN1 [输出的铁38]。这种方式,肝细胞控制铁的流通在正常范围内的肝会引起铁缺乏或铁过载量,并且不受管制的hepcidin。
在BMP / Smad通路,骨形态发生蛋白(BMP)和其辅助受体血幼素(HJV)是调节在定量信号传导途径中最关键的铁调素[39]。BMP6主要由肝脏内皮细胞分泌[40];它的表达受铁的调控[41],所以它反映了肝铁电平[42,43]。BMP6和HJV一起激活BMP丝氨酸苏氨酸激酶受体(BMPR-)I / II络合物[44,45]。BMP6/HJV复合物作为配体与BMPR I (Alk2和Alk3)结合[46],以及BMPR II (ActR2a及BMPR2) [47]促进磷酸化下游BMP介质,诸如SMAD1,SMAD5,和SMAD8(SMAD1 / 5/8)[48]。磷酸化的SMAD1 / 5/8结合细胞质SMAD4作为活性转录复合并移动到细胞核;与BMP反应元件(BMP-RE1和BMP-RE2)的复杂组合并随后激活的转录HAMP[49,50]。MT-2(蛋白裂解酶-2,TMPRSS6,跨膜蛋白酶丝氨酸6)在肝脏中无所不在表达,由于基因突变导致的MT-2无效导致铁难溶性缺铁性贫血(IRIDA) [51,52],和MT-2也由铁和BMP6 [下调53,54]。HJV是glycophosphatidylinositol-(GPI-)锚定蛋白[55];MT-2裂解膜HJV(M-HJV)可溶性HJV(S-HJV)的形式,以减小对BMP6 [亲和力56];因此,缺铁在MT-2表达增加[57]。然而,最近的研究表明,MT-2独立地裂解HJV来调节铁调素表达,并且它还能断裂比HJV [其他的BMP / Smad通路的其他组件58]。在肝脏中表达的前蛋白转化酶的呋喃家族也通过裂解HJV产生s-HJV,但与MT-2不同;furin负调节BMP产生sHJV,而MT-2只减少了这种组合[56];这个过程是由铁缺乏或缺氧[调节59]。像endofin,ATOH8和SMAD7他人也影响BMP / Smad通路的信号转导[60-62],这是感知器和铁浓度的信使。
由于在血液中的铁浓度,它是通过对TF-Fe及HFE在肝细胞细胞膜结合转铁蛋白受体(TFR1 / TFR2)竞争肝脏感测到[63]。在Tf和HFE的结合到转铁蛋白受体的能力的差异在发送一个肝细胞血铁的浓度的信号[64]。Tf-Fe结合TfR1的能力强于HFE, Tf-Fe结合TfR1的能力远远强于TfR2 [65]。虽然全身性铁通量以高浓度,铁的饱和结合到TFR1和过量的TF-铁结合TFR2,同时,具有没有选择,只能用TFR2结合或游离的细胞表面上的HFE,两者的这些状态将信号发送到刺激铁调素表达。虽然全身性铁助熔剂,对TF-Fe的高浓度的饱和结合所有TFR1其余过度TF-铁结合TFR2,在同一时间,在HFE仅结合到TFR2或解离在细胞膜,组合TFR2与任一TF-Fe或HFE可以将信号传输到铁调素刺激的表达[66]。当在循环降低铁,TFR1结合了所有TF-Fe和局部HFE的,未结合TFR2减弱刺激的影响,并减少铁调素以增强肠道铁吸收的表达[55]。
它并不完全清楚TFR2,HFE和HJV如何影响铁调素的表达,但也出现在被证明实验HFE和TFR2基因敲除小鼠,该BMP / Smad信号通路的传导受损[67,68]。最近的研究表明,非竞争性HFE和TFR2来HJV结合导致铁调素表达的变化[55];此外,HFE还具有通过结合ALK3 [调节BMP / Smad信号途径的能力69]。再生蛋白也通过被结合HJV和ALK3 [的支架参与铁调素的调节22,70];它增加了HJV蛋白质的稳定性和抑制分泌HJV [71]。除此之外,再生蛋白抑制的Smad1的BMP-2诱导的磷酸化/ 5/8 [72]和蛋白裂解酶-2或弗林蛋白酶[便于HJV的裂解70,73]。还有人指出,HJV-neogenin相互作用剂量不仅存在于肝脏中,也存在于其他组织中[70]。在肝细胞中的信号途径调节铁调素表达,如图2。
BMP / Smad信号通路:BMP6和其辅助受体激活HJV BMPR I / II,导致SMAD(1/5/8)和配合物SMAD4的磷酸化作为活性转录复合物。随着对BMP-RE复杂的联合收割机HAMP然后激活铁调素的转录。SMAD2促进SMAD的磷酸化(1/5/8)。SMAD7,endofin和ATOH8减少BMP / SMAD的信令。HJV由MT-2裂解并弗林蛋白酶降低结合能力BMP6。的miR-130A和miR-122抑制AIL2和BMP / SMAD来调节铁调素表达。
高浓度的TF-铁诱导HFE和TF-铁,其与TFR2和HJV结合在一起以促进BMP / Smad信号通路。HFE相互作用与ALK3增加铁调素排泄。
缺氧诱导血液循环中HIF-确定EPO / ERFE浓度;他们都通过BMP / Smad通路增加全身铁浓度。HIF促进MT2和弗林蛋白酶裂解HJV,和miR-210抑制其减少铁调素表达。铁增大BMP6表达。
在炎症反应中,IL-6与其受体IL-6R结合,激活JAK,触发STAT3的磷酸化,后者以复杂的形式进入细胞核并促进转录HAMP。IL6通过促进ALK3增加了BMP / Smad通路。
2.3。炎症、缺氧和MicroRNA在铁调节中的作用
感染和炎症诱导铁调素产生[74],抑制肠道铁外流,促进巨噬细胞铁螯合,从而降低血铁浓度[75]。在炎症过程中,促炎细胞因子(如IL-6)的分泌增加。白细胞介素-6 (IL-6)是一种调节hepcidin转录的细胞因子[76]。它结合了在膜上的IL-6受体(IL-6R),然后激活JAK和磷酸化STAT3蛋白在肝细胞中。磷酸化的STAT3蛋白移动到细胞核内,调节的表达HAMP通过结合STAT3特定的网站[77]。IL-6不仅通过JAK影响铁调素表达/ STAT3通路又结合了BMPR I类受体的Alk3之一[78];这表明JAK-STAT3通路具有与BMP / Smad通路的交叉作用[79]。在急性炎症性病症,Toll样受体的刺激减少在FPN1巨噬细胞,阻断来自巨噬细胞的铁排泄这是从红血细胞中回收并快速诱导hypoferremia [80]。然后,血红素,由proerythroblast完成其终末分化阶段需要,从巨噬细胞通过FLVCR1 [出口81]。高铁调素降低了铁提供的病原体;它是饿死的病原体限制发展[战略82]。但作为类防御肽激素之一,hepcidin的先天免疫功能与抗菌肽和炎症有关;也许,hepcidin在免疫中的作用可以绕过铁,直接与宿主防御有关(图)2)。
主体补偿了氧含量通过强化红细胞生成时缺氧,失血,或其他原因。响应于所述红细胞生成,红细胞生成素(EPO)是由肾脏分泌的。根据缺氧的严重程度,EPO具有在不同血清[百倍83],它控制铁的吸收,红系祖细胞增殖,成熟和存活[84,85]。红细胞铁酮(ERFE)是一种可溶性蛋白,由环氧丙烷刺激的红细胞前体释放;它抑制了hepcidin的表达[86]。EPO和ERFE抑制由BMP / Smad通路靶基因的铁调素表达的[87-89]。但在IRIDA,由于MT-2的限制,在BMP / Smad通路的EPO / ERFE介导的铁调素下调受阻,被阻塞的信号传输导线两者EPO和ERFE,并且同时铁调素保持升高的水平,即使在患者贫血[90]。缺氧诱导因子(HIF)是EPO的转录因子,和EPO的含量为完全依赖于HIF-2α[91]。HIF-2α促进红细胞生成,包括在生产EPO的,这增强铁的吸收和利用[增大92]。因此,低氧增加了对铁的需求cthe和由HIF和EPO [减少的铁调素表达93]。铁调素启动子包含几个HIF1和HIF2位点,由缺氧 - 氧 - 感测调节途径调节铁调素[94]。除此之外,在BMP / Smad通路HIF参与通过影响MT-2,增加弗林蛋白酶mRNA水平[95,96](图2)。
MicroRNAs are a class of small noncoding RNAs (~22 nt) that bind to the 3非翻译区(3靶信使RNA的UTR)(mRNA)的,从而负调节基因表达,以及许多的miRNA参与铁的转录后调节。的miR-485-3p和miR-17种子家族成员的miR-20A和miR-20b中,作为调制器的并发来调节FPN1的表达[97-99]。的miR-LET-7D和miR-16家族(MIR-15B,的miR-16,的miR-195和miR-497)结合的3的UTRDMT1-IRE的mRNA然后降低DMT1的表达水平,在核内体引起的铁的积累,或在铁蛋白或收集用于铁相关蛋白〔100-102]。MIR-320是与细胞的铁摄取另一个微小RNA,其抑制表达TFR1并防止细胞增殖103],和miR-200b中诱导铁蛋白的下调[104]。在BMP- smad信号中,作为内源性BMP I型受体的ALK2参与了全身铁调控;mir - 130 a目标3的UTRALK2为了抑制BMP-SMAD信令和铁调素的表达;它在缺铁小鼠上调[105]。
在缺氧的调节,HIF-1α缺氧反应元件结合位点中的miR-210的启动子识别;所述miR-210具体由HIF-1诱导α缺氧[106]。铁硫簇支架蛋白(ISCU)是一种铁稳态必需分子;缺铁诱导的miR-210表达通过HIF-1α和miR-210直接抑制ISCU和转铁蛋白受体,以维持系统的铁稳态[107]。的miR-122是在各种调节,包括维持铁稳态肝脏和参与选择性地表达一个很重要的微RNA。它通过抑制的表达控制铁调素mRNA的转录Hfe,Hjv和BMPR1A在肝脏中,从而防止缺铁[108],从而激活Hamp贷款信使rna表达。图中总结了与铁调节相关的mirna1和2。
2.4。疾病相关的铁代谢紊乱
2.4.1。铁超载导致细胞氧化损伤,Ferroptosis
铁中毒是一种调节细胞死亡的形式;与其他形式的调控细胞死亡不同,半胱天冬酶不需要铁运作用[109]。Ferroptosis的特点是压倒性的铁相关的氧化损伤和脂质氢过氧化物的积累到致命的水平。过量铁通过在细胞Fenton反应产生ROS(活性氧)。在细胞中,ROS有多个源;铁及其衍生物是对ROS产生的酶是必不可少的。
铁中毒与氨基酸代谢有关。谷胱甘肽(GSH)保护细胞免受氧化应激损伤,但半胱氨酸的可用性限制了GSH的生物合成[110];因此,所述半胱氨酸以保护细胞免受氧化应激作出了贡献。半胱氨酸被其由胱氨酸转运到细胞胱氨酸还原产生/谷氨酸反向传送系统XC-,然后为GSH合成。细胞不仅靠制度XC-为了导入胱氨酸,还绕过了系统xc-通过转硫酸化途径从蛋氨酸中生物合成半胱氨酸。
谷胱甘肽的GSH失活的耗尽过氧化物酶4(GPX4)最终导致ferroptosis。Erastin,致癌RAS选择性致死小分子[111],诱导ferroptosis通过诱导GSH消耗和磷脂过氧化物GPX4并抑制失活导入胱氨酸〔112]。所以氨基酸代谢是密切相关的ferroptosis [113];此外,对铁下垂与各种疾病的相关性的研究也为帕金森病、阿尔茨海默病、亨廷顿病、中风、中风、缺血再灌注损伤、心脏病、致癌、室周白质软化、脑损伤等疾病的研究提供了新的视角,成为一个新的研究方向[110]。
2.4.2。帕金森氏病
帕金森病(PD)是一种进行性神经系统疾病,主要是多巴胺能神经元在黑质死亡[114]。有研究表明,帕金森氏病是由生化异常,包括氧化应激和线粒体功能障碍[所致115,116],近年来也有研究表明PD与上铁症的相关性[117]。
铁在神经元中的积累通过Fenton产生ROS的反应诱导氧化应激。ROS诱导线粒体铁硫簇蛋白和其他铁储存蛋白释放铁;它通过Fenton的反应导致进一步的ROS生成[118],则ROS损伤DNA和线粒体DNA通过表观遗传机制和氧化蛋白质[118-120]。帕金森病的最显著的特点是黑质进行性变性,但目前的研究仍是不可理解为什么神经退行性疾病只在某些核存在,而其他铁积累组织不受影响和神经毒性的机制[121]。
线粒体自噬是一种自发的、选择性的自噬作用,它是通过铁、Parkin和PINK1 (pten诱导的假定激酶蛋白1)的积累和自噬体的介导来消除受损或功能失调的线粒体。有报道显示,PINK1/ parkin独立的神经元中触发线粒体吞噬的铁的丢失[122,123],相反,蜂窝铁的积累阻碍了自噬,使得无法消除受损的线粒体中的细胞维持正常的生理状态。
PINK1稳定定位于低膜电位的受损线粒体[124]和帕金,E3泛素连接酶,选择性地从胞质溶胶功能失调线粒体[招募125]和由PINK1依赖线粒体定位释放出E3的活性[124],然后帕金泛素化线粒体外膜蛋白触发自噬[126]。因此,PINK1和帕金共同感测线粒体的苦恼和选择性靶向它们降解127,而PINK1或Parkin的突变则无法清除受损的线粒体[128,129],引起的神经元损伤[130],导致帕金森病[131]。
2.4.3。遗传性疾病铁
遗传性血色病(HH)主要是在西方人群中引起铁过载。HH是由像多种遗传缺陷引起的HFE,TFR2,HJV,TMPRSS6,FPN1和HAMP。根据突变基因的不同,HH可分为HFE血色素沉着病(1型)、青少年血色素沉着病(2型)、TfR2血色素沉着病(3型)、运铁素血色素沉着病。
大多数HH的是TYP1和TYP2;这是由于纯合在了C282Y突变HFE和G320V等在HJV基因[132-135]。HFE和HJV突变单独或同时影响通过BMP / Smad通路铁调素的表达。在类型3 HH,突变被认定人类染色体7q22隐性纯合型的Y250X在TFR2[136];3型HH比TYP1和TYP2 HH那么严重。类型3 HH发病证明在小鼠中的突变实验;TFR2的突变引起的TF和HFE的不能结合到它,削弱了信号传输,并且导致铁调素表达的下调[137,最终导致多个器官的铁超负荷。作为hepcidin的受体,FPN1已C326残留,对hepcidin的结合是必需的[138]。膜铁转运蛋白血色素沉着症与C326残基的突变相关联,它是一种常染色体显性遗传性疾病具有类似的临床和表型特征,以其他HH,和突变C326足以导致hepcidin对FPN1耐药[138,139]。失去功能的突变TMPRSS6导致IRIDA,和其分子基础最早在2008年[识别140,141]。低色素性贫血,低TF饱和度,和过度的hepcidin是的主要特征IRIDA;然而,口服补铁是减轻症状徒劳的。在里面IRIDA,最常见的突变是S304L;除此之外,40个中不同的突变TMPRSS6基因已经被描述,包括K225E,K253E,G228D,R446W,V736A和V795I[142],但最新的研究表明,ALK2基因突变也参与IRIDA [143]。包括上面提到的基因中的突变,我们总结在表引起的遗传性疾病的铁的各种遗传变异1。
2.4.4。展望
作为人体中最重要的元素之一,在几十年的研究之后,我们已经明确了对铁代谢和调节肝脏的作用,但我们还在不断发现新的方法来直接或间接地影响铁代谢。由于铁调素的分泌器官,微小RNA和基因突变的研究开辟了铁调控在肝细胞的新局面。更多的潜在监管机构的发现引发了更多的铁代谢的认识,多的药物可开发用于治疗铁相关的疾病,如抑制剂或关键基因的激动剂。由于铁在体内的重要性,铁的检测和调整其需要相互作用的分子机制完全理解。
利益冲突
作者声明不存在利益冲突、财务或其他方面的冲突。
致谢
这项工作得到了中国国家重点研发项目(2016 yfd0501201),中国国家自然科学基金(31702127),年轻的精英科学家赞助项目投(2018 qnrc001),湖南省重点实验室的动物营养生理和代谢过程(2018 tp1031)和扬州科技Bureau-Modern农业技术项目(SNY2017030037)。
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