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人体具有精密的铁代谢平衡的调节机制。铁是人体内最丰富的微量金属元素，它广泛参与机体内的代谢过程，如氧的运输、DNA的合成以及电子的传递等。缺铁可引起缺铁性贫血等疾病，过多则引起自由基形成而损伤机体组织，导致神经退行性疾病，包括帕金森综合征和老年痴呆症等。十二指肠和空肠是铁吸收的主要部位，也是调节铁平衡的一个关键环节。但小肠粘膜吸收铁的机制在过去几十年一直是不清楚的。铁在许多组织细胞被吸收是通过转铁蛋白和转铁蛋白受体途径 ［1］ ，即三价铁首先与转铁蛋白结合，两者的结合物再与细胞表面的转铁蛋白受体结合，之后经过内吞、酸化、释放和移位等步骤，铁进入胞浆，最终被细胞利用、合成血红蛋白及其他物质。但小肠肠腔表面的吸收上皮细胞不存在转铁蛋白受体表达，因此铁穿过小肠进入机体不可能通过转铁蛋白和转铁蛋白受体的经典转运途径实现。近年来，在小肠粘膜细胞表面相继发现了DMT-1（diˉvalent metal transporter1）、Dcytb（duodenal cytochrome b）、IREG1（iron regulated gene1）和Hephaestin等4种和铁转运相关的蛋白质。这些蛋白的发现是近年铁代谢领域中取得的最大突破，也使小肠如何吸收铁这一重要问题有了基本答案。研究证实，DMT-1和Dcytb两种蛋白质参与肠粘膜的铁吸收过程，而IREG1和Hephaestin则参与从肠上皮细胞的基底侧将铁转运入血液循环，现综述如下。
1 DMT-1
1995年，Grueheid等 ［2］ 在研究自然抗性相关巨噬细胞蛋白1（nature resistance associated macrophage protein1，Nramp1）的过程中发现另一种与Nramp1有极高的同源性（达78%）、并有相似二级结构的新蛋白质。这种当时并不完全清楚其功能的新蛋白质被命名为自然抗性相关巨噬细胞蛋白2（Nramp2）。1997年，哈佛大学和耶鲁大学的两个研究组分别独立地报道Nramp2是哺乳类第一个跨膜铁转运蛋白 ［3，4］ 。由于Nramp2具有转运二价铁及其他二价阳离子的功能，最初曾将此蛋白称为二价阳离子转运蛋白1（diˉvalent cation transporter1） ［4］ ，后改称为DMT-1 ［5］ 。人的DMT-1基因含有17个外显子，定位于12号染色体上。其mRˉNA存在两种形式:即“+IRE”和“-IRE”型。“+IRE”型DMT-1mRNA的3′非翻译区含有一个铁反应元件（iron reˉsponsive element，IREs），“-IRE”型则不含此元件。这两种类型DMT-1mRNA可分别编码561和568个氨基酸的蛋白质 ［6］ 。DMT-1mRNA的5′调控区也具有特殊的调控元件 ［6］ ，它包含2个CCAAT盒和3个SP1的结合位点（但缺少普遍具有的TATA盒），5个潜在的金属反应元件（Metal res-ponse element），两个Hif结合位点，和一个单一的γ干扰素调节元件。该蛋白质含有12个跨膜结构域，在第7和第8跨膜结构域之间的天门冬氨酸残基是一个糖基化位点。第四跨膜结构域是一个重要的功能区，若此域发生突变将会严重影响DMT-1功能的正常发挥。如小细胞性贫血（microcytic anaemia，mk）小鼠和Begrade大鼠在DMT-1的第四功能区发生突变，原有的甘氨酸（G185R）被精氨酸取代，导致mk小鼠和Begrade大鼠的铁吸收障碍，因此这二种鼠都具有典型的由于小肠铁吸收障碍而导致的缺铁性贫血 ［3］ 。DMT-1在人体组织和细胞的分布十分广泛 ［4］，分子杂交结果显示，DMT-1在小肠和十二指肠表达最高，在肾、胸腺和脑有中等程度的表达，而在睾丸、肝、结肠、心脏、脾、骨骼肌、肺、骨髓的含量相对较低。在细胞水平，DMT-1特异地表达于某些需要发挥其功能的细胞。在小肠中，DMT-1主要在小肠肠腔的肠上皮细胞中表达，该蛋白质主要定位于该细胞的绒毛面细胞膜上，这与小肠铁吸收的解剖位置相一致。大量的研究证实，小肠铁吸收是一个DMT-1介导过程 ［7～9］ 。Gunshin等 ［4］ 和Han等 ［10］ 在他们的实验中发现DMT-1表达受机体铁状态调节。他们的结果显示，在铁缺乏大鼠的小肠细胞DMT-1表达明显增加，并且这种表达的增加与否只受铁多少的影响，与其他金属无关。所有以上结果都证实小肠粘膜细胞铁吸收是DMT-1的主要功能。
2 Dcytb
由于DMT-1主要摄取二价铁，而食物中的铁为三价，所以需要一种高铁还原酶将三价铁转化为二价铁，铁才能经DMT-1介导的过程被细胞摄取。最近，Mckie等 ［11］ 在使用消减杂交法鉴定和分离了IREG1基因的同时，又从该消减库中鉴定和克隆了一个具有高铁还原酶活性的基因，命名为十二指肠细胞色素b（Dcytb）。人的Dcytb基因由4个外显子组成，定位于2号染色体上，其cDNA全长约12kb，具有编码一个286个氨基酸的开放阅读框（ORF）。现在认为，Dcytb的作用是将肠腔内三价铁还原成二价铁，后者经DMT-1被小肠细胞吸收。也就是说铁的粘膜吸收过程是由Dcytb和DMT-1一起完成的。原位杂交结果显示，Dcytb的mRNA和蛋白质主要定位于十二指肠刷状缘绒毛尖部的细胞膜上 ［5］ ，该部位是食物铁被摄取入肠细胞的主要部位。Dcytb基因在十二指肠的表达受铁的状况影响，表明缺铁可上调Dcytb基因的表达 ［11］ 。这些功能、定位和调节的研究结果均显示Dcytb在粘膜吸收铁过程中起有重要作用。
3 IREG1
IREG1（iron regulated gene1），又名Ferroportin1，MTP1（metal transporter protein），是2000年才发现的哺乳动物细胞内另一种铁离子转运体 ［12］ 。DMT-1和Dcytb一起将铁摄入细胞，那么铁又如何从肠细胞释放入肠毛细血管进入血液循环呢?Donovan等采用定位克隆的方法从斑马鱼中分离出一个能使铁从细胞内释放出来的蛋白质编码基因，并命名为Ferroportin1。随后，通过RT-PCR方法克隆了小鼠和人的Ferroportin1cDNA，最后命名为IREG1 ［12，13］ 。研究表明，人的IREG1含8个外显子，定位于2号染色体上，其mRNA能编码一个571个氨基酸的开放阅读框，在IREG1mRNA5′端非翻译区含有一个典型的铁反应元件。根据mRNA推测出的蛋白质序列，IREG1含有至少10个跨膜结构域，是一种细胞膜结合的蛋白质。免疫组化分析和原位杂交已证实这种蛋白质在组织细胞内的分布主要存在于十二指肠细胞的基底面膜上，证明IREG1蛋白质具有使铁从细胞内释放出来的功能。Northern blot杂交显示IREG1基因在小鼠的大肠和小肠组织都有表达，而十二指肠表达最强 ［12，13］ 。在人的心、脾、胃、小肠、胎盘、肺、卵巢、睾丸、前列腺、胰腺等组织也都有IREG1mRNA合成，但在脑和胸腺组织则极少或不表达 ［14］ 。IREG1的表达受多种因素的调控，如铁、缺氧、不同发育阶段等都会影响该基因的表达。饲喂缺铁食物4周的小鼠十二脂肠的IREG1mRNA表达水平比饲喂富铁食物组要高24倍 ［12］ ，在缺氧24h时，小鼠十二指肠IREG1的mRNA的水平是对照组的3倍 ［13］ 。在新生小鼠的十二指肠IREG1mRNA的合成很低，在生长发育过程中逐渐增加，至23天时，可达到成年小鼠的水平，说明IREG1基因的表达受发育因素调控。
4 Hephaestin
过去认为，铁从肠上皮细胞被转运至血液循环的时候需要将二价铁转化为三价铁，这种氧化过程可能是铜蓝蛋白（Ceruloplasmin）在起主要作用。然而新的研究发现，铜蓝蛋白基因敲除的小鼠肠铁摄取和释放入血液中以及粘膜中的铁含量与正常小鼠相比均无差异 ［15］ ，说明另有其他酶存在。Vulpe等 ［16］ 使用遗传图谱结合候选基因的方法发现了一个新的基因。他们将这一新基因进行了分离和克隆，并将该基因以一个锻造铁的希腊神Hephaestus的名字命名为Hephaestin。他们的工作显示Hephaestin蛋白具有将二价铁转化为三价铁的功能，具有辅助IREG1参与肠上皮细胞铁释放的生理作用。人的Hephaestin基因由20个外显子组成，定位于Xq11q12，能编码一个1158个氨基酸的蛋白质。小鼠Hephaestin基因编码的蛋白质序列与具有氧化酶活性的铜蓝蛋白有50%是相同的。铜蓝蛋白中结合铜的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型以及参与形成二硫键的所有半胱氨酸在Hephaestin蛋白质中都存在，说明该蛋白质也是一种铁氧化酶。在Hephaestin蛋白质的C末端含有一个跨膜结构域，表明该蛋白质的定位是在细胞膜上。原位杂交结果分析表明，Hepˉhaestin的表达在小鼠小肠中仅限于肠绒毛细胞，在隐窝细胞几乎观察不到杂交信号 ［16］ 。由于小肠吸收铁的过程主要发生在绒毛细胞，因此，Hephaestin在该细胞的定位是与铁的摄取位置一致的。研究发现性连贫血（sex linked anaemia，SLA）性小鼠Hephaestin基因与正常小鼠相比，缺失了一段582个核苷酸 ［17］ 。虽然SLA小鼠小肠粘膜上皮细胞可以正常地摄取铁，但是铁从细胞释入血液循环的能力大为降低/或受阻碍，可以发展成严重的小细胞低色素性贫血。这表明造成性连贫血小鼠的原因是Hephaestin基因功能缺陷，也就是说Hephaestin蛋白质参与铁从小肠上皮细胞转运到血液循环的过程。缺铁上调Hephaestin基因的表 达 ［18，19］ 。
5 铁调节蛋白（iron regulatory proteins，IRPs）
IRPs是胞浆中一类可与铁转运和储存蛋白的mRNA中的IREs结合的蛋白质，目前发现有两种形式———IRP1和IRP2，主要对参与编码铁稳态和利用的蛋白质的mRNA的表达和翻译进行调控 ［20］ ，它是一种转录后水平的表达调控。IRP1和IRP2均受细胞内铁水平的调节，但机制不同。在高铁情况下，IRP1由无活性的［3Fe4S］形式转变成有活性的［4Fe4S］形式，失去与IREs结合的活性，而IRP1本身的含量不变;相反，IRP2在高铁情况下降解增加，从而降低与IREs结合的活性。一般说来，低铁使IRP与IREs结合活性增强，高铁则反之。IRP与3′端的IREs结合可以稳定mRNA而增加蛋白的翻译，结合到5′端则抑制蛋白的翻译。如当IRP和铁蛋白mRNA、线粒体乌头酸酶mRNA、5氨基果糖酸合酶mRNA的5′端IREs结合时，可抑制其翻译。而当IRP和转铁蛋白受体mRNA及DMT-1mRNA3′端的IREs结合时，可增加mRNA的稳定性。然而与IREG1mRNA5′端的IRE结合则会增加蛋白的翻译 ［13］ 。
6 血红素铁
1930年，德国科学家汉斯·费舍尔发现了治疗缺铁性贫血的最佳物质有机卟啉铁，吸收率可达35%。血红素是血红蛋白的重要成分，其体外纯化形式为氯化血红素（hemin）。以往仅知道血红素铁可以直接被肠粘膜细胞吸收，但不知道具体是怎样吸收的，现在明确血红素铁以金属卟啉形成内吞小体的形式直接被十二指肠及小肠上段粘膜细胞吸收，在细胞内血红素加氧酶（heme oxygenase）的作用下分离出铁离子而被机体利用 ［21］，且吸收不受膳食种类影响（蛋白、植物纤维、草酸、鞣酸、磷酸、植酸等均不影响其吸收），无胃肠道刺激等优点，是目前最好的铁源。而硫酸亚铁的吸收率只有1%-3%，而且严重刺激肠胃，有明显的毒副作用。1983年7月美国FDA批准氯化血红素做为药品使用。我国临床可用的血红素铁制剂很多，如广东的益气维血颗粒是95年批准的国家三类中药新药，主要成分为血红素铁、黄芪等;北京的首儿维血咀嚼片（氯化血红素与维生素A）、上海的力血康（氯化血红素）等都是以血液中提取的血红素为原料制成的。而浙江的生血宁则是把蚕砂中的叶绿素制成叶绿酸铁钠盐（sodium iron chlorophyllin），方法独特。
7 其它
除了搞清几个重要的与肠道铁吸收、转运、调节有关的蛋白外，还发现Fe 3+ 尚可通过自己独有的IMP（beta3inteˉgrin and mobilferrin pathway）途径进入十二指肠细胞，不必一定要还原成Fe 2+ 后才能被十二指肠吸收 ［7，22］ 。
转铁蛋白是血液中的运输铁;转铁蛋白受体反映铁贮存状态和红细胞生成速率，主要表达在有核红细胞上，与转铁蛋白结合使铁进入红细胞以合成血红蛋白;血清可溶性转铁蛋白受体（sTfR）是转铁蛋白受体被丝氨酸蛋白酶水解，切除顶端第1～100氨基酸的胞外部分，存在于血清中，与转铁蛋白受体成正比，此指标不受感染、炎症、肿瘤、妊娠状态影响，是继铁蛋白以后诊断贫血疾病的又一重大进展。铁蛋白是体内铁的贮存形式，诊断单纯性缺铁性贫血准确度可达95%，最大缺点是测定值易受炎症、肝病及恶性疾病的影响而升高，是一种急性炎症反应蛋白。因在铁代谢调节中与转铁蛋白受体负相关，与sTfR联合测定可提高缺铁诊断的敏感度 ［23，24］ 。
尚有报导显示间断、小剂量应用铁剂可以克服粘膜阻滞现象（mucosal block phenomenon），且可增加患者的顺从性，提高治贫血的效果 ［25］ 。维生素A缺乏会促进贫血的发生和影响铁剂的治疗效果，补铁时补充维生素A，可以促进造血红祖细胞的分化，改善铁的吸收和储运，提高防治贫血的效果。维生素C有利于铁的吸收。
8 展望
以往几年的突破性进展已使我们对铁由肠腔进入血液的过程有了基本的了解。是Dcytb将肠腔内三价铁还原成二价铁，再由DMT-1将二价铁由肠腔转运入绒毛膜上皮细胞内，细胞内二价铁由于Hephaestin的作用成为三价铁，后者经IREG1介导由上皮细胞释出进入血液循环，完成整个铁吸收过程。另尚有三价铁、血色素铁的吸收途径。然而，应该指出，有关这一过程的许多问题还不清楚，彻底阐明小肠铁吸收机制还需要时间和努力。我们尚不清楚知道这些蛋白表达的调控机制。对蛋白质与蛋白质之间相互作用的分子事件也了解甚少。此外，最近的研究已显示这些蛋白质的表达异常可导致铁吸收异常增加，以致脑内铁积聚过多，后者可能是某些神经退行性疾病的病因。再者，二价铁、三价铁、血色素铁在体内铁负荷过多情况下对人体的危害究竟有何区别?血色素铁有多少优势时能使机体不再或少吸收铁，最终使机体免于自由基引起的氧化损害?粘膜阻滞现象对二价铁、三价铁、血色素铁的效应有何区别?因此，进一步深入研究这些蛋白的表达调控及相关的问题是十分必要的。对这些问题的理解将不仅有助于我们更彻底的认识铁吸收的生理机制，而且可以大大增加我们对铁吸收异常及相关疾病机理和发展过程的了解。
参考文献
1 Qian ZM，Tang PL.Mechanisms of iron uptake by mammalian cells.Biochim Biophys Acta，1995，1269（3）:205-214.
2 Gruenheid S，CellierM，Vidal S，et al.Identification and characterizaˉtion of a second mouse Nramp gene.Genomics，1995，25（2）:514-525.
3 FlemingMD，Trenor CC，Su MA，et al.Microcytic anaemia mice have a mutation in Nramp2，a candidate iron transporter gene.Nat Genet，1997，16（4）:383-386.
4 Gunshin H，Mackenzie B，Berger UV，et al.Cloning and characterizaˉtion of a mammalian proton-coupled metal-ion transporter.Nature，1997，388（6641）:482-488.
5 Andrews NC.The iron transporter DMT1.Int J Biochem Cell Biol，1999，31（10）:991-994.
6 Lee PL，Gelbart T，West C，et al.The human Nramp2gene:characˉterization of the gene structure，alternative splicing，promoter region and polymorphisms.Blood Cells Mol Dis，1998，24（2）:199-215.
7 Conrad ME，Umbreit JN，Moore EG，et al.Separate pathways for celˉlular uptake of ferric and ferrous iron.Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2000，279（4）:G767-774.
8 Byrnes V，Barrett S，Ryan E，et al.Increased Duodenal DMT-1Exˉpression and Unchanged HFE mRNA Levels in HFE-Associated Hereditary Hemochromatosis and Iron Deficiency.Blood Cells Mol Dis，2002，29（3）:251-260.
9 Zoller H，Koch RO，Theurl I，et al.Expression of the duodenal iron transporters divalent-metal transporter1and ferroportin1in iron defiˉciency and iron overload.Gastroenterology，2001，120（6）:1412-1419.
10 Han O，Fleet JC，Wood RJ.Reciprocal regulation of HFE and Nramp2gene expression by iron in human intestinal cells.J Nutr，1999，129（1）:98-104.
11 McKie AT，Barrow D，Latunde-Dada GO，et al.An iron-regulatˉed ferric reductase associated with the absorption of dietary iron.Sciˉence，2001，291（5509）:1755-1759.
12 Donovan A，Brownlie A，Zhou Y，et al.Positional cloning of zeˉbrafish ferroportin1identifies a conserved vertebrate iron exporter.Naˉture，2000，403（6771）:776-781.
13 McKie AT，Marciani P，Rolfs A，et al.A novel duodenal iron-reguˉlated transporter，IREG1，implicated in the basolateral transfer of iron to the circulation.Mol Cell，2000，5（2）:299-309.
14 Rotig A，Chantrel-Groussard K，Munnich A，et al.Expression study of genes involved in iron metabolism in human tissues.Biochem Bioˉphys Res Commun，2001，281（3）:804-809.
15 Harris ZL，Durley AP，Man TK，et al.Targeted gene disruption reˉveals an essential role for ceruloplasmin in cellular iron efflux.Proc Natl Acad Sci U S A，1999，96（19）:10812-10817.
16 Vulpe CD，Kuo YM，MurphyTL，et al.Hephaestin，a ceruloplasmin homologue implicated in intestinal iron transport，is defective in the sla mouse.Nat Genet，1999，（2）:195-199.
17 Njajou OT，Vaessen N，Joosse M，et al.A mutation in SLC11A3is associated with autosomal dominant hemochromatosis.Nat Genet，2001，28（3）:213-214.
18 Anderson GJ，Frazer DM，McKie AT，et al.The expression and reguˉlation of the iron transport molecules hephaestin and IREG1:implicaˉtions for the control of iron export from the small intestine.Cell Biochem Biophys，2002，36（2-3）:137-146.
19 Sakakibara S，Aoyama Y.Dietary iron deficiency up regulates hepˉhaestin mRNA level in small intestine of rats.Life Sci，2002，70（26）:3123-3129.
20 Ward RJ，Kuhn LC，Kaldy P，et al.Control of cellular iron homeˉostasis by iron-responsive elements in vivo.Eur J Biochem，1994，220（3）:927-931.
21 Conrad ME，Umbreit JN.Pathways of iron absorption.Blood Cells Mol Dis，2002，29（3）:336-355.
22 Simovich MJ，Conrad ME，Umbreit JN，et al.Cellular location of proteins related to iron absorption and transport.Am J Hematol，2002，69（3）:164-170.
23 Vernet M.The transferrin receptor:its role in iron metabolism and its diagnosis utility.Ann Biol Clin（Paris），1999，57（1）:9-18.
24 Beguin Y.Soluble transferrin receptor for the evaluation of erythroˉpoiesis and iron status.Clin Chim Acta，2003，329（1-2）:9-22.
25 Frazer DM，Wilkins SJ，Becker EM，et al.A rapid decrease in the exˉpression of DMT1and Dcytb but not Ireg1or hephaestin explains the mucosal block phenomenon of iron absorption.Gut，2003，52（3）:340-346.
（收稿日期:2004-05-24）
（编辑守 中）
基金项目:浙江省医药卫生科学研究基金课题项目（编号:2003B023）
作者单位:310012杭州浙江大学医学院
310007杭州浙江省中医药研究院