二价金属离子转运体ＤＭＴ１研究进展

刘　芬　郑　玮　李桂晨

【摘要】二价金属离子转运体（divalent metal-ion transporter-1，DMT1）是一种在哺乳动物广泛表达的金属离子转运体，参与机体内多种金属离子的转运。相关研究已证实，金属离子、氧化还原物质、炎症介质等因素均可影响DMT1基因的表达。新近的研究推测基因突变可能是DMT1参与低色素性小红细胞贫血的重要机制，DMT1还可能与脑内神经元变性有关。深入研究DMT1将为了解金属离子代谢及其相关疾病的发病机制提供重要的研究资料。

【关键词】金属离子转运；DMT1；DCT1

1. 引 言

二价金属离子转运体（DMT1）又称为自然抵抗相关巨噬蛋白2（natural resisitance associated macrophage protein 2，Nramp2），或二价阳离子转运体1(divalent cation transporter 1，DCT1)，属于可溶性载体家族成员(solute carrier family 11 member 2，SLC11A2)，是哺乳动物体内质子偶联的跨膜金属离子转运体。当它被首次发现时，由于与已经发现的Nramp1基因同源性高达78%，以此被命名为Nramp2［1］。从DMT1发现以来，它的结构、功能、表达等方面已经获得很多重要发现，对于DMT1的研究已经成为铁研究乃至整个微量元素研究领域的一个热点问题。

2. DMT1的分子结构

DMT1分子量为61456，等电点为6.02，是具有12个跨膜域（transmemberane，TM）的糖蛋白，其糖基化的细胞外袢状结构和高度保守的细胞内序列都具有高度的疏水性。DMT1mRNA的四种亚型在不同组织和细胞编码四种不同的DMT1蛋白并行使不同的功能。人DMT1基因组DNA含有43999个碱基，包括16个外显子，其cDNA有4142个碱基，所编码蛋白含561个氨基酸，其羧基端和氨基端均位于细胞胞质内。DMT1与同家族Nramp1的基因同源性高达78%，氨基酸相似性达到64%，二者的主要区别在于氨基端的不同[2]。Lee等研究发现与Nramp1基因相比，DMT1在氨基端多出一个外显子和內含子1，并在羧基端多出了外显子17和內含子16，故推测两者在结构和功能上的差别可能与此有关[3]。

3. DMT1的功能特点

3.1 铁的转运

肠上皮细胞的DMT1功能模型表明，食糜中的Fe3+经胃酸溶解后，被表达于十二指肠细胞刷状缘上的还原剂还原成Fe2+，肠腔中低pH环境可使Fe2+稳定存在，然后经刷状缘上的DMT1被转运至肠上皮细胞的细胞质内。然后通过上皮细胞基底面的金属转运蛋白(putative metal transport protein，MTP1)排出肠上皮细胞，进入细胞外基质[2]。这一特点表明DMT1可能在脑内生理学铁转运方面起着重要的作用。

3.2其他金属离子的转运

DMT1能够转运的金属离子达8种之多，除了Fe2+以外，还可以转运Mn，Cu，Zn，Co，Ni，Cd 和Pb。相关实验显示，DMT1可以转运Cu，但铜是以Cu+还是Cu2+的形式被转运现在或尚未确定。pH依赖的Co2+运输也已经被证明，但是其生理学意义还需进一步详细阐述。Desmond等的研究表明，Cd和Mn能抑制铁的运输，Zn和Pb却不能，这为DMT1在Caco-2细胞直接参与摄取铁和镉提供了证据，其结果解释了铁缺乏是镉中毒的危险因素[4]。DMT1可能还参与脑内Mn转运，在b/b型和+/b型Belgrade大鼠脑内，前者通过血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）对54Mn和59Fe的摄取比后者少，表明DMT1等位基因缺陷影响了两种金属脑内代谢[5]。

3.3 DMT1的表达分布

DMT1在体内的表达具有组织和细胞特异性，且不同的亚型在各个器官的表达和功能上都有所不同。DMT1在十二指肠吸收细胞中是主要的顶端铁运载体，因而它与饮食铁的吸收调节密切相关。此外，DMT1还参与脑内铁吸收。DMT1作为二价阳离子转运体在肾脏铁重吸收方面起着重要的作用。大鼠心脏中也有DMT1mRNA的表达，并且呈年龄依赖性，同时只能被铁在转录后水平调节。呼吸道上皮细胞也可检测到DMT1的表达，且暴露在高铁环境后，DMT1-nonIRE型mRNA的表达增强[6]。

DMT1亚型在成人组织中普遍存在，但DMT1-IRE和DMT1-nonIRE却具有细胞型特异性和亚细胞分布特异性。相关研究表明，在胚胎组织中DMT1-IRE和DMT1-nonIRE的表达是普遍存在的，并且两种亚型的蛋白都集中在胚胎上皮细胞膜上，这与所在组织的吸收或排泄功能相关。其中，DMT1-nonIRE存在于神经元、神经样细胞、星形胶质细胞以及星形细胞瘤的细胞核和细胞质中，而DMT1-IRE主要存在于在这些细胞的细胞质间隔里[7]。

4. 影响DMT1基因表达的因素

4.1 金属离子对DMT1基因表达的调控作用

体外试验表明，适当增加锌浓度并不影响细胞摄取铁离子，说明DMT1对锌、铁的转运是相对独立的。但高锌能使DMT1表达增强，并且这种增量调节具有pH依赖性。另有研究指出锰暴露会改变铁调节蛋白的功能，脑脊液中铁浓度升高。向脉络膜上皮细胞系Z310加入锰，可使铁调节蛋白（Iron-Regulatory Protein，IRP）与DMT1mRNA稳定结合，DMT1表达增加。锰暴露后，通过易化DMT1对铁的运输，使穿过血-脑屏障进入脑内的铁增多，可能是Mn诱导的退行性神经性疾病——帕金森综合症的重要原因[8]。

4.2 其它因素对DMT1表达的调控

DMT1基因表达的调控因素还有很多，除以上因素外，炎症介质、TNF-α、IFN-γ、蛋白激酶C、发育阶段等因素均参与调控。Ludwiczek等已证明致炎因子和脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）能影响巨噬细胞DMT1表达上调[9]。在培养基中添加TNF-α，IFN-γ和LPS后BEAS-2B细胞向细胞内运输铁增多。我们推断致炎因子和LPS可增强在体实验和体外培养的呼吸道上皮细胞DMT1mRNA的表达以及DMT1蛋白的合成[10]。

5.DMT1参与疾病发生的可能机制

5.1 DMT1参与低色素性小红细胞贫血的可能机制

DMT1突变是导致低色素性小红细胞贫血的重要原因，也可能是不同人群对铁缺乏具有不同易感性的可能原因。研究发现，在先天性低色素小红细胞贫血mk小鼠和Belgrade大鼠体内，DMT1蛋白TM4区185位甘氨酸突变为天冬氨酸。在mk/mk小鼠的肾中可检测的DMT1G185R蛋白的水平与mk/+对照组相比剧烈地下降。该突变(G185R)导致了DMT1生理功能丧失，引起小肠上皮细胞摄取铁障碍，进而造成铁代谢紊乱[11]。

5.2 DMT1与神经元变性类疾病的可能关系

脑内铁失控在一些神经元变性疾病的神经元死亡中起一定的作用，如：阿尔兹海默氏病、帕金森氏病、亨廷顿病和哈-斯二氏综合征。而DMT1作为重要的金属离子转运体可能是脑内铁离子超负荷以及其它金属离子紊乱的原因之一。铁在机体内能够通过氧化还原反应参与多种代谢过程，可以在亚铁和高铁状态间互变。铁提供和接受电子的特性在这些反应中不仅仅起到了它在生理学关键作用，当过剩的铁存在时，脑内的铁还能通过产生自由基介导显著的氧化损伤。铁介导的氧化损伤与帕金森氏病和阿尔兹海默氏病相关，然而尚不明确两病的病因是铁蓄积还是氧化应激，或许铁蓄积和氧化应激也只是疾病条件下的结果[12]。

6. DMT1的研究展望

从DMT1的临床意义来讲,小红细胞贫血和神经变性病变存在显著的铁分布异常和代谢紊乱,而DMT1在机体内呈广泛而特定的分布，所以进一步了解和认识生理和病理条件下,DMT1对铁等离子在各组织内的功能、分布和调节,将为小红细胞贫血、中枢神经系统退行性疾病和多种金属代谢性疾病的预防和治疗提供依据。

参考文献

[1]Vidal SM, Belouchi A, Cellier M, et al. Cloning and characterization of a second human NRAMP gene on chromosome 12q13.Mammal Genome 6, 1995, 224–230.

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[3]Lee PL,Gelbart T,West C, et al.The human nramp2 gene:Characterization of the gene structrure, alternative splicig; promoter region and polymorphisms. Blood Cell Mol Dis,1998,24:199-215.

[4] Desmond I. Bannon,Roger Abounader, et al.Effect of DMT1 knockdown on iron, cadmium, and lead uptake in Caco-2 cells. Am

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[7] Ya Ke, Zhong Ming Qian. Brain iron metabolism: Neurobiology and neurochemistry. Progress in Neurobiology, 2007,83:149–173.

[8] Xueqian Wang, Guojun Jane Li, Wei Zheng.Upregulation of DMT1 expression in choroidal epithelia of the blood–CSF barrier following manganese exposure in vitro.Brain Research,2006, 1097:1–10.

[9] Ludwiczek S, Aigner E, Theurl I, et al. Cytokine-mediated regulation of iron transport in human monocytic cells. Blood,2003,

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[10] Prasad N. Paradkar, Jerome A. Roth.Nitric oxide transcriptionally down-regulates specific isoforms of divalent metal transporter

(DMT1) via NF-κB.Journal of Neurochemistry, 2006, 96:1768–1777.

[11] Fleming MD, Trenor CC, Su MA, et al. Microcytic anaemia mice have a mutation in Nramp2, a candidate iron transporter gene. Nat Genet,1997,16:383-386.

[12] Moos T, Morgan EH. The metabolism of neuronal iron and its pathogenic role in neurological disease. Ann N Y Acad Sci,

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