肠上皮细胞非血红素铁吸收转运的分子研究进展

吴秀群，赵 叶

（四川农业大学动物营养研究所，四川 雅安 625014）

铁是机体必需的微量元素，其缺乏或过量均会导致机体功能异常。由于人和动物机体缺乏有效的铁“排泄机制”，每天铁排泄量小于0.05%。因此，机体铁稳态（包括铁的摄取、转运、释放及贮存等）主要通过肠道铁吸收的精细调控来实现。食物中的铁分血红素铁和非血红素铁，非血红素铁主要存在于植物性食物中，包括二价铁和三价铁。本文简述了肠上皮细胞非血红素铁吸收转运的相关分子研究进展。

1 细胞色素b与Fe3+的还原

肠道Fe3+必须还原成Fe2+才能进入肠上皮细胞。十二指肠细胞色素b是近年来发现的存在于刷状缘的铁还原酶。Raja等研究表明在十二指肠黏膜细胞刷状缘表面存在铁还原酶活性，此酶经纯化表明含有b型细胞色素。McKie等使用负性克隆的方法分离出编码细胞色素-b样分子，并命名为Dcyt b，它与细胞膜还原酶Dcyt b561家族有45%～50%的同源性。Dcyt b位于肠上皮细胞刷状缘，与肠道铁的转运高度相关。Dcyt b mRNA在十二指肠铁缺乏鼠的成熟肠上皮细胞的上部微绒毛区域表达较高，在隐窝细胞没有表达，成熟肠上皮细胞的上部微绒毛区域是铁的转运活性最高的部位。Dcyt b蛋白在十二指肠刷状缘膜囊有高的表达，而在空肠不表达。铁调控的还原酶活性的变化与Dcyt b有关。为进一步证实Dcyt b本身具有还原Fe3+的能力，将Dcyt b cRNA注射入爪蟾卵，并与注射水组相比，结果前者高铁还原酶的活性提高了5～6倍。用Dcyt b转染来自于肠上皮细胞（HuTu-80，CaCo-2）的细胞系，通过对还原酶活性的测定，发现细胞的还原酶活性增加，用Dcyt b抗体处理60min后显著降低了还原酶活性，同时也抑制了未转染细胞的还原酶活性。因此，Dcyt b存在于肠道日粮铁吸收活性最高的部位——十二指肠成熟肠上皮细胞的上部微绒毛区域，且存在于适当的亚细胞区域刷状缘膜，是十二指肠的Fe3+还原酶。

2 二价金属离子转运蛋白1（DMT1）与肠上皮细胞Fe2+转运

DMT1是Gruenheid等在研究具有天然抗性的巨噬细胞蛋白1过程中发现的一种与Nrampl有极高同源性（达78%）和相似二级结构的蛋白质。DMT1在人组织中分布广泛，RNA印迹分析显示，DMT1在近端小肠、肾、胸腺、脑、睾丸、肝、结肠、心脏、脾、骨骼肌、肺、骨髓等多处组织都有表达。DMT1在小肠绒毛表层肠上皮细胞中高度表达，特别是在隐窝和绒毛下部，而在绒毛顶端没有表达，从小肠近端到远端表达逐渐减少，此表达模式与很多二价阳离子肠道吸收的解剖位点相一致。

2.1 肠道中DMT1的主要功能是转运食物中经Dcyt b还原的Fe2+目前研究较多的是两种遗传性缺铁模型小鼠，分别为mk型鼠和b型鼠，这两种模型鼠均呈现出以小肠铁吸收和红细胞铁利用障碍为特征的遗传性小细胞低色素性贫血，无论是增加膳食中铁的供应还是静脉补铁都不能使之恢复。Maureen等（1998）证实这两种小鼠的小细胞低色素贫血与DMTl基因185位密码子发生G-A突变有关，该突变导致其蛋白质产物185位的Gly残基被Arg残基替代。进一步分别用野生型和突变型鼠的DMTl基因对HEK293T细胞进行转染后发现，正常DMT1基因的过量表达能提高细胞铁的吸收75倍，与野生型鼠比较，G185R突变却使细胞铁的吸收下降35倍，G185S（Gly残基被Ser残基取代）突变细胞使铁的吸收仅有微弱的下降。通过对G185R和G185S对铁转运活性影响的比较，表明G185R突变的有害影响并不是由于Gly残基的缺失，而是它的取代基团为大的带电荷基团。但这一突变是否导致了蛋白质构象改变或允许金属离子通过的跨膜区段改变还有待于进一步研究。

2.2 DMT1是肠道非血红素铁的主要转运体，是非血红素铁正常吸收所必需的 Gunshin等研究表明：slc11a2-/-狗在出生后，肠道铁的吸收成为其主要来源，为了避免由于slc11a2缺失过早引发的高致死率，用一种携带slc11a2等位基因的loxP重组位点，在此位点插入等位基因使slc11a2基因完整，正常表达，并证实此等位基因的纯合子slc11a2flox/flox表型正常。将slc11a2flox/flox鼠与携带villin-cre的转基因鼠杂交，新生鼠为slc11a2int/int。使用免疫印迹估计slc11a2基因的表达，在slc11a2-/-和slc11a2int/int鼠肠上皮细胞上均未检测到slc11a2基因，表明slc11a2等位基因已经被有效的切断。DNA印迹分析表明slc11a2int/int鼠此等位基因仅在肠道被切断，其新生期的血液参数和组织铁的浓度无异常，但是当生后养分主要来源于肠道吸收时，slc11a2int/int表现为严重贫血，随着日龄的增加其程度与slc11a2-/-鼠相同，且出现明显的发育迟缓。因此，DMT1是肠道铁吸收所必需的。

3 膜铁蛋白辅助蛋白（HP）、铁转运蛋白（FP）与Fe2+基底膜的转运

参与胞浆Fe2+转运通过肠上皮细胞基底膜进入循环系统的分子主要有：HP和FP。

3.1 HP与Fe2+氧化成Fe3+和基底膜释放 HP是一种跨膜铜依赖性亚铁氧化酶，是铁从肠上皮细胞转运进入血液循环所必需的。人的HP基因是由20个外显子（大约100kb）组成，完整的人类HP cDNA编码1185氨基酸，它与血清中的亚铁还原酶（血浆铜蓝蛋白）有高度的同源性（50%相同，68%相似），故推测HP是具有血浆铜蓝蛋白外功能区的跨膜结合蛋白。目前，HP的亚铁氧化酶活性在酵母中已经得到证实。HP在体组织分布广泛，原位杂交表明，HP仅在肠道绒毛表达，隐窝细胞不表达，这一表达模式与铁在肠道绒毛的吸收部位相一致。铁从肠上皮细胞基底膜的释放需要铜的参与，且与HP有关。早期研究表明：铜缺乏会诱导血红蛋白过少的贫血，仅靠补铁不能缓解其症状。同位素示踪试验表明：铜缺乏动物铁的吸收也会受到抑制，后来观测发现铁累积在肠道，需补充铜才能缓解。Chen等在鼠上的研究表明：缺铜日粮组小鼠的脾、肾、右胫骨铁的浓度极显著低于对照组，而肝脏、小肠铁的浓度极显著高于对照组。在肠上皮细胞上的进一步研究发现，HP mRNA水平缺铜组和对照组之间差异不显著，缺铜组HP蛋白水平和氧化酶活性显著低于对照组；同时在HT29细胞上研究也发现，无论是铜缺乏还是充足，HP mRNA的水平保持不变，添加螯合剂降低铜的浓度使HT29细胞的HP蛋白水平和氧化酶活性显著降低。因此，铁从肠上皮细胞基底膜释放需要铜参与，且与HP氧化酶特性有关。

3.2 FP1与基底膜铁释放 FP1又称铁调节转运体1或金属转运蛋白，是一种跨膜铁输出蛋白。小鼠、大鼠和人的FP1编码序列同源性大于90%。FP1广泛分布于机体各组织，在小肠、胎盘、脾、肝、心脏、肌肉、肺和脑均有表达。FP1蛋白在肠中主要分布于十二指肠绒毛上皮细胞，且小肠绒毛顶部的黏膜上皮细胞比隐窝部的表达要强。从十二指肠到结肠，FP1表达递减，此模式与肠对铁的吸收能力相一致。小鼠十二指肠冰冻切片的免疫荧光染色显示，FP1主要分布在肠上皮细胞的基底胞质和基底膜，上皮顶端胞质中也有少量。因此，FP1介导了铁从十二指肠基底膜的流出，且这一过程需要亚铁氧化酶辅助。

4 结语

肠上皮细胞铁的吸收转运是个很复杂的过程，许多生物大分子都参与其转运过程，还有许多问题有待进一步研究：（1）Dcyt b可能仅为十二指肠铁还原酶中的一种，肠道中是否还存在其他的铁还原酶有待考证；（2）DMT1的G185R突变导致其转运功能的丧失是由于突变造成了蛋白质构象改变还是允许金属离子通过的跨膜区段改变有待于进一步研究；（3）HP在肠道铁吸收过程中的具体作用只是根据其结构推定的，其直接证据还有待进一步研究。

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