铁代谢与帕金森病关系的研究进展



铁代谢与帕金森病关系的研究进展

王俊a谢瑞满b

(复旦大学附属中山医院a神经科，b老年科，上海200032)

Research Progress of Association of Iron Metabolism and Parkinson’s Disease

WANGJunaXIERuimanbaDepartmentofGerontology,bDepartmentofNeurology，ZhongshanHospital，FudanUniversity，Shanghai200032,China

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是神经退行性疾病，临床表现为运动迟缓、肌强直、静止性震颤以及姿势步态的异常。PD的病理学改变包括：黑质致密部多巴胺能神经元退变，纹状体多巴胺减少，残存神经元中有路易氏小体(lewy body, LB)。PD发病与α-突触核蛋白、氧化应激与炎性反应、环境与遗传因素、泛素-蛋白酶体途径及铁代谢紊乱等有关[1]。本文综述了铁的代谢及代谢调节，以及铁代谢与PD的关系。

1铁的生化及生理学特点

铁是一种人体必需的微量元素。体内铁主要分布在血红蛋白中，其次是肌红蛋白。铁有灵活的配位及较强的氧化还原能力，二价铁(Fe2+)和三价铁(Fe3+)之间容易转换。铁能与蛋白质和氧结合，参与氧的运输、能量代谢、神经递质合成、神经髓鞘合成等，但过量的铁也可能通过氧化应激产生毒性作用。在细胞及机体内，铁的获取、利用及解毒有一套成熟的机制[2]。早期认为脑内的铁不与血红蛋白结合，而与其他形式的蛋白结合。1968年有学者用X线荧光光谱法分析发现，PD患者黑质的铁含量比健康者高2倍，随后多项研究证实PD患者脑内铁的含量发生了变化[3-4]。

2铁的代谢

2.1铁的摄入体内铁主要来源于膳食及衰老的红细胞。食物中的Fe3+在肠腔内通过铁还原酶(如十二指肠细胞色素B)还原为Fe2+，然后在2价金属转运蛋白1(divalent metal transporter l, DMT1)的作用下转运到肠上皮细胞中；含Fe2+的膳食血红素则直接转运到肠上皮细胞内，在肠细胞内经血红素加氧酶1(heme oxygenase-1，HO-1)作用后释放Fe2+，这些Fe2+由溶质载体和膜铁转运蛋白(ferroportin, FPN)介导穿过基底膜进入血液。这种由FPN介导的Fe2+外排与其再氧化成Fe3+密切相关。铁的氧化由铜蓝蛋白等氧化酶催化完成。Fe3+通过与转铁蛋白结合，维持其三价惰性状态，并转运至组织中。转铁蛋白约携带人体铁的0.1%，每天有10余次铁代谢转换[5]。

衰老的红细胞被巨噬细胞清除，分解为血红蛋白和血红素，由FPN介导释放Fe2+到血液中。Fe2+由FPN介导从肠细胞和巨噬细胞进入血浆的过程受到肝源性肽类铁调素的调控，铁调素促进FPN磷酸化、被内吞及被溶酶体降解。在铁超载及炎性反应时肝源性肽类铁调素表达增加，FPN作用受到抑制，膳食中铁的吸收降低，巨噬细胞中铁的滞留增加，进而降低血浆中的铁。

2.2铁的转运细胞从载铁的血浆转铁蛋白中摄取铁，载铁的转铁蛋白和细胞表面高亲和力的转铁蛋白受体(transferrin receptor, TfR)结合，介导铁内吞。通过质子泵作用，内涵体pH减小至5.5，触发Fe3+从转铁蛋白释放，然后在还原酶的作用下还原为Fe2+，再在DMT1的作用下转运到胞浆[6]。释放铁的转铁蛋白与其受体的亲和力下降，再回到血浆中循环利用。1%循环铁与非转铁蛋白结合，由一系列小分子配体处理，包括柠檬酸盐、抗坏血酸离子以及循环的白蛋白、三磷酸腺苷等。载铁的转铁蛋白主要通过脑毛细血管内皮细胞(brain capillary endothelial cells, BCECs)表面TfR1介导的内吞作用穿过血脑屏障，之后铁从转铁蛋白上释放出来，还原为Fe2+，继而通过DMT1、FPN排入脑间质。在脑间质中，铁与转铁蛋白或乳铁蛋白结合[7]。

2.3铁的储存进入细胞后，铁有不同的代谢路径：直接用来合成血红素、铁硫簇；余铁则与铁蛋白结合，以无毒的形式储存起来，或储存于神经黑色素(neuromelanin, NM)、不稳定铁池(labile iron pool, LIP)。铁蛋白由H链和L链构成，与铁结合时，将其包绕在中心。铁结合到铁蛋白不具有毒性，不引起细胞损伤，但是铁蛋白复合物的破坏使体内自由铁超载，产生过量的自由基，导致膜脂质发生过氧化，引起毒性作用[8]。各类细胞中都有LIP，内含柠檬酸盐、肽、三磷酸腺苷、焦磷酸等。LIP能反映细胞内铁含量，维持铁平衡。NM通过在神经细胞胞浆中螯合铁来减少自由铁，生理状态下50%的NM处于铁饱和状态；PD患者中与NM结合的铁显著减少，而自由铁增多，神经元丢失也相应增多[9]。

3铁代谢的调节

铁代谢的平衡需要调控机制来维持，包括铁反应元件(iron-responsive element, IRE)/铁调节蛋白(iron-regulatory protein, IRP)及缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor, HIF)调节系统。当铁调控异常时，铁的代谢失衡，铁超载或缺乏，产生神经毒性。

3.1IRE/IRP调节系统多种铁代谢相关的mRNA含有IRE。IRP结合到mRNA非编码区(untranslated regions, UTRs)的IRE上调控铁代谢相关蛋白的表达，进而调节铁的代谢[10]。IRP和mRNA不同区域的IRE结合会产生不同的效应：与5’端的IRE结合，抑制 mRNA的表达；与3’端的IRE结合，则稳定IRP mRNA的表达。铁下降时，IRP和5’端 的IRE结合，抑制铁蛋白、M-顺乌头酸等mRNA的表达，从而减少铁的存储及红细胞对铁的利用；与3’端的 IRE结合则稳定TfR1、DMT1等的mRNA表达，从而增加铁的摄取、转运并影响细胞骨架重构等。铁增加时，IRP1- Fe发生了构象变化，不能与IRE结合；而IRP2 - Fe复合物通过泛素-蛋白酶体途径降解，通过这两方面促进铁的存储、利用，减少铁的吸收。

3.2HIF调节系统HIF是由一个α亚基和一个β亚基组成的二聚体。HIF-1α被脯氨酰羟化酶羟化后经泛素化降解。HIF-1α降解后，TfR、DMT1等的表达下调。缺氧时，HIF-1α泛素化被抑制，而转运到核内与HIF-1β发生二聚化，并与环磷酸腺苷反应元件结合蛋白结合，进而激活含有缺氧反应元件的转铁蛋白、DMT1等基因的转录，从而增加铁的摄入。

4脑内铁沉积与PD的关系

4.1PD患者脑内铁沉积核磁共振成像显示，PD患者的铁沉积早于临床症状出现；经颅超声发现脑黑质内铁升高者患PD的风险提高17倍[11]。研究[12]发现PD患者脑中LB存在铁沉积。对于脑黑质铁沉积及相应神经元丢失的PD动物模型，用铁螯合剂能改善相关症状[13]。通过基因学方法或药理学手段增加铁蛋白或铜蓝蛋白(增加铁排出)也能减轻铁介导的毒性[14]。上述研究均提示PD患者脑内铁水平升高，铁沉积可能是导致PD的原因之一。

4.2PD患者铁沉积的原因脑内IRP异常可致铁沉积；PD患者黑质中DMT1增加可导致铁摄入增加；PD患者的尸检显示脑内转铁蛋白水平下降，铁的转运能力下降，自由铁增加，神经毒性增强；脑内铜蓝蛋白的量没有改变，但是其在黑质中的活性和选择性降低，使铁排出减少[15]。PD患者铁的摄入增加、转运储存减少、排出减少是导致体内铁沉积原因。

4.3铁沉积产生的毒性作用

4.3.1氧化应激PD患者神经系统黑色素和铁蛋白的功能异常以及血脑屏障的破坏可导致脑内Fe2+含量增加。多巴胺代谢产生的过氧化氢与这些Fe2+通过芬顿反应产生羟自由基。而PD患者脑内谷胱甘肽水平下降，抗氧化能力下降，高反应性羟自由基会引起氧化应激。同时，这些Fe2+还可引起突触核蛋白聚集，导致羟自由基产生和LB形成，导致脂质过氧化、蛋白质错误折叠、线粒体功能异常、胶质细胞激活等。

4.3.2铁退亡铁退亡(ferroptosis，以往译为铁死亡)是一种铁依赖性的细胞死亡方式。该死亡方式受细胞内信号通路的严密调节。铁退亡的发生需要铁依赖性的活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)及还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶，涉及脂质过氧化。铁退亡是一种在形态学、生物化学和遗传学等方面不同于凋亡、坏死和自噬的细胞死亡方式。铁退亡的典型特征为线粒体变小，但双层膜的密度增加，同时细胞质及脂质内ROS增多。铁退亡不需凋亡蛋白的参与，不消耗能量，不发生细胞内钙超载，线粒体不产生ROS。铁退亡没有凋亡标志物，但可被铁螯合剂或通过抑制铁的摄入所阻断。

2012年有学者研究一种小分子抗癌药物Erastin的作用机制时，首次发现了铁退亡现象[16]。铁退亡的机制与谷氨酸毒性作用相似：通过抑制细胞膜上胱氨酸/谷氨酸反向转运体的功能导致细胞内谷胱甘肽耗竭，铁超载导致铁依赖性的ROS增加。研究[16-17]发现，用铁螯合剂或合成的ferrostatin-1(Fer-1)能显著降低erastin导致的细胞死亡。Fer-1是一种小分子物质，能够特异性抑制ROS引起的铁退亡，但对其他细胞死亡方式没有抑制作用。Fer-1能够抑制erastin引起的肿瘤细胞死亡，也能抑制谷氨酸对海马型脑片的毒性。Fer-1对铁退亡的抑制作用主要通过清除ROS实现[16-17]。

4.3.3其他机制细胞内铁的异常积聚可损伤多种蛋白如钙泵、钠钾泵，可氧化神经酰胺、鞘磷脂，最终导致突触功能障碍和神经细胞死亡。

5铁含量下降与PD的关系

以往研究多集中在铁缺乏对神经发育的影响和铁积聚在退行性变中的作用。近年来研究[18]表明，PD的发生可能与铁含量下降有关，如运动神经元缺铁小鼠模型表现出线粒体活性降低和髓鞘化低下。研究发现，增加铁的摄入能降低PD的发生[19]。采用孟德尔随机化方法选择了3个对血清铁有影响的多态性基因，通过对20 809名PD患者和88 892名健康人进行全基因组荟萃分析发现，血清铁每升高179.1 μmol/L，患PD的风险就下降0.3%(95% CI: 0.1%～0.6%)，提示铁升高是PD的保护性因素[20]。

6小结

PD除了典型的运动症状外，还会出现非运动症状，如焦虑、认知障碍等。由于研究方法、取材部位、标本保存、处理方法以及患者病程的不同，PD患者体内铁含量的改变是原发性病因或是继发性改变、是危险因素或保护因素目前尚有争议，均有待进一步研究证实。

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·综述·

通讯作者谢瑞满，E-mail: xie.ruiman@zs-hospital.sh.cn

中图分类号R742. 5

文献标识码A