铁超载致氧化应激诱导心肌细胞凋亡的分子机制



铁超载致氧化应激诱导心肌细胞凋亡的分子机制

苏亚乐王晓晶徐伟伟王晔玲

(吉林大学第一医院心血管疾病诊疗中心，吉林长春130021)

〔关键词〕铁超载;氧化应激;心肌细胞凋亡;信号通路;AKT;铁螯合剂

第一作者：苏亚乐(1989-)，男，在读硕士，主要从事年龄相关的心血管疾病与冠心病的介入治疗研究。

铁是生命体内必须的微量元素，参与机体蛋白和酶的组成。然而在某些条件下，铁的正常代谢会被干扰，从而导致体内铁超载，铁超载引起氧自由基水平升高和氧化应激，可能通过改变活性Akt调节其介导的信号传导途径，引起心肌的病理性损伤，从而影响细胞增殖、抑制凋亡过程。本文对铁超载导致活性氧家族(ROS)增加时与Akt信号通路的关系进行研究，为明确铁超载导致心肌细胞损伤的分子学机制提供依据，进而为铁过引起的心血管损伤疾病的防治提供新思路与新靶点。

1铁在人体的储存形式及生理功能

铁在人体内分布广泛，成年人体内正常含铁量大约35～45 mg/kg〔1〕，铁的氧化状态有二价(Fe2+)、三价(Fe3+)和四价(Fe4+)，机体内铁存在形式分为可利用及不可利用，可利用铁多数(约60%~70%)存在于血液中红细胞的血红蛋白及肌肉组织中的肌红蛋白，少数(约20%)以铁蛋白和含铁血黄素存在于肝脏、脾脏、骨髓等组织中，铁在人体中具有参与氧的运输和储存，参与细胞色素和某些金属酶合成并影响其活性、维持正常造血功能、增强免疫功能等生理功能。

2铁超载的毒性作用

铁在机体内广泛参与生物化学反应，具有非常重要的生理功能，然而不适当补铁造成体内铁超载时，便会对人体生理功能产生损害，轻微的铁过量，对机体影响较小，严重的铁过负荷，便会对机体各器官组织造成损害。

铁超载可分为原发铁超载和继发铁超载〔2〕，前者主要由遗传性血色素沉积症(HFE)基因突变所致的一种常染色体隐性遗传疾病，主要通过促进铁在胃肠道吸收，令身体内的总铁质含量达至病理性的水平造成铁超载。后者由外源性因素使体内总铁负荷量过多。包括：长期输血者、丙型肝炎患者、膳食结构不合理、盲目补铁等〔3~5〕。机体过多铁可通过氧化还原反应产生大量活性氧，铁介导的氧化损伤可对心血管、神经系统、肝脏、内分泌代谢等系统器官产生损害〔6，7〕。目前，研究显示，ROS是造成细胞内氧化伤害的主要原因，也是一种改变细胞信号途径的响应信号。其中Akt 信号通路为介导氧化损伤中一条重要信号传导通路。

3铁超载导致心脏疾病及治疗

铁过载会导致心血管疾病发生。Sullivan首次提出-铁超载是冠心病的危险因素。目前，随着人类对铁超载与心血管疾病关系认识，铁过载致心脏损伤便成了铁过载研究领域中的热点〔8〕。铁在冠心病发病中有多方面作用：它不仅参与心肌缺血-再灌注损伤，引起心脏传到系统障碍，还能促进动脉粥样硬化过程；研究表明铁超载导致心脏损害是铁过载病人的主要致死原因〔9〕。Auer等〔10〕发现过量的铁通过Haber-weiss反应产生大量氧自由基，启动脂质过氧化反应，导致心肌脂质、蛋白质、核酸以及心肌细胞功能损伤，最终引起心功能衰竭或死亡。Salonen等〔11〕研究发现，铁超载中年男性心肌梗死的患病率明显对照组。Gaenzer等〔12〕研究进一步证实了铁超载与冠心病相关。

4铁超载引起氧化应激导致心肌细胞凋亡的分子机制

氧化应激是指机体受到多种因素刺激后，体内ROS和活性氮族(RNS)及其相关代谢产物过量聚集，导致体内氧自由基产生和清除受损，其结果是造成蛋白质、脂质和核酸等的氧化损伤，从而干扰正常生命活动。ROS是由氧激发的化学性质十分活泼的分子〔13〕，生理情况下机体产生的氧自由基很少，同时体内存在天然抗自由基抗氧化两大防御系统，但当ROS和RNS产生的速率大于被清除的速率时，就造成ROS和RNS及其相关代谢产物过量聚集导致氧化应激，从而对细胞产生毒害作用。由于铁广泛分布于机体各组织器官，参与单电子氧化还原反应，故氧化应激是铁超载最常见的毒害机制。故，当过多的铁沉积在体内时，可导致氧化应激，而氧化应激在动脉硬化、原发性高血压、心肌缺血-再灌注损伤、心房颤动、心肌病等多种心血管疾病的发生、发展中发挥着重要作用〔14〕。

5Akt介导的信号通路在铁超载导致心肌细胞凋亡重要作用

铁超载时，细胞内活性氧的产生不仅是造成细胞内氧化伤害的主要原因，也是一种改变细胞信号途径的响应信号。Akt是一种分子量约为60 kDa的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶〔15〕，又被称为蛋白激酶B(PKB)，作为多条信号通路的重要交叉点，Akt是调节细胞因子、生长因子和癌基因Ras激活的细胞生存信号。Wang等〔16〕在实验中发现铁超载时磷酸化Akt表达明显下调，心肌细胞内半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-3(caspase-3)激活增加，从而导致心肌细胞凋亡。研究显示铁鏊合剂能使磷酸化Akt上调，从而抑制了心肌细胞凋亡。

5.1P13K/Akt信号通路P13k常被认为是联系细胞外信号传递及细胞内应答的桥梁分子，P13K/Akt信号通路由效应蛋白和传递信息靶点组成，其在调节细胞分化、增殖、凋亡中起重要作用。ROS可通过激活如内皮生长因子等相关受体途径而引起Art信号通路活化，P13K/Akt信号通路广泛存在外周和中枢神经元中〔17〕。许多研究已证实，P13K/Akt信号通路的激活可有效抑制心肌细胞凋亡，在保护心肌缺血再灌注损伤中发挥重要作用〔18〕，P13K/Akt信号通路中，活化的Akt处于中心环节，是P13K的直接靶基因，机体通过激活P13K而使Akt磷酸化，从而可引起下游磷酸化级联反应和靶蛋白之间的相互作用〔19〕。Art信号通路活化与否，在对抗氧化损伤、保护细胞存活中非常重要，HSP90、HSP70可能是介导氧化应激损伤后的细胞保护作用机制之一。综上，P13K/Akt信号通路对抗氧化应激损伤中发挥重要作用。

5.2Akt/mTOR/p70S6K信号通路TOR最先是Heitman等〔20〕在分析不同啤酒酵母突变体对雷帕霉素抵抗作用的差别时发现的，在哺乳动物中的TOR即被称为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)，具有蛋白酶活性，属于磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)相关激酶蛋白激酶类家族。mTOR是Akt下游的重要信号分子，Akt/mTOR信号通路是激活蛋白质翻译，调节蛋白质合成，以及细胞生长的中心调控者，决定细胞、组织及器官大小中发挥重要作用〔21〕。其主要通过调控p70S6K以及4EBP-1发挥生理作用，其中以p70S6K 最重要〔22〕。在分化成熟的血管内皮细胞和心肌细胞中，mTOR可直接或间接地被Akt磷酸化而激活。研究表明，mTOR可使P70S6K的第412位苏氨酸残基磷酸化，从而使其活性明显增强。体外研究证实，ROS介导的AKt/mTOR/p70S6K信号通路激活可以抑制细胞凋亡和促进细胞的增殖〔23~25〕，综上，AKt/mTOR /p70S6K信号通路的抑制是铁超载导致心肌细胞凋亡重要信号通路。

6总结与展望

目前铁超载能导致氧化应激，这与多种心血管疾病有密切关系。铁鳌合剂能够对心血管有保护作用，多项研究证实去铁胺、去铁酮、去铁斯若在祛除机体铁负荷均有效〔26〕，但铁鳌合剂对于解除Akt信号通路失活改善凋亡从而改善心功能的机制尚不明确。本文通过研究氧化应激时体内多种信号通路改变及铁超载导致心肌细胞凋亡的分子机制，为保护铁超载状态下的心肌细胞提供思路。

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〔2015-07-10修回〕

(编辑袁左鸣)

通讯作者：王晔玲(1973-)，女，教授，硕士生导师，主要从事年龄相关的心血管疾病与冠心病的介入治疗研究。

基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(No.20120061120090)；教育部留学回国人员科研启动基金资助课题〔编号：教外司留(2013)1792〕

〔中图分类号〕R541

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1005-9202(2016)03-0744-03；doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.03.102