铁调素调控与肝脏疾病引起的铁代谢紊乱

秦源　郭永红　王亚宁　贾战生　张颖



铁调素调控与肝脏疾病引起的铁代谢紊乱

秦源郭永红王亚宁贾战生张颖

710038西安第四军医大学唐都医院全军感染病诊疗中心(秦源，王亚宁，贾战生，张颖)；西安交通大学医学院第二附属医院感染科(郭永红)通信作者：贾战生，Email：jiazsh@fmmu.edu.cn；张颖，Email：zyfmmu@hotmail.com

机体铁代谢涉及铁离子的吸收、转运、利用、循环和储存等过程。多种肝脏疾病可引起机体铁代谢紊乱，包括病毒性肝炎和酒精性肝病等。铁离子可通过芬顿(Fenton)反应促进细胞活性氧簇水平升高造成细胞损伤，因此组织中的铁含量需维持在正常生理水平[1, 2]。2000年和2001年，Krause[3]和Park[4]等分别从人血清和尿中分离得到铁调素。该分子是一种肝脏分泌的抗菌短肽，由25个氨基酸组成[5, 6]。铁调素作为负性调控分子在维持铁代谢稳态中起着关键性作用, 并与多种铁代谢疾病发病机制有关[7]。本文就相关肝脏疾病对铁调素调控的影响及其与铁代谢紊乱的关系作出如下综述。

一、机体铁代谢稳态

人体缺乏有效的铁离子排出途径，小肠吸收的铁离子和巨噬细胞释放的铁离子共同决定了血清铁离子水平。食物中的Fe3+在胃和十二指肠酸性环境下溶解，由十二指肠细胞色素还原为可溶性Fe2+并与肠黏膜细胞顶端的二价铁离子转运体1(Divalent Metal Transporter1，DMT1)结合进入小肠上皮细胞。小肠上皮细胞中的一部分铁离子与细胞内去铁蛋白结合生成铁蛋白，另一部分通过与基底膜侧膜铁转运蛋白(Ferroportin，FPN)结合进行跨细胞质运输，铁离子穿过细胞基底膜进入血浆[8]。血浆中的铁离子与转铁蛋白(Transferrin，Tf)结合后绑定于细胞膜表面转铁蛋白受体(Transferrin Receptor，TfR)形成Tf-TfR复合物，通过受体介导的内吞作用进入细胞。胞浆中的Tf-TfR复合物进入内涵体，其内环境pH约为5.5，酸化的环境使Tf和TfR发生构象改变释放铁离子，Tf和TfR则循环至细胞膜表面[9]。

当机体铁离子水平高于阈值时，肝脏分泌铁调素循环至小肠。铁调素通过作用于B2微球蛋白/组织相融性复合物/转铁蛋白受体1复合物(B2-Microglobulin/ Hemochromatosis Gene/Transferrin Receptor，B2M/HFE/TfR1)降低铁调蛋白(Iron Regulatory Proteins，IRP)活性抑制铁运输蛋白表达，减少小肠上皮细胞对铁离子吸收。同时铁调素也可使小肠上皮细胞膜表面FPN内化降解，从而减少小肠上皮细胞铁离子的输出。对于巨噬细胞，研究发现上调铁调素表达会直接抑制巨噬细胞输出铁离子导致胞内铁离子积累[10]。Nemeth[11]和Lim[12]等人研究表明阻断铁调素受体FPN表达可抑制巨噬细胞中铁离子释放到血浆。因此铁调素偶联铁转运蛋白在维持机体铁稳态中发挥重要作用。

二、铁调素调控机制

研究表明铁调素表达受到多种外源性和内源性因素调控，包括炎症因子、低氧及其他机体信号通路[13]。骨形态发生蛋白/SMAD (Bone Morphogenetic Protein/Small Mother Against Decapentaplegic Homolog，BMP/SMAD)通路是调控铁调素表达的重要途径。BMP分子与铁调素调节蛋白 (Hemojuvelin，HJV)共同结合于细胞表面BMP受体导致SMAD磷酸化并形成复合体。SMAD复合体转入细胞核与铁调素启动子区BMP反应元件结合调节铁调素HAMP基因转录[14]。BMP分子如：BMP2、BMP4、BMP9和BMP6都参与了铁调素表达调控。

细胞炎症因子白介素-6(Interleukin-6，IL-6)在固有免疫中发挥作用。研究表明IL-6可通过激活信号转化器及转录激活因子3 (Signal Transducer and Activator of Transcription 3，STAT3)通路完成对铁调素调控。磷酸化的STAT3与HAMP基因启动子区域STAT应答元件结合增强HAMP基因转录活性，促进铁调素表达[15]。也有研究显示在机体炎症反应中白介素-22(Interleukin-22，IL-22)和I型干扰素(Interferon，IFN)等细胞因子可通过STAT3信号通路激活铁调素启动子增加铁调素表达[16]。

最近的研究表明，维生素D是肝细胞和单核细胞中潜在铁调素调控因子。在维生素D缺乏的环境中肝脏促进铁调素合成，细胞内和机体中的铁调素水平升高并抑制细胞膜表达FPN。1，25-二羟维生素D通过绑定维生素D受体介导的铁调素启动子区抑制铁调素mRNA翻译[17]。铁调素调控也受到胞内信号影响，在内源性介质中CO发挥了重要作用。CO可阻断STAT-3磷酸化和内质网应激，抑制铁调素表达[18]。此外有研究报道低氧环境可抑制铁调素表达，低氧诱导因子能间接的通过促进HJV分解抑制铁调素表达增强小肠对铁离子的吸收、摄取和血红素合成，保证充足的铁离子用于红细胞生成[19]。

三、肝脏疾病引起的铁代谢紊乱

肝脏是储存铁离子的主要器官，为新陈代谢提供铁离子。慢性丙型肝炎、乙型肝炎及酒精性肝病均可引发机体铁代紊乱。

慢性丙型肝炎患者常出现轻到中度的肝铁过载症状，对肝脏造成损害。已有研究证实，慢性丙型肝炎患者的肝铁离子平均含量接近0.50 g至0.69 g，是健康人肝铁离子含量的2～5倍。一些临床研究报道慢性丙型肝炎患者铁过载主要集中在网状内皮组织系统，而Fiel等[20]研究表明慢性丙型肝炎患者铁过载主要存在于肝细胞中。Fujita等[7]认为慢性丙型肝炎患者肝脏铁调素mRNA水平与血清铁蛋白浓度及肝脏铁沉积的程度均有关联性。Miura等[21]发现，丙型肝炎病毒(Hepatitis C Virus，HCV)诱导的活性氧簇(Reactive Oxygen Species，ROS)通过增加组蛋白乙酰基转移酶活性(Histone Deacetylase，HDAC)抑制了CCAAT/增强子绑定蛋白α(CCAAT/Enhancer-Binding Protein α，C/EBPα)与铁调素启动子绑定活性。铁调素表达随着ROS水平增加而下调[22, 23]。已有研究证实，肝细胞中STAT3磷酸化与IFN诱导的抗HCV效率有关[31]。慢性丙型肝炎患者血清IL-6水平升高增加了STAT3促进铁调素表达的可能性，但HCV诱导ROS引起的铁调素转录抑制作用更为明显[24]。

乙型肝炎患者血清铁调素水平与铁代谢密切相关。潘卫华等[25]对不同类型的乙型肝炎患者血清铁、铁蛋白、铁调素及炎性因子指标相关性研究表明，乙型肝炎患者铁蛋白含量与病情严重程度呈正相关。乙型肝炎引起的炎症反应会抑制铁调素表达，重型乙型肝炎患者血清铁水平显著升高。Yonal[26]和Jaroszewicz[27]等研究表明，乙型肝炎患者铁调素水平随病情不同发展阶段波动，肝硬化阶段患者血清铁调素前体显著降低且与肝功能损害程度呈负相关。在肝癌患者癌组织中铁调素表达显著下调[7]。Olmez等[28]发现与健康志愿者和丙型肝炎患者相比，乙型肝炎患者血清中的铁调素前体水平明显下调，并与肝纤维化程度呈负相关。也有研究显示，乙型肝炎、丙型肝炎患者体内铁调素水平都下调并导致FPN表达增多引起血清铁水平升高及肝铁过载, 但丙型肝炎患者肝铁过载症状更显著[29-31]。IL-6可激活STAT3通路促进铁调素表达，罗光成[32]和朱涛[33]等研究表明慢性乙型肝炎非活动组和活动组IL-6水平均高于对照组，患者血清IL-6水平随着病情加重显著升高，提示慢性乙型肝炎患者机体铁调素表达受到抑制可能是包括STAT3和BMP/SMAD在内的多种信号通路共同调控结果。这与慢性丙型肝炎患者血清IL-6水平升高但铁调素表达仍受到抑制的现象一致。此外铁离子对乙型肝炎病毒(Hepatitis B Virus，HBV)持续感染有重要作用，HBV更容易感染铁含量高的肝细胞[34]，抗病毒治疗可显著促进铁调素表达从而减轻肝脏铁过载症状。

酒精性肝病患者常伴有肝脏铁过载症状[35]，铁离子和酒精对肝脏损伤具有协同作用[36]。研究发现酒精代谢可促进活性氧化簇生成，氧化应激反应抑制了铁调素表达从而导致肠上皮细胞摄取铁离子增加和肝脏铁过载[37]。Harrison等[38]发现，酒精代谢介导氧化应激反应产生的活性氧化簇可通过C/EBPα抑制铁调素转录，而酒精代谢酶抑制剂可阻断酒精代谢介导的肝脏铁调素变化，如乙酰半胱氨酸和维生素E等抗氧化剂。因此对于通过抑制C/EBPα活性干扰铁调素转录而言，慢性丙型肝炎引起的肝铁过载和酒精性肝病导致的肝铁过载内在机制有一定的相似性。

四、总结与展望

综上所述，慢性丙型肝炎、乙型肝炎及酒精性肝病患者均存在不同程度的铁代谢紊乱，而铁调素调控与这些肝脏疾病密切相关，且慢性丙型肝炎与乙型肝炎之间、慢性丙型肝炎与酒精性肝病之间对铁调素表达的抑制机制有一定关联和相似性。总之，阐明铁调素表达和相关信号通路之间的关系将促进病毒性肝炎和酒精性肝病的控制和治疗。

参考文献

[ 1 ]Brissot P, Loreal O. Iron metabolism and related genetic diseases: a cleared land, keeping mysteries. J Hepatol, 2016，64：505-515.

[ 2 ]Gardi C, Arezzini B, Fortino V, et al. Effect of free iron on collagen synthesis, cell proliferation and MMP-2 expression in rat hepatic stellate cells. Biochem Pharmacol, 2002, 64: 1139-1145.

[ 3 ]Krause A, Neitz S, Magert HJ, et al. LEAP-1, a novel highly disulfide-bonded human peptide, exhibits antimicrobial activity. FEBS Lett, 2000, 480:147-150.

[ 4 ]Park CH, Valore EV, Waring AJ, et al. Hepcidin, a urinary antimicrobial peptide synthesized in the liver. J Biol Chem, 2001, 276: 7806-7810.

[ 5 ]Hunter HN, Fulton DB, Ganz T, et al. The solution structure of human hepcidin, a peptide hormone with antimicrobial activity that is involved in iron uptake and hereditary hemochromatosis. J Biol Chem, 2002,277:37597-37603.

[ 6 ]Michels K, Nemeth E, Ganz T, et al. Hepcidin and Host Defense against Infectious Diseases. PLoS Pathog, 2015, 11: e1004998.

[ 7 ]Fujita N, Sugimoto R, Takeo M, et al. Hepcidin expression in the liver: relatively low level in patients with chronic hepatitis C. Mol Med, 2007, 13: 97-104.

[ 8 ]Graham RM, Reutens GM, Herbison CE, et al. Transferrin receptor 2 mediates uptake of transferrin-bound and non-transferrin-bound iron. J Hepatol, 2008, 48: 327-334.

[ 9 ]Giannetti AM, Snow PM, Zak O, et al. Mechanism for multiple ligand recognition by the human transferrin receptor. PLoS Biol, 2003, 1: E51.

[10]Fillebeen C, Pantopoulos K. Hepatitis C virus infection causes iron deficiency in Huh7.5.1 cells. PLoS One, 2013, 8: e83307.

[11]Nemeth E, Tuttle MS, Powelson J, et al. Hepcidin regulates cellular iron efflux by binding to ferroportin and inducing its internalization. Science, 2004, 306: 2090-2093.

[12]Lim JE, Jin O, Bennett C, et al. A mutation in Sec15l1 causes anemia in hemoglobin deficit (hbd) mice. Nat Genet, 2005, 37: 1270-1273.

[13]Ashby DR, Gale DP, Busbridge M, et al. Plasma hepcidin levels are elevated but responsive to erythropoietin therapy in renal disease. Kidney Int, 2009, 75: 976-981.

[14]Babitt JL, Huang FW, Wrighting DM, et al. Bone morphogenetic protein signaling by hemojuvelin regulates hepcidin expression. Nat Genet, 2006, 38: 531-539.

[15]Pietrangelo A, Dierssen U, Valli L, et al. STAT3 is required for IL-6-gp130-dependent activation of hepcidin in vivo. Gastroenterology, 2007, 132: 294-300.

[16]Wrighting DM, Andrews NC. Interleukin-6 induces hepcidin expression through STAT3. Blood, 2006, 108: 3204-3209.

[17]Brechard S, Tschirhart EJ. Regulation of superoxide production in neutrophils: role of calcium influx. J Leukoc Biol, 2008, 84: 1223-1237.

[18]Shin D-Y, Chung J, Joe Y, et al. Pretreatment with CO-releasing molecules suppresses hepcidin expression during inflammation and endoplasmic reticulum stress through inhibition of the STAT3 and CREBH pathways. Blood, 2012, 119: 2523-2532.

[19]Evstatiev R, Gasche C. Iron sensing and signalling. Gut, 2012, 61: 933-952.

[20]Fiel MI, Schiano TD, Guido M, et al. Increased hepatic iron deposition resulting from treatment of chronic hepatitis C with ribavirin. Am J Clin Pathol, 2000, 113: 35-39.

[21]Miura K, Taura K, Kodama Y, et al. Hepatitis C virus-induced oxidative stress suppresses hepcidin expression through increased histone deacetylase activity. Hepatology, 2008, 48: 1420-1429.

[22]Foka P, Dimitriadis A, Kyratzopoulou E, et al. A complex signaling network involving protein kinase CK2 is required for hepatitis C virus core protein-mediated modulation of the iron-regulatory hepcidin gene expression. Cell Mol Life Sci, 2014, 71: 4243-4258.

[23]Ma L, Zou T, Yuan Y, et al. Duodenal ferroportin is up-regulated in patients with chronic hepatitis C. PLoS One, 2014, 9: e110658.

[24]秦源, 郭永红, 张颖, 等. 慢性丙型肝炎铁代谢的失调机制. 临床肝胆病杂志, 2015, 31: 291-294.

[25]潘卫华, 黎映芹, 朱平安, 等. 乙型肝炎病毒携带者铁代谢与血清铁调素相关性研究. 海南医学院学报, 2014, 10: 20-23.

[26]Yonal O, Akyuz F, Demir K, et al. Decreased prohepcidin levels in patients with HBV-related liver disease: relation with ferritin levels. Dig Dis Sci, 2010, 55: 3548-3551.

[27]Jaroszewicz J, Rogalska M, Flisiak R. Serum prohepcidin reflects the degree of liver function impairment in liver cirrhosis. Biomarkers, 2008, 13: 478-485.

[28]Olmez OF, Gurel S, Yilmaz Y. Plasma prohepcidin levels in patients with chronic viral hepatitis: relationship with liver fibrosis. Eur J Gastroenterol Hepatol, 2010, 22: 461-465.

[29]余琳娜, 吕佳珺, 朱云珍, 等. 慢性乙型, 丙型肝炎患者肝脏铁调素表达的下调. 世界华人消化杂志, 2015, 23: 3366-3373.

[30]Wang XH, Cheng PP, Jiang F, et al. The effect of hepatitis B virus infection on hepcidin expression in hepatitis B patients. Ann Clin Lab Sci, 2013, 43: 126-134.

[31]Armitage AE, Stacey AR, Giannoulatou E, et al. Distinct patterns of hepcidin and iron regulation during HIV-1, HBV, and HCV infections. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111: 12187-12192.

[32]罗光成, 易婷婷, 闫惠平, 等. 慢性乙型肝炎患者不同疾病阶段的血清细胞因子水平研究. 免疫学杂志, 2012, 28: 1065-1068.

[33]朱涛, 陶志华, 陈晓东, 等. 乙型肝炎患者外周血中IL-6和sIL-2R含量变化及其意义. 肝胆胰外科杂志, 2006, 18: 228-229.

[34]Lustbader ED, Hann HW, Blumberg BS. Serum ferritin as a predictor of host response to hepatitis B virus infection. Science, 1983, 220: 423-425.

[35]肖楠, 庄辉. 酒精性肝病分子发病机制的研究进展. 肝脏, 2010， 4：299-302.

[36]Ohtake T, Saito H, Hosoki Y, et al. Hepcidin is down-regulated in alcohol loading. Alcohol Clin Exp Res, 2007, 31: S2-8.

[37]Harrison-Findik DD, Klein E, Evans J, et al. Regulation of liver hepcidin expression by alcohol in vivo does not involve Kupffer cell activation or TNF-alpha signaling. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2009, 296: G112-118.

[38]Harrison-Findik DD, Schafer D, Klein E, et al. Alcohol metabolism-mediated oxidative stress down-regulates hepcidin transcription and leads to increased duodenal iron transporter expression. J Biol Chem, 2006, 281: 22974-22982.

(本文编辑：张苗)

基金项目：国家自然科学基金(81273218)

(收稿日期：2015-12-25)