线粒体铁蛋白在神经系统疾病的研究进展

邵 哲，郭大闯，孙 榕，王 帜，胡佳豪，彭 浩，冯基高

（1.海南医学院附属海南医院海南省人民医院， 海南 海口 570311；2.海南医学院第二附属医院， 海南 海口 570216）

线粒体铁蛋白（mitochondrial ferritin， FtMt）是Levi 等于2001 年发现的，是由位于染色体5q23.1上一种无内含子基因编码的铁蛋白，具有铁氧化酶活性［1］。此外FtMt 还具有储铁、调节胞质铁平衡等的功能［2，3］。既往的研究表明在睾丸、心脏、脊髓、肾脏、胰岛Langherans 细胞和平滑肌组织中都存在Ft-Mt，所有这些表达FtMt 的细胞都具有较高的代谢活性［4］。然而在中枢神经系统中，FtMt 表达于整个大脑，表达水平随区域而变化，并且区域分布与铁在大脑不同区域的分布并不一致［5］。目前，越来越多的证据表明，FtMt 参与多种神经系统疾病的发生、发展，本文主要对FtMt 在神经疾病中的研究进展进行综述。

1 FtMt 与神经退行性疾病

1.1 FtMt 与阿尔茨海默病

阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease， AD）是一种多发于老年人的神经退行性疾病，表现为逐渐的记忆下降和执行功能障碍，其发病率在不断上升，影响了我国大约1 000 万人［6］。其发病假说主要包括β-淀粉样蛋白级联假说、Tau 蛋白过度磷酸化假说以及胆碱能假说等，此外还与氧化应激、神经炎症、细胞凋亡、线粒体及突触功能障碍等反应有关［7］。

研究发现AD 患者大脑皮层的FtMt 表达水平在mRNA 和蛋白质水平上均显著升高，并可能通过阻止细胞氧化应激从而发挥神经保护作用［8］。FtMt可通过Erk/P38 激酶信号减弱Ab25-35 诱导的神经毒性和氧化损伤［9］。促炎细胞因子会增加FtMt 表达，FtMt 过表达 增加了NF-κB 活性，促进p65 易位到HEK293 细胞的细胞核中，并减少了铁介导的淀粉样蛋白前体的表达，减少了NF-κB 依赖性分泌酶的产生，从而导致淀粉样蛋白前体的产生减少［10］。在神经元应激的情况下，例如β-淀粉样蛋白25-35积累，FtMt 通过调节细胞铁含量和分布来提供神经保护，从而控制氧化应激，防止细胞凋亡的激活。β-淀粉样蛋白25-35 能改变细胞内铁的水平和分布，从而增加氧化应激。这些表明神经元细胞可通过P38 MAPK 通路开启程序性死亡，导致神经元细胞死亡，这一过程在FtMt 基因敲除小鼠中加剧，可导致记忆障碍恶化。总的来说，FtMt 可通过减少氧化应激及调节神经细胞铁含量，对AD 发挥保护作用。

1.2 FtMt 与帕金森病

帕金森病（parkinson's disease， PD）是第二大常见的神经退行性病，好发于50 岁以上的中老年人，主要表现为运动障碍。发病机制与线粒体功能障碍、氧化应激、毒性蛋白质聚集等引起黑质、纹状体等部位的多巴胺能神经元变性死亡有关［11］。

Tsubaki 等［12］研究发现， FtMt 免疫反应主要发生在正常对照组和PD 患者黑质致密部的多巴胺能神经元。PD 患者多巴胺能神经元外可见FtMt 阳性颗粒。定量结果显示，PD 患者多巴胺能神经元的FtMt 免疫反应性明显高于健康对照组。Shi 等［13］研究表明，FtMt 的过度表达导致神经元细胞中的胞质铁缺乏，并显著阻止了6-OHDA 诱导的铁再分布的改变。重要的是，FtMt 能强烈抑制线粒体损伤，减少活性氧和脂质过氧化的产生，并通过调节Bcl-2、Bax 和caspase-3 通路挽救细胞凋亡，因此调节神经元细胞中的FtMt 表达可为PD 提供一种新的神经保护策略。HO-1 反应具有双刃剑效应，过表达的HO-1 对星形胶质细胞中的神经毒素损伤具有细胞保护作用；然而，如FtMt 水平不足，这种HO-1 过度表达可能对神经元有害。因此星形胶质细胞对HO-1 的适当干预和FtMt 的适当调节可能为PD 治疗提供新型神经保护策略。

1.3 FtMt 与弗里德赖希共济失调

弗里德赖希共济失调是由于线粒体基质蛋白frataxin 缺乏而引起的细胞损伤，是一种进行性共济失调的遗传性神经退行性疾病，临床症状表现为外周和中枢神经系统的退行性病变，并伴有肥大型心脏病和糖尿病［14］。

Campanella 等［15］研究发现，FtMt 可降低细胞内活性氧（ROS）水平，提高细胞内ATP 水平和线粒体Fe-S 酶活性，对细胞存活率有积极影响。此外，FtMt 表达减少了胞质和线粒体不稳定铁池的数量。此外，FtMt 在弗里德赖希共济失调患者成纤维细胞中的表达阻止了ROS 的形成，并部分挽救了由frataxin 缺乏引起的线粒体Fe-S 酶活性受损。这表明，FtMt 能通过调节线粒体铁利用率来控制ROS的形成，提示FtMt 在以铁稳态和呼吸缺陷为特征的细胞中具有保护作用。

1.4 FtMt 与进行性核上性麻痹

进行性核上性麻痹（progressivesupranuclearpalsy， PSP）是一种少见的神经退行性疾病，主要以帕金森综合征、下视麻痹、假性球麻痹、认知障碍和对左旋多巴反应差为临床特征［16］。

Abu 等［17，18］研究表明，与PSP 相比，在对照病例的黑质致密部（SNc）和腹侧被盖区（VTA）中含神经黑色素的神经元中检测到较弱的FtMt 免疫反应，PSP 表现出显著增强的FtMt 免疫反应性。人FtMt的单克隆抗体（C65-2）与免疫FtMt 肽的预孵育显著减少了染色，表明C65-2 具有特异性。与对照病例相比，在PSP 的神经元外观察到几个斑点。FtMt和酪氨酸羟化酶（TH）、神经胶质原纤维酸性蛋白和Iba1 的双重免疫荧光组织化学显示在PSP 的多巴胺能神经元、小胶质细胞和星形胶质细胞中可定位到FtMt。此外，在一些TH 阴性神经元中检测到FtMt 免疫反应性。在SNc 和VTA 中，FtMt 免疫反应性与磷酸化tau 免疫反应性共定位。这些结果表明FtMt 参与了PSP 病理过程。在SNc，PSP 患者神经元出现较强的FtMt-IR 和LC 3-IR。在其他中脑区域，如上级丘，FtMt-IR 和LC 3-IR 保持不变。在SNc 中，基于亚细胞LC 3/FtMt 免疫荧光强度，共定位程度和亚细胞重叠，将黑质神经元分为4 种模式。这一分类表明LC 3/FtMt 的伴随蓄积与有丝分裂吞噬过程有关。使用LC3-IR 对神经元损伤进行分期，并追溯LC3/FtMt 模式，可揭示FtMt 在黑质神经元中积累的进展。

2 FtMt 与缺血性脑卒中

缺血性脑卒中是卒中最常见的疾病类型，占脑卒中的80%左右，会引发严重的脑功能障碍。治疗缺血性脑卒中最有效的方法是快速恢复脑血流，然而在血流恢复过程中可引起一系列继发性损害，主要病理、生理过程包括氧化应激、兴奋性氨基酸毒性、免疫炎症以及细胞凋亡等，这一过程被称为“脑缺血-再灌注损伤”（I/R）。

Wu 等［19］研究表明，缺氧诱导因子1（HIF-1）可上调FtMt 表达，FtMt 可以通过隔离铁来缓解低氧诱导的脑细胞死亡，这些铁的水平随着这些细胞的缺氧程度增加而增加。在不存在FtMt 的情况下，这种催化金属会过量催化ROS 的产生。因此，在缺氧期间增加FtMt 表达可以避免源于氧限制的组织损伤。Wang 等［20-22］研究发现，FtMt 在小鼠缺血性脑中增加。缺少FtMt 的小鼠会导致更严重的脑损伤和神经系统缺陷，并伴有铁死亡的典型分子特征，包括大脑I/R 后脂质过氧化物和谷胱甘肽（GSH）增加。相反，FtMt 过度表达可逆转这些变化。并且FtMt 消融可促进I/R 诱导的炎症和肝素介导的铁蛋白减少，从而显著增加总铁和可螯合铁。铁升高，因此促进了I/R 大脑的细胞铁死亡。这些表明FtMt 在保护脑I/R 诱导的铁死亡和随后的脑损伤方面发挥保护作用。其次在脑微血管内皮细胞（BMVEC）中的FtMt 表达在I/R 后上调，并且FtMt的过表达减弱了I/R 诱导的血脑屏障（BBB）破坏，FtMt 通过抑制I/R 处理的BMVEC 中的铁失调和ROS 积累来防止组织紧密连接丢失和细胞凋亡。用去铁胺螯合过量铁可减轻氧葡萄糖剥夺后复氧（OGD/R）损伤下脑内皮细胞系bEnd.3 的细胞凋亡，这表明BMVEC 中铁介导的氧化应激是BMVEC 损伤和缺血性中风中BBB 分解的早期原因。最后FtMt 缺陷可通过经典线粒体依赖途径和内质网应激途径加重I/R 脑神经元凋亡。相反，FtMt 过表达显著抑制OGD/R 诱导的细胞凋亡和内质网应激反应的激活。同时，FtMt 过表达可减轻OGD/R诱导的线粒体铁超载、线粒体功能障碍、ROS 的产生和神经元GSH 含量的增加。在OGD/R 损伤后，FtMt 过表达细胞的葡萄糖消耗增加； FtMt 过表达促进了OGD/R 后细胞中葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的活化和NADPH 的产生，表明在FtMt 过表达的细胞中戊糖-磷酸途径增强，从而增强了神经元细胞的抗氧化能力。总之，FtMt 可以通过调节细胞铁含量以及防止ROS 过度产生，并维持能量代谢，从而保护缺血性脑卒中I/R 和BBB 破坏诱导的细胞凋亡以及铁死亡。

3 FtMt 与脑胶质瘤

胶质瘤是最常见的恶性脑肿瘤，占恶性脑肿瘤的70%以上，是近几十年来全球范围内导致颅内肿瘤相关死亡的主要原因之一，肿瘤发生和血管生成是胶质瘤发生发展的两个关键环节［23］。

Mi 等［24］研究发现，FtMt 在胶质瘤组织和细胞中均有较强表达。功能丧失和获得实验的应用表明FtMt 增强了胶质瘤的肿瘤发生和血管生成。机制上，FtMt 与小核仁RNA 宿主基因1（small nucleolar RNA host gene 1，SNHG1）呈正相关，与miR-9-5p 呈负相关，SNHG1 和FtMt 均能竞争性结合miR-9-5p。此外，在体内实验中观察到sh-FtMt 对胶质瘤的抑制作用。所以FtMt 可能通过SNHG1 介导miR-9-5p 的表达促进胶质瘤的发生和血管生成。此 外Shi 等［25］研 究 表 明，FtMt 显 著 抑 制SH-SY5Y细胞的增殖和裸鼠体内肿瘤的生长。研究还发现FtMt 在人正常脑组织中的表达显著高于神经母细胞瘤，但不高于神经海绵状细胞瘤。而转铁蛋白受体1 的表达则完全相反。因此FtMt 表达增加可能对神经元肿瘤细胞的活力产生负面影响。FtMt 过表达扰乱了肿瘤细胞的铁稳态，并显著下调了增殖细胞核抗原的表达。此外，FtMt 还通过改变cyclinD1、cyclinE、Cdk2、Cdk4 和p21 的表达，影响细胞周期，导致G1/S 期阻滞。值得注意的是，FtMt 强烈上调肿瘤抑制因子p53 和N-myc 下游调节基因-1（NDRG1）的表达，但显著降低C-myc、N-myc 和p-Rb 水平。因此，FtMt 可能是抑制神经元肿瘤细胞增殖的新候选靶点，适当调节FtMt 的表达可抑制肿瘤细胞的生长。

4 FtMt 与创伤性脑损伤

创伤性脑损伤（traumatic brain injury， TBI）通常由交通事故、运动损伤、暴力伤害和职业事故引起，导致血管、神经元和轴突破坏以及思维、学习、语言和行为障碍［26］。许多既往研究都表明氧化应激在TBI 继发性损伤中发挥着重要作用。

Wang 等［27］研 究 发 现，TBI 后3～14 d，FtMt 表达逐渐降低，而氧化应激水平逐渐升高，表现为GSH 和SOD 水 平 降 低，MDA 和NO 水 平 升 高，并且脑中Ftmt 表达降低的程度与氧化应激呈线性相关。敲除FtMt 显著加重了TBI 诱导的氧化应激、脑出血、脑梗死、水肿、神经系统严重程度评分、记忆障碍和神经功能缺损。然而，在FtMt 敲除小鼠中，所有这些效应均通过使用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸对氧化应激的药理学抑制而显著减轻。这表明TBI 后FtMt 和氧化应激之间的重要相关性。Ft-Mt 缺乏至少部分通过增加氧化应激水平加重TBI诱导的脑损伤和神经功能缺损。

5 FtMt 与不安腿综合征

不安腿综合征（restless legs syndrome， RLS）是一种常见的神经系统疾病，主要表现为难以言述的不适感及活动的欲望，常伴有感觉的异常，症状在休息或夜间时发生或加重，运动后减轻［28］。

RLS 患者的磁共振成像和经颅超声表明黑质中的铁含量减少，表明在RLS 中，细胞铁稳态发生了变化，神经元缺铁的一个可能原因是FtMt 的高表达。特别是与健康对照相比，RLS 样本的黑质中FtMt 水平显着增加，其中FtMt 主要存在于含有神经 黑 色 素 的 神 经 元 中［29，30］。FtMt 的 增 加 以 及 线 粒体数量的增加解释了RLS 患者细胞中胞质铁的减少。作为该过程的结果，细胞经历缺铁并且细胞溶质铁蛋白的表达降低。胞质溶胶中的铁缺乏，从铁通过FtMt 迁移到线粒体，减少了铁依赖性蛋白质的产生和成熟。事实上，RLS 细胞表达较低水平的调节蛋白IRP1 和其他ISC 蛋白。铁也从胞质溶胶中去除以维持大量线粒体，表明RLS 中神经细胞的高代谢活性。在这种病理学中线粒体发生的激活导致铁的代谢改变，并且无法控制其日常生理变化。尽管FtMt 在这种病理学中的作用尚不完全清楚，但它的增加似乎有利于铁稳态的不稳定。与弗里德赖希共济失调不同，在 RLS 中大量的FtMt 似乎对细胞有害［31］。

6 总结与展望

随着对FtMt 功能和作用的深入研究，我们对FtMt 在病理状态下有了更深入的了解。目前，Ft-Mt 调控神经系统疾病的研究主要集中在调控细胞氧化应激、胞质铁的平衡。FtMt 可通过影响线粒体铁含量、线粒体功能、ROS 的产生和神经元GSH 含量，进而调控神经系统有关疾病进展。值得注意的是，最近新发现的一种细胞铁依赖性的非细胞凋亡性的细胞死亡形式--铁死亡与FtMt 的研究尚不深入，有待进一步探讨。其次FtMt 可通过调节肿瘤相关抑制因子的表达，进而调节细胞凋亡和细胞周期，因此FtMt 可作为抑制神经系统肿瘤细胞增殖的新候选靶点，适当调节FtMt 的表达可抑制肿瘤细胞的生长。然而，目前并无太多FtMt 和有关肿瘤研究的报道，因此，往后的研究若能分析FtMt 与肿瘤细胞之间的关系并探索出更多FtMt 作用于神经系统肿瘤的有效靶点，将为神经肿瘤的机制研究提供更有力的证据。相信随着基础与临床研究的不断进步，FtMt 一定会更好地应用到临床疾病特别是神经系统疾病的防治中。

作者贡献度说明：

邵哲：论文选题，撰写与修改；郭大闯、孙榕、王帜、胡佳豪：论文审阅与修改；彭浩、冯基高：指导老师。

所有作者声明不存在利益冲突关系。