铁蛋白结构、功能及表达调控
铁是动物营养中最重要的微量元素之一。铁与动物的造血、携氧、产能等过程密切相关，同时，在免疫功能和防御感染方面也发挥很大作用。体内90％以上的铁与蛋白质结合在一起，含铁蛋白质在体内具有许多重要的生物学功能。铁蛋白和血铁黄素是主要贮铁库。动物长时间大量摄人铁，可产生慢性中毒，表现为消化功能紊乱、生长受阻、磷的利用率降低。而铁蛋白在体内的一个重要功能就是储存过剩的铁，防止铁中毒。铁蛋白fFerritin)~普遍存在于生物体内的一种保守性较高的多功能多亚基蛋白。它不仅调节体内铁的含量。而且在抵抗氧化损害、调节细胞增殖等方面发挥了重要作用，且和机体的免疫反应有一定的相关性。1铁蛋白的结构、分布及特性1．1铁蛋白的结构铁蛋白的分子结构是由一层蛋白壳围绕着铁和磷酸盐分子组成的铁核，外径1213nm，分子量500kDafHarrison等，1991)。从不同来源(如人、马、牛蛙和细菌等)的铁蛋白结构特征来看，所有的铁蛋白虽然在一级结构上变化很大(氨基酸序列相似性有时才达到14％)，但本质上都有相同的体系结构(Harrison等，1996)。蛋白壳均为由24个亚基以高度对称性方式组成的内空心结构，空心直径约为8nm，其中的氢氧化铁核中可积累多达4000个铁原子且不影响蛋白表面和与其它分子的相互作用：蛋白亚基中包括亚铁氧化的接触反应位点和与溶剂进行交换的亲水小孑L(Paolo等，2002)。在脊椎动物中，这24个亚基由H亚基(氧化酶活性位点)和L亚基(氧化酶非活性位点)两种类型组成，它们有不同的基因编码(Harrison等，1996)。H亚基含有一个氧化Fe的氧化中心，L亚基负责铁蛋白“空腔”的形成(Levis等，1992；Levis等，1994)，它们在贮存铁和调节铁分布中起重要作用(Kato等，2002)。这24个亚基以4，3，2一对称结构，通过非共价作用结合在一起。在哺乳动物中，铁蛋白以不同的分子形式存在，称为异铁蛋白(isoferritin)，不同的异铁蛋白由H和L亚基按不同的比例组成，两个亚基总数为24(H~Lo、H丝L2、H。L)，这个比例在不同的组织和不同的细胞阶段是不同的，随胚胎的发育而变化(Harrison等，1996)．满足了各种细胞的对铁的不同的需求。铁蛋白对金属的亲和力部分依赖于蛋白壳中这两个亚基的组成比例(Arosio等，2002)。但在牛~(Sanacatespiana)(Dickey等，1987)、鲑鱼fSalmosalar)(Anderson等，1995)、七鳃鳗(Lampetrafluvi—atills)(Andersen等，19981、南极硬骨鱼伯氏肩孔南极鱼Trematomusbernacchii1和纽氏肩孔南极鱼(Tremato．inusnewnesi)(Alessandra等．20081中发现了铁蛋白的第三种亚基——M一亚基。它与H、L亚基序列和组织分布上有很大不同。牛蛙中重组M一铁蛋白比重组H一铁蛋白有更高的亚铁氧化酶活性(Pereira等，1998)。在伯氏肩孔南极鱼(Trematomusbernacchii)和纽氏肩孔南极~(Trematomusnewnesi1中只发现了H和M亚基，且亚基的组成具有组织特异性，脾脏中为M一均聚物，肝脏中为H／M杂聚物(Alessandra等，20o8)。昆虫分泌铁蛋白的24个亚基共有4种．分子量分别为24、26、28、30kDa(Dunkov等，19951。24和26kDa亚基有相同的基因编码并且具有亚铁氧化酶活性fChasteen等。1999；Pham，2000)；28kDa亚基没有这个活性位点且有不同的基因编码fGeiser等。2003)；30kDa亚基的序列还不清楚。唯一的例外就是在大肠杆菌中，铁蛋白是一个结合了DNA的12肽链铁蛋白同源物(Stefanini等，1997)。1．2铁蛋白的分布由于蛋白质壳具有亲水性，故铁蛋白可溶于水并可溶于胞浆或血浆中，在细胞内、外液中均较稳定。铁蛋白主要是存在于细胞质中．但是在脊椎动物的线粒体和细胞核也有发现，并且在昆虫中是一种分泌蛋白。铁蛋白是体内铁的主要储存形式．其在脾脏、肝脏、骨髓中含量最高，在其它组织血清、血细胞等中也有发现。血清铁蛋白是一个重要的反应机体铁储存的临床指标(Anastasios等，2008)。在临床医学中，铁蛋白主要是作为一个血清指标来评价整体铁储存状况。当铁缺乏和过量时，血清铁蛋白是在诊断和治疗中都起到重要作用。在双壳类动物——合浦珠母贝(Pinctadafucata)的外套膜、消化道、鳃、肌肉中铁蛋白mRNA都有表达，其中，在外套膜、消化腺和肌肉中的铁蛋白mRNA含量比较高．说明这些器官参与铁的储存。鳃是吸收水中溶解金属的关键器官，但铁蛋白mRNA在该组织的含量比较低。这可能就说明了鳃不是储存铁的器官(Zhang等，2003)。1．3铁蛋白的特性铁蛋白具有耐稀酸fpH值2．O)、耐稀碱(pH值12．0)、耐较高温度(70～75℃水温下不变性)等特殊性质。在很多研究中，就是利用铁蛋白的这些特性，从动物组织中提纯出该蛋白。2铁蛋白的功能和作用原理2．1铁离子解毒和储存在体内铁蛋白可储存机体中的过剩铁，避免产生铁中毒；另一方面，可以释放铁给需铁的细胞，用于体内合成含铁的蛋白质。铁蛋白是非红单细胞中主要的铁绑定蛋白。铁蛋白合成的增加引起了铁储存的增加，抑制了细胞对铁的释放。在胃肠粘膜中，铁蛋白在调节铁进入体内中发挥重要作用，它通过储存不需要的铁，然后当细胞脱落时将其排出体外(Skikne等，1995)。铁蛋白在大多细胞中只是部分饱和，每分子少于1500个铁原子。当铁进入细胞后其中有一部分不是马上被细胞利用，而是被储存在铁蛋白中，铁蛋白把铁由溶解状态转化成固定相。被存储的铁作为一个备用铁库，当外源的可利用的铁不足时再被细胞利用fAndrews，1998)。铁储存到铁蛋白中分为4个步骤：Fe2+的进入及氧化、Fe的迁移、铁核形成以及铁核的增大，每个阶段在时间和空间上都是独立的。铁的进入是发生在铁蛋白与细胞质接触面上的一个迅速的过程(Takagi等，1998)。铁的氧化发生在蛋白壳中，将Fe2螂定在位于亚基螺旋折叠内部的一个特殊位点——亚铁氧化酶中心，Fe和分子氧反应生成了Fe(OH)。由于Fe(OH)高度不溶，Fe和O的反应可以不断进行，其速率是根据铁的浓度变化的(Pereira，1998)。Fe移向空腔表面，继而成核、矿化，最后形成铁核(Bou—Abdallah等，2002)。在脊椎动物中，形成亚铁氧化酶位点的7个残基在所有的铁蛋白中均很保守。L一亚基没有亚铁氧化中心，但是在空腔的内表面有酸性基团。促进了铁的水解和矿化。铁蛋白中L一亚基即使很少，也可以加快铁由亚铁氧化中心到铁核的转移。加快了整个螯合过程fSantambrogio等，1993)。在哺乳动物的心脏和脑中富含H一亚基．从而有很高的亚铁氧化活性，所以活跃地氧化和螯合铁，有更显著的抗氧化活性；在肝脏和脾中，富含L一亚基，可能在空腔中螯合了大量的铁，有更显著的铁储存功能(Harrison等，1996)。然而。在不同的铁蛋白中铁氧化的机制存在一些不同。例如。大肠杆菌中的铁蛋白氧化铁较慢且在该反应中生成水(Yang等，2001)，而哺乳动物的铁蛋白H链氧化铁的反应较快且生成了过氧化氢(Zhao等，2001)，生成的H：0被亚铁氧化中心用作氧化剂(Zhao等，2003)。事实上，一些铁蛋白，如在细菌中的铁蛋白比起0会优先利用H20(Su等，2005；Bou—Ab—dallah等，2002)。所有的铁蛋白都可以利用0和H20，除了人的线粒体铁蛋白。2．2抗氧化功能所有的铁蛋白都可以在有氧条件下与溶液中的二价铁离子反应，铁离子螯合在内部的空心结构中，抑制铁氧化反应，从而保护细胞不受铁过量引起的氧化损害：而且亚铁氧化中心能利用芬顿反应的反应物阻止自由基的产生。所以认为铁蛋白具有抗氧化功能。在生物体内，铁参加很多生理生化进程，如氧的运输、电子传递和DNA复制等。然而，细胞中铁含量过高会导致蛋白、脂肪和DNA的氧化损害，从而造成细胞损伤和死亡fReif，1992；Linn，1998)。铁的毒性在体内主要表现为促进了活性氧自由基(reactiveoxygenspecies，ROS)的生成fHalliwell等，1992)，除去亚铁离子的酶系统可以减少铁的毒性。铁蛋白的H链(Cozzi等，1990)具有铁氧化酶活性，可螯合溶液中的二价铁以减少由芬顿反应(Fe++H20一Fe++OH一+HO·)引起的脂肪过氧化。铁过量时导致了肝脏损害，主要是因为铁过量增加了细胞膜脂肪的过氧化Bacon等．1990)，而由此引起的保护效应，即是细胞增加了铁蛋白的合成(Aust，1995)，并以无毒的形式来沉积大量的铁。铁蛋白H一亚基与L一亚基相比．在吸收和释放铁方面，其作用更积极。并且在阻止由过量铁引起的氧化损害时起到重要的作用(Drysdale，1988)。线粒体中的铁蛋白，可以保护线粒体免受氧化损伤：在一些细胞中H一亚基可以转移到细胞核中以阻止过量的铁损害DNA。在细胞培养中观察到铁蛋白可以抑制氧化损伤。许多与氧化应激有关的因素直接或者间接地通过调整IRP的活性来调节铁蛋白基因的表达，这表明铁蛋白在阻止氧化损伤过程中发挥作用。在用氯化血红素(卟啉铁)预处理的内皮细胞中，氧化因子的降低和内生铁蛋白的增加成正比关系，防止了细胞的氧化损害和死亡(Balla等，1992)。当对鼠科动物和人的白血病细胞进行各种氧化胁迫时也得到了相似的结果(Lin等，1997)。新合成的铁蛋白减少了用于生成活性氧和造成细胞损伤的铁的数量，在很多肿瘤细胞中也观察到氧化因子的细胞毒性随着细胞内铁蛋白的增加而降低(Cermaek等，1993)。细胞吸收了外源的铁蛋白也具有了保护效应，通过胞饮作用富含去铁铁蛋白的细胞加强了对氧化应激的抵抗．然而用反义寡核苷酸人为下调H一亚基后就减弱了对氧化应激的抵抗(Lin等，1998)。细胞用长波紫外线辐射预处理，上调了血红素氧化酶，也对氧化损害起到了阻止作)T](Vile等，19931，部分原因可能是由于血红素释放的铁最终上调了铁蛋白。用氯化血红素处理内皮细胞。诱导了铁蛋白的合成，从而减少了对H202的细胞毒性反应(Balla等，1992)。Epsztejn等(1999)发现小鼠红白血病细胞克隆群H一亚基的过表达减少了ROS的生成，从而对H2o处理所引起的细胞死亡起保护作用。2.3作为急性时相反应蛋白铁蛋白不仅是主要的铁调节蛋白，而且是也是细胞用来抵抗应激和炎症的一种蛋白(Torti等，2002)。在组织损伤、炎症或感染时，体内许多血浆成分的浓度可以在数小时内出现显著的改变，这种改变总称急性时相反应。急性时相反应时，出现显著变化的血浆成分主要是一些蛋白质，称为急性时相反应蛋白，是一种循环蛋白，它们的浓度变化有重要的临床意义。在狗发生炎症的部位发现巨噬细胞含有高浓度的细胞内铁蛋白(Aguas等，1991)。在棘皮动物福氏海盘车(Asteriasforbesi)中，铁蛋白也是一种急性时相反应蛋白(Gregory等，2002)。福氏海盘车的变形细胞受佛泊脂／脂多糖(PMA／LPS)刺激时铁蛋白及其mRNA都有增加，培养液中铁的浓度降低，说明这种刺激在转录和翻译水平上调节铁蛋白的表达。当文昌鱼(Branchiostomabelcheri)浸泡在浓度为10mlLPS的海水中，其铁蛋白的同源物(与H一亚基有68％的相似性，与L一亚基有46％～51％的相似性1在转录和翻译水平上分别上调了1．6和1．5倍fLi等，2008)。此外，用脂多糖和绿脓杆菌Pseudomonasaerug．激中国鲎(Tachypleustridentatus)后，血清铁蛋白发生了显著变化(Ong等，2005)。表明铁蛋白是机体一种应激蛋白，是一种急性时相反应蛋白。同时，因为铁蛋白在受到脂多糖和病菌刺激时，含量发生了变化，所以铁蛋白和机体的免疫反应有一定的相关性(IJi等，2008)。2．4其它功能最早在1981年，Broxmeyer等提出铁蛋白在粒细胞和巨噬细胞产生过程中起到调节作用(Broxmeyer等，1981)。铁蛋白对骨髓起源细胞有抑制作用(Brox．meyer等，1991；Broxmeyer等，1989)，这种作用是通过绑定特殊的H链受体和铁氧化酶活性的干扰来实现的：如果向起源细胞提供血红素铁或者使H链失去亚铁铁氧化酶活性中心，这种作用就会被逆转。在急性淋巴细胞(Fargion等，1991)和K562细胞(Fargion等，1992)中也发现有相似的抑制作用。H一亚基具有抑制造血系统细胞增生和淋巴细胞增殖的作m(Broxmey—er，1992)。细胞中铁的含量可调节在细胞周期和增殖中有重要作用的分子的表达，如p53、HIF一1仅、N—myc、e—myc等(Nghia等，2002)，而这种作用似乎是由铁蛋白H链刺激巨噬细胞产生细胞因子来调节的。另外一些研究发现，在无血清培养基中，铁蛋白在一定程度上刺激了细胞的增殖，添加铁蛋白使神经母细胞瘤细胞增殖了1．5倍(Blatt等，1992)。将无蛋白培养基中的人红白血病K562细胞和肺癌T3M一30细胞(Kikyo等，1994)转移到含有铁蛋白的培养基中，可刺激各种细胞的增长．包括白血病HL60和黑素瘤SK一28细胞。此外，Zhang等(2003)提出铁蛋白在贝壳的生物矿化过程中起到重要的作用。在软体动物中，铁是参与形成贝壳棱柱层和珍珠质层最重要的微量元素之(Narasimhulu等，2000)，软体动物的外套膜参与金属离子的代谢且在将Ca、Mn、P、Fe结合到贝壳过程中发挥积极作用fWilbur，1972；Pekkafinen等。1997)。在双壳类合浦珠母贝(Pinctadafueata)中相比于其它组织来说，铁会更快的积累到外套膜中．外套膜中铁蛋白mRNA的表达量较鳃和肌肉中要高．从而推断铁蛋白在贝壳的生物矿化中有着重要的作用(Zhang等．2003)。3结语铁是动物机体营养代谢、生长发育及繁衍后代所必需的重要元素。铁蛋白(www.okaybio.com/ferritin/)对生物体是一种非常重要的蛋白，在很多方面都发挥了重要的作用，可以调节体内铁的代谢、抵抗氧化损害、调节细胞增殖等。同时很多因素，如机体对铁的摄食量、其它的金属离子、氧化应激、NO等影响了铁蛋白基因的表达。血清中铁蛋白的含量现在已经作为一种临床检验指标，用来检测人类中一些疾病．且在用去铁疗法治疗一些疾病的过程中．血清铁蛋白是用来监测铁状态的一个很有效的指标(Shiono等，2001；Yano等，2002)。很有可能，血清铁蛋白也会成为养殖动物疾病检测的一个重要指标(Orino等，2008)。现在研究发现，一些细胞吸收了外源的铁蛋白后可增强抗氧化能力，铁蛋白增加了对氧化损害的抵抗能力，随着进一步的探索，铁蛋白也许可作为一种饲料免疫添加剂，来增强机体的抗氧化能力，提高机体的免疫能力。:)很棒
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