铁吸收转运分子研究进展

铁吸收转运分子研究进展1

郭文峰，陈蔚文

广州中医药大学中药学院, （510405）

摘要：铁是生物体重要的微量元素之一，维持机体铁平衡主要依赖于对铁的吸收的调控，而由于十二指肠是铁吸收的主要部位，因此十二指肠中铁吸收的调控对于机体铁平衡的维持具有至关重要的作用。本文对于综合近年国内外的研究，主要讨论了十二指肠内非血红素铁吸收转运过程中起关键作用的十二指肠细胞色素B、二价阳离子转运体、基底侧膜转运体及hephaestin等的研究进展。

关键词：铁 吸收 Dcytb DMT1IREG1Hephaestin

1.引言

铁是众多生物体不可缺少的微量元素之一，在机体氧转运、细胞生物氧化、DNA复制及电子转移等方面都有重要作用。但生物体内过量的铁会形成大量自由基，产生氧化损伤(Aisen, Enns et al. 2001; Conrad and Umbreit 2002; McCord 2004)，因此，需要有严密的调节机制以确保机体铁的吸收、在不同部位（组织、器官）的聚集、还原-氧化状态，以维持机体的铁稳态。正常人体体内铁的储备、吸收、排泄量如图1所示。以体重70kg的男性为例，体内含铁总量约为4.0g，其中大部分（2.5g）以血红蛋白的形式存在于红细胞中，大约1.0g 以铁蛋白及含铁血黄素的形式作为体内储备铁，另有约0.3g结合于肌红蛋白及呼吸酶中。机体每天从含10～20mg铁的饮食中只吸收铁1～2mg以维持体内的铁需求平衡，与每天通过体液分泌、皮肤脱屑以及消化道上皮损耗的铁的量相当。人体大部分的铁用于血红蛋白的合成，由于红细胞的平均寿命约为120天，因此循环血中每天大约有0.8%的红细胞被破坏并有相当量的重新生成(Conrad and Umbreit 2000; Conrad and Umbreit 2002)。

由于铁的损耗方面没有相关的生理调节机制，因此，机体内铁的平衡主要通过肠内铁的吸收来调控，而肠道铁的吸收量与体内铁的需求量紧密相关(Hentze, Muckenthaler et al. 2004)。影响铁吸收的因素主要包括体内铁的储备量、骨髓红细胞生成活性、血液中血红蛋白浓度、血氧含量以及全身性炎症的存在等(Miret, Simpson et al. 2003; Hentze, Muckenthaler et al. 2004)。一般认为，在机体储铁下降、红细胞生成活性增加、贫血或者低氧血症时，铁摄入会显著提高，而机体存在炎症导致炎症性贫血或者机体储铁增加时又将下调铁的摄入。铁的吸收增加导致体内铁过度蓄积是遗传性血色病的特点(Pietrangelo 2004)。

十二指肠是铁吸收的主要部位，整个机体铁稳态的焦点即在十二指肠对铁吸收率的控制。十二指肠对铁的吸收不外乎非血红素铁和血红素铁两种途径，两种途径各不相同且其所占比重随不同饮食习惯而有所变化，在西方国家饮食中的铁超过半数来自血红素，而对全世

1本课题得到广东省自然科学基金（No. 530048）资助.

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Fig.1．An adult 70-kg man has a total body iron of about 4,000 mg. Most of the iron is circulating as hemoglobin within the red blood cell (2,500 g). About 1,000 mg is in body stores and approximately 300 mg is incorporated into myoglobin and respiratory enzymes. The body absorbs only 1–2 mg daily from diet in order to maintain equilibrium with body losses in iron.

界范围而言，大部分从饮食中吸收的铁为非血红素铁[1]。

2.血红素铁的吸收

在肠腔内血红素与球蛋白分离后以完整的铁卟啉结构进入小肠粘膜细胞[2]，目前并不明确血红素铁通过十二指肠粘膜刷状缘吸收进入肠粘膜细胞的确切机制，有学者认为血红素可能通过被动扩散进入粘膜细胞，但是研究发现缺铁大鼠小肠刷状缘血红素的结合度与血红素的吸收均增加，提示这是一个主动调节过程(Roberts, Henderson et al. 1993)，也有学者提出肠粘膜细胞膜血红素转运体的概念。在肠粘膜上皮细胞内血红素在加氧酶（heme oxygenase-1，HO-1）作用下，释放出游离铁(Uzel and Conrad 1998)。

3.非血红素铁的吸收

非血红素铁的吸收过程不同于血红素铁，主要包括如下步骤：还原→绒毛端吸收→胞内贮存或细胞间的运输→通过基底侧释放入血。现有研究对该过程的各个步骤中起着重要调节作用的相关分子物质都有相关的阐释[3]。在十二指肠细胞色素B（DcytB）的作用下Fe3+在肠腔内绒毛上皮细胞刷状缘还原为Fe2+，Fe2+再由二价金属离子转运蛋白（DMT1）转运进入肠上皮细胞内。进入肠上皮细胞的铁成为细胞内铁贮池的一部分，其中一部分与铁蛋白相互交换，保持动态平衡，贮藏于细胞内，另有一部分通过基底侧膜转运进入血液循环。粘膜上皮细胞基底侧膜铁的转出过程中，虽然基底侧膜铁转运蛋白（IREG1）获取Fe的机理并

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未明确，但是已经确定IREG1发挥重要的介导作用，血浆铜蓝蛋白的同系物hephaestin （HPN ）能促进该转运过程。对于被从肠上皮细胞转出，有观点认为是hephaestin 蛋白具有亚铁氧化酶活性，能将细胞释放的二价铁转变为三价铁并进入血浆转铁蛋白分子内，也有不同观点，认为二价铁离子到达肠上皮细胞基底侧膜外侧后，被血浆中的亚铁氧化酶血浆铜蓝蛋白（ceruloplasmin, Cp ）氧化转变为三价铁离子，再与血浆中转铁蛋白分子相结合(Conrad and Umbreit 2002; Hallberg and Hulthen 2002; Chung and Wessling-Resnick 2003; Ponka 2003)。

在非血红素铁的吸收转运过程中发挥关键作用的物质主要包括十二指肠细胞色素B 、二价金属离子转运蛋白、基底侧膜铁转运蛋白以及Hephaestin 等。

3.1十二指肠细胞色素B （Duodenal Cytochrome B ，DcytB ）

饮食中的铁主要以三价铁的形式存在，因此由DMT1吸收前需要被还原为二价铁。DcytB 被认为具有三价铁还原酶活性，在非血红素铁的吸收过程中催化Fe 3+还原为Fe 2+，是非血红素铁吸收途径中重要的环节之一。DcytB 主要分布于十二指肠粘膜上皮细胞的顶膜，尽管在大肠中与铁吸收的相关蛋白和基因也有相当显著的表达，但是DcytB 在大肠的表达水平极低[4,5]。研究表明，铁能调节DcytB 的表达和功能，DcytB 主要分布与细胞系和CD1小鼠十二指肠粘膜细胞的顶端，缺铁状态能使之上调。DcytB 还原三价铁时可利用细胞间质的抗坏血酸作为电子供体(McKie, Barrow et al. 2001; Latunde-Dada, Van der Westhuizen et al. 2002)。缺铁和遗传性血色素沉着病患者的铁转运体DMT1、IREG1均有表达增加，缺铁患者Dcytb 表达水平与其它铁转运蛋白同时上调，HFE 和非HFE 关联的血色素沉着病患者Dcytb 及其mRNA 表达与正常人比较无明显差别，但是HFE 关联血色素沉着病患者十二指肠三价铁还原酶活性增加而非HFE 关联血色素沉着病患者未见增加。因此Dcytb 活性伴在缺铁患者随蛋白表达的上调而增加，而在HFE 关联的血色素沉着病患者主要通过翻译后的上调而增加(Zoller, Theurl et al. 2003)。大鼠灌饲一定剂量的铁剂后，铁的吸收减少，并见有十二指肠刷状缘DcytB 及其mRNA 表达水平的急剧下降[6]。

3+ 肠腔循环血

3.2二价金属离子转运蛋白（divalent metal transporter 1，DMT1）

DMT1，又名Nramp2（naturas resistance associated macrophage protein 2），是第一个从哺乳动物体中鉴别的铁的跨膜运载体，于1997年分别为哈佛大学和耶鲁大学的两个研究小组研究发现。诸多研究表明，DMT1在十二指肠铁吸收和红细胞系统的铁转运过程中发挥着重要的作用。DMT1在肠内的表达水平明显地受包括饮食中铁的含量水平在内的诸多因素的调控，Johnson DM等研究发现，Caco-2细胞在富含铁的培养基中培养4小时后，胞浆膜中DMT1蛋白水平显著降低，而整个细胞DMT1的总量并无变化。细胞表面蛋白生物素化之后，富含铁的培养基孵育过的细胞胞内生物素标记的DMT1见有明显增多[4,7-9]。DMT1在体内分布于包括十二指肠、脑、气管等多个部位。呼吸道炎症常伴随铁元素的利用率升高而导致氧化应激反应。促炎症反应细胞因子和脂多糖（Lipopolysaccharides，LPS）不仅能上调巨噬细胞DMT1表达，TNF-α，干扰素（Interferon，IFN）-γ及LPS亦可增强气管上皮细胞DMT1的表达[10]。Marciani等的研究表明，影响氧化还原状态的化合物对DMT1的活性具有调节作用(Marciani, Trotti et al. 2004)。

3.3基底侧膜铁转运蛋白（basolateral transporter ferroportin 1，FPN1）

Ferroportin1又名铁调节蛋白1（iron regulated transporter 1，IREG1），主要分布于十二指肠成熟的上皮细胞基底侧表面以及肝、脾巨噬细胞内，另外，在胎盘合胞体滋养层也有该蛋白的表达，可能与胎儿从母体获取铁有关。肝硬化患者通常伴有肠道铁吸收的增加，十二指肠DMT1与IREG1的表达上升了1.5～3倍，而且只有血清铁蛋白浓度对IREG1的表达有影响，不同于DMT1，不仅血清铁蛋白浓度影响其表达，而且肝硬化病变本身也能影响其表达[11]。与Dcytb不同的是，IREG1在大肠亦有显著的表达，而且在铁缺乏的小鼠盲肠、近端与末端结肠的表达增加，尤以在末端结肠表达的增加明显，组织缺氧能增加近端结肠IREG1的表达[4]。给大鼠灌饲一定量的铁剂后，通过铁调节蛋白活性测定和铁蛋白免疫印迹检测，见有肠上皮细胞内铁含量增加，铁吸收能力下降。铁吸收减弱还伴随小肠粘膜刷状缘编码与铁转运相关的一些转运分子包括DcytB和包含有铁效应元（iron responsive element, IRE）片段的DMT1，而基底侧膜铁转运蛋白IREG1以及无IRE片段的DMT1的表达并无相应的改变，表明肠上皮细胞内铁的水平能调节肠粘膜刷状缘铁转运相关分子的表达，但对基底侧转运体并无影响[6]。

3.4 Hephaestin

Hephaestin被认为是小肠铁吸收转运过程中的一个关键物质，最早是在研究性连锁贫血（sex-linked anemia，sla）小鼠时发现的。阻断hephaestin后sla小鼠发展为中到重度低血色素小细胞性贫血，虽然铁吸收进入小肠上皮细胞基本正常，但是进入小肠上皮细胞后不再转运进入循环系统而在吸收上皮细胞内堆积，并随着小肠上皮细胞的更新和脱落而造成铁的丢失，最终发展成为缺铁、贫血[12]。Hephaestin在小肠高度表达，不同于血浆铜蓝蛋白，后者基本上在肝脏合成。已经明确只有成熟的肠上皮细胞能够合成hephaestin，小肠隐窝细胞中未发现其表达。但是在几乎没有铁吸收功能的远端小肠和结肠，也发现有hephaestin表达。另外，在脾、胰、肺和肾也见有hephaestin的低度表达[12,13]。与大多数调节铁吸收、平衡的

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蛋白质不同的是，hephaestin的表达不受IRE与IRE结合蛋白的调节。已知的影响其在小肠表达的因素包括微量元素铁和铜的水平，铁缺乏时hephaestin mRNA水平升高，而铁饱和时表达下降(Sakakibara and Aoyama 2002; Chen, Su et al. 2003)。Hephaestin亚铁氧化酶活性促进铁从肠上皮细胞转运出来的假设，最初主要由于其与另外两种已知的亚铁氧化酶（血浆铜蓝蛋白和酵母Fet3p）的相似性，现在已有越来越多的证据支持该假说。小肠上皮细胞基底侧膜hephaestin的存在对铁的转出具有重要的意义。有研究表明，Hephaestin可能直接与跨膜铁转运体（如IREG1）结合，将二价铁转运到膜外。Hephaestin可能还能是亚铁离子氧化使之能与血浆中的转铁蛋白结合(Stearman, Yuan et al. 1996)。

4.结语

非血红素铁在十二指肠的吸收及其调控机制是近年来研究的热点，虽然现有研究对该过程及其调控机制进行了多方面的阐述，但是并未明确其具体细节。由于微量元素铁在机体众多生理病理过程中的特殊地位和作用，系统深入的研究有待进一步地开展。

中医药对某些与铁吸收转运失衡相关的疾病具有确切的疗效，但是目前尚未见有中医药对铁吸收转运调节影响的相关研究报导。结合缺铁性贫血等与铁代谢失衡相关疾病的临床特征及其中医药临床治疗，中医药对铁吸收转运过程的影响方面的研究亦具有深远的价值。

主要参考文献

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New Advances in Molecular Mechanism of Iron Absorption

GUO Wen-feng, CHEN Wei-wen*

College of Chinese Traditional Medicine, Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine,

Guangzhou 510405, China

Abstract

Iron is an essential element for nearly all living organisms. Iron homeostasis is dependent upon intestinal iron absorption. As nearly all absorption of dietary iron occurs in the duodenum, the regulation of iron absorption in duodenum plays a key role in iron homeostasis. Recent studies have demonstrated that duodenal cytochrome B, divalent metal transporter 1, iron regulated transporter 1 and hephaestin played important role in the process of non-heme iron.

Key Words: Iron; absorption; Dcytb; DMT1; IREG1; Hephaestin

作者简介（可选）：郭文峰（1975—），男，讲师，在站博士后研究人员

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