含铁蛋白介导的铁转运分子机制.pdf

收稿:2007年8月3 通讯联系人 e2mail:tqyhe 含铁蛋白介导的铁转运分子机制孙雪松 何庆瑜3(暨南大学生命与健康工程研究院 广州510632)摘 要 铁是生命体必需的微量元素,因为它是一些重要功能酶的协同因子。这些功能酶有着广泛的功能,从呼吸作用到核酸的复制。但是,当铁含量多于细胞稳态时,它将产生对机体有毒的羟基。生物体已经发展了自身的调控机制,包括铁的摄取、存储和输出来控制细胞内的铁处于平衡态。二价阳离子转运蛋白、铁输出蛋白和hephaestin参与小肠吸收。转铁蛋白和转铁蛋白受体参与铁的摄取和转运,铁蛋白可以存储铁,铁调控蛋白的功能是调节铁代谢。本综述着重阐述了含铁蛋白介导的铁传递机制。关键词 转铁蛋白 转铁蛋白受体 二价阳离子转运蛋白 铁蛋白 铁调控蛋白中图分类号:Q581 文献标识码:A 文章编号:10052281X(2007)1221986205Molecular Mechanism of Iron Transport Mediated by Iron2Containing ProteinsSun XuesongHe Qingyu3(Institute of Life and Health Engineering,Jinan University,Guangzhou 510632,China)AbstractIron,an essential element for virtually all organisms,is required as a cofactor for many enzymes that areinvolved in various cellular functions ranging from respiration to DNA replication.On the other hand,iron is also toxicwhen in excess over cellular homeostasis due to the generation of hydroxyl radicals through Fenton reaction.Organismshave developed mechanisms to control cellular iron levels by closely modulating the iron uptake,storage and efflux.DMT1(divalent metal transpoter),ferroportin,hephaestin are involved in intenstinal iron absorption.Transferrin andtransferrin receptors participate in cellular iron uptake and transport,whereas ferritin functions as an iron strorageprotein,and IRP(iron responsive protein)regulates iron metabolism.This review focuses on the mechanisms of irontransport mediated by these iron2containing proteins.Key wordstransferrin;transferrin receptors;divalent metal transporter(DMT1);ferritin;iron responsive protein(IRP)1 引言对于几乎所有的生物体来讲,铁是必要的生存元素1。铁在细胞生长和繁殖过程中起到重要作用,因为铁是许多重要的功能酶的协同因子,这些酶在生物体中有着很广泛的功能,它们催化能量代谢的关键反应步骤(细胞色素、线粒体顺乌头酸酶、电子传递链中的铁硫蛋白),参与呼吸作用(血红蛋白和肌红蛋白),以及核酸的复制(核苷酸还原酶)2。通常人体中铁的含量大约是40 mgkg(体重)。其中60%70%的铁存在于血液循环的血红蛋白中,10%储存于肌红蛋白、细胞色素和含铁的酶中,还有20%30%存在于肝细胞和网状内皮巨噬细胞的铁蛋白和血铁质中3。在生理条件下铁通常以氧化的三价态存在,在中性条件下三价铁水解成不可溶的氢氧化铁。而且铁参与到一个产生有极强毒性的自由基的电子传电反应中(式1)4,这种自由基可以降解细胞内的脂、核酸和其它的生物分子5。无论是缺铁还是铁过量都会引起人体的疾病,例如缺铁性贫血症和血色沉着病,所以调控细胞内铁的第19卷 第12期2007年12月化 学 进 展PROGRESS IN CHEMISTRYVol.19 No.12Dec.,2007含量是非常重要的。生物体通过摄取、存储和释放3种方式来协同控制体内铁的浓度。Fe2+H2O2Fe3+OH?+OH-(1)2 铁吸收通常人体从日常饮食中获取铁。食物血红素中的铁能够有效地被人体吸收,它以血色素和肌血球素的形式存在。而食物中非血红素的铁是不可溶的三价状态,三价铁首先被类似于细胞色素B的铁还原酶(DcytB)还原成亚铁,然后穿过小肠上皮细胞。肠吸收是调节铁平衡的关键步骤6。摄入的铁主要通过3个连续的步骤在小肠中消化:穿过上皮黏膜摄取,细胞内加工和转运,穿过基底膜流出。上皮细胞的消化道内胚层表达一些专门负责铁吸收和转运的蛋白,小肠吸收上皮细胞形成一个类似于手指形的结构来增加铁吸收面积以便更多的铁进入人体。图1描述了铁吸收的主要过程,首先依靠一个二价阳离子转运蛋白DMT1跨膜转运机制,铁被输送到红细胞中。当铁到达细胞内的时候,一部分被储存于铁蛋白(ferritin)中,另外一部分通过铁输出蛋白(ferroportin or Ireg1)穿过基底膜运送到血浆,在血浆中的铁被铁氧化酶氧化成三价,最终三价铁被转铁蛋白(transferrin)夺取7。关于铁如何离开小肠上皮细胞加载到转铁蛋白上的机理现在还不清楚。图1 铁通过十二指肠传递模型Fig.1A model for iron transport across duodenal epithelialcells3 转铁蛋白介导的铁传递细胞通过转铁蛋白的循环来不断地获取铁。转铁蛋白分子由含大约680个氨基酸的单链多肽组成,分子量大约为80 kDa,对铁有很高的亲和力(Kd10-22Lmol)8。转铁蛋白的晶体结构显示holo2transferrin由两个部分组成,它们分别被定义为N裂片(N2lobe)和C裂片(C2lobe),二者被一个短肽连接起来,每个裂片含有一个铁结合位点。两个结合位点在铁的结合和解离方面存在着明显的差异,N裂片结合铁和释放铁相对于C裂片容易,C裂片结合铁更强而释放速度慢。311 铁的结合铁以六配位形式结合到N裂片4个氨基酸残基上(Asp63,Tyr95,和His249在N21区,Tyr188在N22区),还结合到Arg124上协同阴离子碳酸根的两个氧原子上(图2)。其它的残基,如Gly65,Glu83,Tyr85,Arg124,Lys206,Ser248和Lys296形成一个二级氢键网,它可以起到稳定蛋白中的铁结合位点的作用916。图2 人血清transferrin的N端铁结合位点Fig.2The iron2binding site of N2lobe of human serumtransferrin血浆中的转铁蛋白受体(T fR)是细胞从转铁蛋白中摄取铁过程中的重要蛋白。目前已经知道有两种T fR:T fR1和T fR2,后一种分子是最近被发现的,功能还不太清楚。两种受体都可以pH值依赖的方式结合带有两个铁原子的转铁蛋白并把铁传递到细胞内,但是T fR2的亲和力比T fR1大概低25倍17。T fR1是760个氨基酸组成的糖基化蛋白,每一个T fR1的同型二聚体可以结合两个转铁蛋白(图3)。在生理条件下T fR结合含有两个铁的转铁蛋白,然后T fR2transferrin复合体通过细胞膜网格蛋白包被的凹陷进入特定的内涵体18。人血浆中的T fR含有一个分子量在5 000 Da的N末端细胞质亲水区和一个结合到Ser224上的磷酸基团。这两个功能区的磷酸化作用提供了一种控制T fR细胞内定位的机制1926。312 铁的释放一旦内涵体成熟并失去包被的时候,它开始吸收质子,使内涵体中的pH值迅速降到515左右,从而引起T fR和转铁蛋白的结构变化,导致铁和转铁7891第12期孙雪松等 含铁蛋白介导的铁转运分子机制图3Transferrin和它的受体外功能区的原子模型Fig.3An atomic model of diferric T f and the receptorectodomain蛋白的结合减弱,最终铁释放到细胞中。当铁从转铁蛋白上释放的时候每个裂片上的两个亚区(N1和N2亚区以及C1和C2亚区)围绕一个中枢旋转打开成60度使转铁蛋白从封闭的结构变成开放的结构12,27,28。我们近年的研究表明,氯离子和硫酸根离子能够加速EDTA在pH=516条件下从转铁蛋白N2lobe上攫取铁的速度10,29,30。我们利用点突变和功能蛋白表达技术来研究特定的氨基酸在铁释放中的作用,结果表明氨基酸对铁从转铁蛋白上解离的影响力遵循这样一个顺序:铁结合配体二级壳残基非特异功能残基3133。通过应用分子生物学技术消除或取代转铁蛋白上的铁离子配基,我们首次证明,Tyr188是最重要的铁离子配基,如果缺失此基团,转铁蛋白的铁离子结合功能会全部消失。我们还证明,铁离子配基外围的二级配体层形成的网络结构(second2shell network)可以帮助铁离子配基处在合适的位置上,这样转铁蛋白才可以发挥它的功能。更重要的是,我们证明了Lys2062Lys296形成的赖氨酸对在铁离子释放过程中的特殊功能:作为因pH值改变而释放铁离子的“触发器”。铁从转铁蛋白上解离释放到细胞中大约需要23分钟。含双铁转铁蛋白从它的受体上释放的解离常数在不同的物种和细胞类型之间是有差异的,从10-7到10-9,而含一个铁的转铁蛋白的解离常数是10-6 3。自由的三价铁在细胞膜的顺式边被还原成二价,二价铁借助于DMT1以依赖电压和质子偶合的方式,通过内涵体膜进入胞浆,在胞浆中铁被储存到ferritin中或者被细胞利用于制造血红素34。空的转铁蛋白仍然保持着开放的结构结合在它的受体上,然后含有转铁蛋白和T fR的内涵体通过胞外分泌到达细胞表面。这时,空的转铁蛋白从它的受体上解离下来,等待再次获取铁,而受体结合其它已经含有铁的转铁蛋白从而让铁运输可以循环进行。计算表明,转铁蛋白分子在其生存期中可以循环100200次34。非转铁蛋白结合的铁(NTBI)在mol级,主要出现在先天血液沉着病和其他铁超负荷的疾病中。目前已经有很多文章报道了对于不同的细胞非转铁蛋白结合的铁传递机制3451。NTBI的毒性取决于它在血浆中的利用率,它最终被易损伤的组织吸收。NTBI的摄取是需要能量的51,52,但是具体的跨双分子膜转运如何耦联能量的机制目前还不清楚。现在已经有文章具体描述高亲和力和低亲和力的NTBI摄取机制对一些过渡金属的敏感度38,39,48。4 铁的存储当铁进入细胞后,其中有一部分不是马上被细胞利用,而是被储存在ferritin和ferritin类似的蛋白中。被存储的铁独立于细胞进程外,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;另一方面还能保护细胞不受由于铁过量引起的氧化破坏5355。Ferritin是一个高度保守的多聚体蛋白。哺乳动物的ferritin是一个由24个轻链和重链组成的载体蛋白壳,轻链和重链的比例取决于组织类型和生理状态,这个壳围绕着一个多达4 500个铁原子的核(图4)。Ferritin上的金属配体是Glu27,Tyr34,Glu61,Glu62,His65,Glu107和Gln141,这些配体在哺乳动物轻链中是高度保守的。天然ferritin的无机核在大小和无机磷的含量方面都是可变的,多数天然ferritin含磷量取决于生物源的种类,从44 FePi(Patellalaticosata)到117FePi(Pseudomonasaeruginosa)56。Ferritin蛋白壳被溶酶体降解产生血铁黄蛋白(hemosiderin),它结合铁形成另一种不可溶的铁存储系统。这种蛋白目前研究得还不清楚。通常体内只有很少量的血铁黄蛋白,当体内铁超负荷的时候,组织中的血铁黄蛋白迅速增加,特别是在肝脏、胰腺和心脏中。5 铁传递的调控以上讲述的很多与铁传递相关的蛋白的表达都处于严密的基因调控下,包括转录调控,mRNA的稳8891化 学 进 展第19卷图4 人铁蛋白单分子模型(PDBID,2FG4)Fig.4Structure of human ferritin monomer(PDBID,2FG4)定性,转录修饰和翻译后修饰。铁调控蛋白(IRP)和铁响应元(IRE)参与转录后修饰。IRE是编码蛋白的mRNA上5 和3 端的非翻译区(UTRs)的颈环结构57。表1列举了一些IRE调控的蛋白,这些蛋白参与铁的存储、传递和输出,红细胞血色素的合成,TCA循环。当IRPs结合到5 2UTRs的时候,mRNA翻译被终止;相反当IRPs结合到3 2UTRs时,可以使mRNA更稳定从而促进转译进行。这种结合作用受到细胞内铁浓度的调控,当体内铁含量高时,一个铁硫簇组装到IRP1上从而抑制IRE的结合,相反当铁含量降低时IRP1结合到IRE上,而IRP2没有铁硫簇,但是含有依赖铁的降解域,当有铁存在的情况下,蛋白酶结合到IRP2上并且使它降解,从而抑制和IRE的作用。表1 含有铁响应元的基因和它们的功能61Table 1Iron responsive element(IRE)2containing genes and theirfunction61geneIRElocationfunctionferritin L chain5iron storageferritin H chain5iron storagemitochondrial aconitase5enzymes in citric acid cycleerythroid 52ALA2synthase5key enzyme in heme synthesisferroportin(IREG1)5iron exporterDMT13iron transporterNramp23iron importersuccinate dehydrogenase5involved in citric acid cycleT fR13transferrin2binding and transport 除了IRPIRE外,生物体内还有很多其它的调控机制,例如细胞坏死因子2,白介素21,26,干扰素2,这些蛋白促进H2ferritin的表达,抑制T fR1的表达,干扰素2 还可以诱导DMT1的表达和减弱ferroportin的表达58。血色病蛋白(HFE)能够结合T fR1,导致它和转铁蛋白的亲和力减弱,使细胞铁的摄取量减少到33%59,60。6 结语由于铁在生物体内起到重要的作用,它的转运机制一直以来都受到国内外学者的关注。但是因为参与转运的蛋白比较多而且结构复杂,到目前为止,有很多机理还不是很清楚,比如细胞如何从转铁蛋白上夺取铁。为了更好地治疗铁代谢紊乱引起的疾病,我们需要继续深入的研究铁的转运及代谢机制。参 考 文 献 1 Aisen P,Enns C,Wessling2Resnick M.Int.J.Biochem.Cell.Biol.,2001,33:940959 2 Andrews N C.Nat.Rev.Genet.,2000,1:208217 3 Conrad M E,Umbreit J N,Moore E G.Am.J.Med.Sci.,1999,318:213229 4 Fenton J P,Roehrig KL,Mahan D C,et al.J.Anim.Sci.,1985,60:190199 5 Imlay J A,Chin S M,Linn S.Science,1988,240:640642 6 De Freitas J M,Meneghini R.Mutat.Res.,2001,475:153159 7 Gunshin H,Mackenzie B,Berger U V,et al.Nature,1997,388:482488 8 Aisen P,Leibman A,Zweier J.J.Biol.Chem.,1978,253:19301937 9 He Q Y,Mason A B,Lyons B A,et al.Biochem.J.,2001,354:42342910He Q Y,Mason A B,TamB M,et al.Biochemistry,1999,38:9704971111He Q Y,Mason A B,Woodworth R C,et al.J.Biol.Chem.,1998,273:170181702412MacG illivray R T,Moore S A,Chen J,et al.Biochemistry,1998,37:7919792813He Q Y,Mason A B,Pakdaman R,et al.Biochemistry,2000,39:1205121014He Q Y,Mason A B,Woodworth R C,et 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