七鳃鳗——铁代谢研究的极佳模型.pdf

Hereditas(Beijing)2024 年 5 月,46(5):387397 收稿日期:20231222;修回日期:20240315;网络发布日期:20240428 基金项目:国家自然科学基金项目(编号：31772884)，辽宁省科技厅应用基础项目(编号：XLYC2002093)，辽宁省教育厅项目(编号：JTYQN2023268，JYTMS20231060)和大连市青年科技之星项目(编号：2022RQ041)资助Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.31772884),Applied Basic Research Project of the Science and Technology Department of Liaoning Province(No.XLYC2002093),the Project of the Educational Department of Liaoning Province(Nos.JTYQN2023268,JYTMS20231060),and Dalian Youth Science and Technology Star Fund Project(No.2022RQ041)作者简介:孙明洁，硕士研究生，专业方向：细胞生物学。E-mail: 通讯作者:逄越，博士，教授，研究方向：七鳃鳗代谢与发育。E-mail: DOI:10.16288/j.yczz.23-317 综 述 七鳃鳗铁代谢研究的极佳模型 孙明洁1,2，卢佳丽1,2，逄越1,2 1.辽宁师范大学生命科学学院，大连 116081 2.辽宁师范大学七鳃鳗研究中心，大连 116081 摘要:七鳃鳗历经 5 亿年的进化历程，所处的自然环境具有低温及铁含量较高等特点，且在变态发育过程中组织结构和生命机制已经发展出其独特的适应性的进化方式，这为人们进一步研究生命起源和进化提供了新的方向。铁是人体必需的营养素之一，在代谢过程中发挥重要的作用，但当过量时可能导致铁中毒。七鳃鳗体内游离铁含量很高，如变态前幼体的血清铁浓度是人类正常男性的 149 倍，幼体肝中的铁含量约是人类正常含量的23 倍。七鳃鳗具有完备的生物化学系统耐受体内高浓度的游离铁，铁稳态的重要基因如转铁蛋白、铁蛋白重链、超氧化物歧化酶等基因高表达，提升了铁转运、铁储存及抗氧化能力。七鳃鳗具有 IRE/IRP 调控系统，是适应组织内高铁环境的重要保护机制。此外，七鳃鳗在变态发育过程中逐渐形成口腔腺，成为独特的铁代谢器官。本文主要介绍了七鳃鳗各组织铁的分布及适应体内高铁含量的潜在机制，为后续寻找调控铁代谢分子机制提供理论基础。关键词:七鳃鳗；铁代谢；适应进化；变态发育 Lampreyan excellent model for iron metabolism Mingjie Sun1,2,Jiali Lu1,2,Yue Pang1,2 1.College of Life Science,Liaoning Normal University,Dalian 116081,China 2.Lamprey Research Center,Liaoning Normal University,Dalian 116081,China Abstract:After 500 million years of evolution,lamprey is in a natural environment characterized by low temperature and high iron content,and its unique adaptive evolution mode has developed its organizational structure and life mechanism in the process of metamorphosis,which provides a new direction for people to further study the origin and evolution of life.Iron is one of the essential nutrients for the human body and plays an important role in metabolic processes,but when exceeded,it can lead to iron toxicity.For example,the serum iron concentration of pre-metamorphosis larvae is 149 times that of normal males,and the iron content in the liver of juveniles is about 2-3 times that of normal humans.Lamprey has a complete biochemical system to tolerate high concentrations of free iron in the body,and high expression of important 388 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 genes for iron homeostasis,such as transferrin,ferritin heavy chain,superoxide dismutase,etc.,improves iron transport,iron storage and antioxidant capacity.Lamprey has an IRE/IRP regulatory system,which is an important protection mechanism for lamprey to adapt to the high iron content environment in the organization.In addition,lampreys gradually form oral glands during metamorphosis and development,which become the unique iron metabolism organs of lampreys.In this review,we mainly summarize the distribution of iron in various tissues of lamprey and the potential mechanism of adapting to the content of iron in the body,so as to provide a theoretical basis for the subsequent search for the molecular mechanism of iron metabolism.Keywords:lamprey;iron metabolism;adaptive evolution;metamorphosis 七鳃鳗(lamprey)是迄今为止最原始的无颌类脊椎动物代表之一，在数亿年的演化进程中未见“朱颜”改，是名副其实的“活化石”1,2。七鳃鳗在系统发育中占据着关键的地位，为还原早期脊椎动物的演化史提供了丰富信息。七鳃鳗是个体发育史中存在“变态”现象的少数脊椎动物之一，有着“三段式”生命周期，其生命周期始于漫长的幼体期，然后经历特殊的变态过程进入成体期，此时其解剖特征和生态习性与幼体已迥然不同3。七鳃鳗幼体只能存活于淡水，而寄生的成体通过吸食鱼类血肉生存，多半时间生活在海洋，非寄生生活的七鳃鳗由海洋寄生型祖先繁衍而来并终生囿于淡水4。铁作为血红素和铁硫蛋白的重要组成部分，对于氧气运输、细胞呼吸、DNA 合成以及其他许多生物化学活性至关重要。如果铁的含量受限，很可能会导致细胞生长停滞和死亡。相反，过量的铁和游离的活性铁都会产生毒性，亚铁离子能与氢或脂质过氧化物反应，分别产生羟基自由基或脂质自由基，在铁离子的催化作用下发生脂质过氧化，进而引发铁死亡的发生5。为确保细胞的存活，细胞中的铁必须限定在一个很小的范围内，因此机体中铁稳态平衡受到严格的控制，包括铁的吸收、释放、利用以及细胞内铁的储存等诸多方面。现存的七鳃鳗具有许多特殊的形态和生理特征，其中之一是它们在生命周期的大多数时期都能耐受高浓度的血清铁和组织铁。甚至在幼体时期，就已经存在高浓度的铁。研究表明，澳洲七鳃鳗(Geotria australis)和短头袋七鳃鳗(Mordacia mordax)幼体肝中的铁含量大约是人类正常含量的 23 倍6。本实验室前期研究也表明七鳃鳗肝组织铁含量显著高于小鼠(Mus musculus)与大鼠(Rattus norvegicus)，同时也显著高于同为水生生物的斑马鱼(Danio rerio)，为上述 3 个物种的 4 倍以上7。无颌类在古生代寒武纪就已经出现，七鳃鳗是极少数存活至今的生物，通过化石证据表明七鳃鳗在进化过程中保留了很多原始特征，现生类群同七鳃鳗的远古祖先相比形态上几乎没有发生变化8。根据七鳃鳗的“演化停滞”推测七鳃鳗体内高铁含量和其出现年代也有一定关系，而这种体内高铁含量一直保留至今。在古生代时期，有广泛的浅海分布，同时具有频繁的板块运动及火山喷发，大陆抬升会将大量地底铁转到陆上，经风化和雨水冲刷，大量铁氧化物顺着河流冲刷入海，在海岸处沉积，形成富含铁的浅海红层，这些浅海因为有大量陆地营养物质的供给9，也往往是包括远古鱼类在内的生物繁荣的乐园。结合七鳃鳗幼体须经长期卧沙的生活特征，这种高铁含量的生存环境极有可能是七鳃鳗体内有高铁含量的重要原因。铁过载是由于铁的供给超过铁的需要量，从而导致机体内总铁量增加，铁在组织器官中过量沉积，可能造成多种器官功能障碍。同样，铁离子在细胞中过度累积会造成细胞内损伤，在铁过载患者的体内常常可以观察到铁在溶酶体中聚集10,11。铁过载也会导致线粒体功能出现异常。铁过载引发的脂质过氧化会对蛋白质和 DNA 产生损伤，脂质过氧化产生的丙二醛和四羟壬烯醛能和DNA碱基发生反应12，进而破坏 DNA 的结构。七鳃鳗各组织中均存在铁沉积，但高浓度的铁并未对七鳃鳗造成任何损伤，说明七鳃鳗通过各种机制适应这种高铁环境。因此，七鳃鳗成为铁过载、铁稳态及铁调节等方面研究的极佳动物模型，对高等脊椎动物中铁代谢疾病研究具有借鉴意义。第5期 孙明洁等:七鳃鳗铁代谢研究的极佳模型 389 1 七鳃鳗体内铁的分布 七鳃鳗的生活周期包括胚胎期、幼体期、变态期、成体期和性成熟期。成体七鳃鳗在淡水溪流中产卵，体外受精后胚胎发育迅速，在受精后 1517天在松软沙子和粉砂中孵化13。幼体期生活在溪流和河流的柔软沉积物中，以覆盖洞穴上的藻类、碎屑和微生物为食14。幼体七鳃鳗潜伏在泥沙中，当满足适当的条件时，幼鱼停止取食并经历彻底的变态15，大约持续 56 个月16。变态结束后，这些幼鱼向下游迁徙到大海，主要以硬骨鱼为食17。性成熟期停止摄食，重新进入河流向上游繁殖区迁徙并产卵18。七鳃鳗在生活周期的不同阶段，体内均储存大量的铁。七鳃鳗在变态发育过程中，体内组织的形态会发生相应的变化，其中最明显的是肝中胆囊会逐渐消失19。因此，随着变态发育的进行，各组织铁沉积情况也会发生变化(表 1)。1.1 七鳃鳗幼体阶段铁分布 幼体七鳃鳗体内铁的特定沉积部位包括肾、皮肤、消化道、肝脏、脑、鳃和心脏(图 1)20。不同组织具有不同程度的铁沉积21，下文将对幼体七鳃鳗各组织中铁沉积情况进行详细的介绍。1.1.1 皮肤 七鳃鳗的皮肤结构包括浅表皮层、中间真皮层(胶原层)和基底层(皮下层)。其中，表皮细胞包括粘液细胞、角质形成细胞和颗粒细胞。真皮主要由胶原层组成，同时脂肪细胞和许多黑素细胞是皮下组织的主要组成部分21。在七鳃鳗的身体除尾部外的所有区域，背侧和外侧的表皮都有铁沉积，但腹侧表皮未发现铁沉积。在泄殖腔之后，所有表面的表皮中都存在铁。皮肤中的粘液细胞含有铁，其中铁的含量主要集中在上皮的底部6。海七鳃鳗背部表皮粘液细胞中的铁与体色素沉着有关，说明七鳃鳗 表 1 七鳃鳗不同发育阶段体内铁沉积表达部位变化 Table 1 Changes in the expression of iron deposition in body at different developmental stages of lamprey 铁沉积部位 变态前（幼体）变态后（成体）铁沉积原因 皮肤 除尾部外，所有体区的背侧和外侧表皮均有铁沉积，但腹侧表皮未见铁沉积。表皮的粘液细胞含有铁蛋白颗粒22。铁蛋白颗粒在表层细胞中更为丰富，粘液细胞中铁以铁蛋白的形式存在21。粘液细胞中的铁与体色素沉着有关，这可能代表了一种潜在的铁排泄途径22。肾 前肾小管的上皮细胞和管腔内含有高浓度的铁。近端小管以铁血黄素的形式储存铁，后肾中未检测到铁的积累6。近端小管以铁蛋白储存铁21。变态前幼鱼的血液中含有大量的铁，血浆在肾小球中过滤，含铁的蛋白被吸收到变态前幼鱼的近端小管，以铁血黄素的形式储存阻止铁的毒性。在变态后幼鱼中，其血液中的铁浓度降低，肝脏起着过滤血液的作用，近端小管主要以铁蛋白储存铁40。肝脏 七鳃鳗幼鱼少数肝细胞存在低浓度的铁。胆总管周围的结缔组织中存在铁6。肝细胞的溶酶体和细胞质基质中富含铁。铁蛋白颗粒在胞质基质和多形态的致密小体中大量存在。含铁血黄素在变态末期占肝脏中非血红素铁的比例越来越大38。在七鳃鳗变态前幼鱼中，存在功能正常的胆道，七鳃鳗通过胆汁清除肠道中的铁。在整个变态过程中，铁蛋白铁是肝脏中主要的非血红素铁成分，有利于调节铁的流动性。变态末期铁血黄素比例增加，减轻高浓度铁对机体造成的损伤28。肠道 肠沟顶端的上皮和后肠远端区域的粘膜细胞中含铁水平较高，吸收细胞中也存在铁6。吸收细胞细胞质基质中观察到微量的铁蛋白颗粒29。后肠粘膜细胞内铁的存在可能是铁摄取过多以及由于体内铁储存充足而缺乏向血管转移的结果，也可能反映了金属从血浆沉积到粘膜细胞以消除铁的目的。吸收细胞中的铁也被认为可能起到了消除铁的作用37。390 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 图 1 七鳃鳗幼体各组织 H&E 染色 Fig.1 HE staining of tissues of larval lamprey G：鳃；DI：皮肤；M：肌肉；O：食管；H：心；N：脊索；GB：胆囊；L：肝；SC：脊髓；ME：脑膜；NF：肾；I：肠。可能通过粘液排出体内的铁22。此外，在七鳃鳗变态发育的早期阶段，粘液细胞数量和表皮厚度增加，这是由于含铁的基底粘液细胞向上迁移，从而导致铁从该部位排出6。1.1.2 躯干周围组织 心脏位于体腔的前侧，主要由心房、心室和静脉窦组成23。幼体七鳃鳗心房的心肌存在低剂量的铁，而心室中也存在铁的沉积，但其含量低于心房中的铁含量。推测可能是由于沉积在心肌中的铁来自血浆，并且肌细胞较少的心房比心室有更多的血容量，缓慢流动的血液和心房中的巨噬细胞之间可能有更多的机会相互作用，因此铁的沉积更多6。幼体七鳃鳗的肾由前肾和后肾组成。前肾位于体腔的前部，后肾位于前肾后的肾褶内21。七鳃鳗幼体阶段发育的第一个肾脏是成对的前肾24，这对前肾作为唯一的排泄器官发挥作用，幼体长到 13 mm，这时七鳃鳗的后肾开始发育25。伴随着前肾小管逐渐退化，前肾小管最终闭塞，前肾小管与泄殖腔之间的连接丧失。在大多数前肾小管的上皮细胞和管腔内含有高浓度的铁，在一些处于退化状态的前肾小管的管腔中存在颗粒铁沉积物6。这可能是由于在幼体七鳃鳗中，过多的铁可以通过前肾小管排出，但随着幼体的发育，前肾小管内的铁无法通过泄殖腔排出26。因此铁会聚集在前肾小管的管腔中，前肾小管的萎缩也可能导致管腔的上皮细胞存在铁的沉积。后肾中未检测到铁的积累，可能是肾小管参与了铁的重吸收或排泄，导致铁从体内排出6。幼体七鳃鳗的肝脏存在肝实质细胞围绕形成的胆小管27，并且具有有效清除胆汁的胆道系统。幼体期的肝细胞表现出低浓度的铁。此外，胆管细胞的致密小体中也检测到铁的存在。七鳃鳗肝脏能够承受较高的铁含量，而不会对组织造成损害28。在幼体七鳃鳗中，存在功能正常的胆道，七鳃鳗可能通过胆汁清除过多的铁来减轻高铁对组织造成的伤害。1.1.3 消化道 幼体七鳃鳗的消化道由咽、食道、前肠和终止于泄殖腔的后肠组成29。在靠近肝脏尾端的食道和前肠的交界处，形成一个较大的侧方肠褶，称为肠沟，这种结构一直存在到后肠的末端。在整个消化道中，铁的水平变化很大。大多数幼体七鳃鳗在肠沟顶端的上皮细胞和后肠远端区域的粘膜细胞中铁含量较高。后肠粘膜细胞内铁的存在可能是铁摄取过多以及由于体内铁储存充足而缺乏向血管转移的结果，也可能通过血浆沉积到粘膜细胞来排出体内的铁6。1.1.4 头、鳃 鳃丝底部和顶部含有粘液的杯状细胞含有微量 第5期 孙明洁等:七鳃鳗铁代谢研究的极佳模型 391 的铁。在鳃的开口处有一块肌肉发达和高度血管化的软腭，软腭内少数巨噬细胞和脂肪细胞含有颗粒铁沉积，同时疏松的纤维结缔组织中存在中等强度的弥漫性铁，内柱血管周围的结缔组织也含有少量的铁30。幼体七鳃鳗纤维结缔组织中铁的沉积，可能代表结缔组织中铁存储的额外区域。软颚和内柱结缔组织与血管紧密相连，因此在铁需求增加时，这种形式的铁存储很容易被动员起来，供其他组织利用6。在大脑的侧面，脑膜组织的细胞内存在低至中等水平的游离铁和颗粒性铁。在脑膜组织内可观察到大的铁颗粒环绕着起源于脑内的神经纤维。在解剖显微镜下，脑膜呈现不透明和淡黄色，因为这些区域内存在丰富的脂肪31。脂肪中含有大量的铁，因此脑组织中含有大量的铁6。1.1.5 脂肪组织 幼体七鳃鳗脂肪组织的主要沉积部位是神经轴体、肾褶、腹侧结缔组织和皮下脂肪组织32。铁以弥散或铁颗粒的形式存在于脂肪组织中，但主要以颗粒铁的形式存在。神经轴体是位于神经索背侧的三角形脂肪组织，整个神经轴体中都充满着颗粒铁。另外，在躯干区域的肾中也存在大量脂肪组织沉积。肾中的脂肪组织也含有中等含量的颗粒铁。真皮皮下脂肪组织中也含有铁。因此，七鳃鳗体内脂肪组织是铁储存的重要部位。在脂肪组织中，当脂肪细胞出现较大的脂空泡时，铁颗粒位于细胞质的周围。如果有少量脂质存在，铁颗粒散布在细胞质中6。铁-脂肪组织结合的适应性和生理学意义尚不清楚，但已有研究表明，幼体七鳃鳗体内脂肪组织中的铁可能具有保护各种器官的功能20。1.2 七鳃鳗成体阶段铁沉积 1.2.1 肾脏 变态后成体的肾脏主要由 3 个区域组成：前肾、后肾和未分化的肾组织。在这 3 个区域中，脂肪组织是主要成分。脂肪组织以脂肪细胞为主，其细胞质的大部分被一个大的脂滴占据，细胞质的其余部分存在几个线粒体、糖原颗粒以及 17 个致密体，致密体中检测到铁的存在21。在幼体中，近端肾小管上皮细胞中的铁以含铁血黄素的形式存在，而变态后以铁蛋白的形式储存。这种变化可能是由于在整个生命周期中幼体的血液中含有最多的铁33，血浆在肾小球中过滤，重要的蛋白质(如富含铁的铁蛋白)被吸收到幼体的近端小管进而可能产生大量的游离铁，铁血黄素成为最终铁储存化合物以适应多余的铁和阻止铁的毒性34。而在成体中，由于其血液中的铁浓度不像幼体那样高35，而且肝脏起着过滤血液的作用，因此推测成体近端小管主要以铁蛋白储存铁21。1.2.2 皮肤 七鳃鳗的皮肤中粘液细胞中含有铁蛋白颗粒。幼体期，这些颗粒在基底细胞中很明显，而在成体期，铁蛋白颗粒在表层细胞中更为丰富21。在粘液细胞中，铁以铁蛋白而不是含铁血黄素的形式存在，这可能表明皮肤没有达到稳定的铁储存阶段，该阶段需要将铁结合到含铁血黄素中。也许这种储存在粘液附近的“非过量”铁状态，进一步支持了这一假设：皮肤是七鳃鳗体内清除多余铁的场所22。在人类病理条件下，以及在正常铁充足的个体中，皮肤作为一个活跃的排泄器官，帮助维持铁的平衡36。1.2.3 肠道 成体的肠道分为前部和后部区域。与幼体不同的是，前肠和后肠的粘膜表面积都因存在许多纵向褶皱以及肠沟而显著增加。成体的吸收细胞具有稀疏分布的微绒毛、大量的顶端凹陷(或小窝)和极大的空泡，空泡含有稀疏分布的絮状物质和铁蛋白颗粒。在幼体中，后肠吸收细胞中的溶酶体/空泡含有铁蛋白形式的铁。幼体吸收细胞中的铁也被认为可能起到了消除铁的作用，通过成熟的上皮细胞脱落控制体内铁浓度6。成体的后肠被认为具有清除多余铁的能力，但不涉及细胞的脱落37。1.2.4 肝脏 幼体肝细胞胞质中未检测到铁的存在。胆管细胞的致密小体由絮状物质组成且存在铁。幼体肝脏的库普弗细胞(巨噬细胞)含有大量的致密体，常见于血窦内或血窦腔内。成体的肝脏不同于幼体的肝脏，392 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 因为没有胆管系统，肝细胞排列成索状。血窦由无铁的库普弗细胞和内皮细胞构成，但肝细胞富含铁。铁蛋白颗粒在肝细胞细胞质基质和多形态的致密小体中大量存在。除了含有铁蛋白颗粒外，致密小体中包含铁、硫和钙。七鳃鳗成体肝细胞中的溶酶体和细胞质基质中检测到铁的存在，进一步支持了七鳃鳗在成体早期就携带铁38。对幼体及早期变态阶段全身的大量非血红素铁的比较发现，在幼体阶段末期，40%以上的非血红素铁存在于肾区，铁颗粒几乎完全局限在位于肾小管上方的脂肪组织中。在变态过程中，肾中非血红素铁的比重下降，这也表明在生命周期的非营养阶段，随着脂质被利用，铁从肾中消失39。在变态发育过程中，肾中非血红素铁的比重下降，而肝脏中非血红素铁在同一时期增加。在变态开始时，肾中的铁以含铁血黄素的形式储存较多，这反映了幼体以相对不活跃的形式储存“过剩”铁40。相反，在整个变态过程中，铁蛋白铁是肝脏中主要的非血红素铁成分。由于铁蛋白铁可能比含铁血黄素铁更容易被利用。这种流动性对于负责调节铁以及在变态结束时为成体血红蛋白的合成提供铁的器官来说是重要的。含铁血黄素在变态末期占肝脏中非血红素铁的比例越来越大，这表明随着肝脏中的铁量变得非常高，将铁蛋白转化为更惰性的存储形式，更有利于减轻高浓度铁对机体造成的损伤28。2 七鳃鳗体内铁代谢相关分子 人体内铁的循环包括铁的吸收、运输、储存和利用等过程，主要通过铁的转运蛋白、载体蛋白和储铁蛋白等参与41。铁主要在小肠上段被吸收。在吸收过程中，铁在空肠上皮细胞的铁转运蛋白(DMT1)介导下进入细胞，并通过铁离子转运蛋白转运至血管内。在血液中，铁主要以铁蛋白和转铁蛋白为载体。铁主要储存在肝脏内的铁蛋白中，当机体需要铁时，铁蛋白会释放铁离子供机体利用；而当铁含量过多时，铁则通过血液、胆汁和其他方式排出体外42。铁在身体内形成一个循环系统，通过吸收、运输和储存等过程维持身体正常代谢和生理功能需求。在七鳃鳗体内也存在参与铁循环的分子，以维持铁的吸收、运输和储存等过程。2.1 铁蛋白 铁蛋白是一种能够稳定结合和储存铁离子的重要蛋白质。其功能在于细胞内稳定储存铁离子，以防止过量铁离子引发氧化损伤。铁蛋白的稳定储存能力有助于防止铁离子产生过氧化物和其他破坏性作用。在机体需要铁时，铁蛋白的外壳会随着体内铁缺乏而开启，释放铁离子供其他组织利用。在体内正常生理状态下，铁蛋白通过调节释放和再生成的铁离子来维持体内铁离子的相对稳定水平43。在澳洲七鳃鳗幼体血浆中发现的铁蛋白分子量约为 354,000 Da，由 20 个亚基组成，每个亚基的分子量为 18,000 Da。虽然与脊椎动物中发现的铁蛋白类似，但脊椎动物中组织铁蛋白的分子量稍大(约443,000 Da)，并且由更多的亚基组成33。有证据表明，哺乳动物体内不同组织产生的铁蛋白存在两种大小略有不同的亚基，但七鳃鳗幼体的铁结合蛋白所有亚基都具有相同大小33。铁蛋白在七鳃鳗各种组织中表达，但在肝脏组织中表达最为丰富，其余组织中的表达水平相近7。七鳃鳗变态过程中的肝脏组织中，铁蛋白重链蛋白在不同发育阶段均有较高的表达水平。随着发育阶段的推进，胆囊消失和胆管逐渐退化，铁蛋白重链在七鳃鳗变态发育过程中呈上升趋势，在成体阶段表达最为丰富7。七鳃鳗在变态发育过程中肝脏会积累大量铁，铁蛋白重链的上调表达可以增加铁的储存，从而避免过量铁离子对机体的危害。2.2 转铁蛋白 转铁蛋白是一种血清蛋白，其主要功能在于结合铁离子，促进铁在人体内的运输，以维持体内铁的平衡。转铁蛋白将铁离子从肠道和储存的铁的部位转运至需要铁的组织和器官44。七鳃鳗转铁蛋白的相对分子质量为 73,20078,000 Da，沉降系数为 5.5。不含任何唾液酸残留物，且未显示出游离的N-末端氨基酸。总氨基酸分析表明不含精氨酸，因此排除了该氨基酸参与铁的结合部位的可能性，组氨酸可能是结合部位的氮配体45。研究发现，转铁蛋白在肝、鳃、心、肌、肠、肾组织中具有较高表达水平，在口腔腺组织中表达量最高。在变态发育过程中，转铁蛋白均有表达，在变态末期和成体阶 第5期 孙明洁等:七鳃鳗铁代谢研究的极佳模型 393 段表达较为丰富7。转铁蛋白在七鳃鳗变态发育过程中呈现先上升后下降趋势，转铁蛋白在变态期发生上调可能是作为肝中铁累积的转运蛋白。2.3 其他铁代谢蛋白 铁稳态的维持是一个复杂而精密的体系和过程，涉及多个环节、多种蛋白。除上述两个主要的铁转运蛋白外，七鳃鳗体内还具有丰富的其他铁代谢相关蛋白，这些蛋白涉及铁的吸收、转运、储存以及铁稳态的调节等功能。在七鳃鳗体内具有调节铁氧化还原的蛋白，如 Hephaestin(亚铁氧化酶)、STEAP2(金属还原酶)、CYBRD1(细胞色素 b 还原酶 1)；调节血红素的生成和利用的蛋白，如 Abcb6(ATP 结合盒亚家族 B 成员 6)、Pgrmc2(孕酮受体膜成分 2)、FLVCR1(血红素转运蛋白 1)；调节铁硫簇生物合成蛋白，如 NUBP1(铁硫簇组装因子 1)、NFS1(半胱氨酸脱硫酶)；以及一些调节铁稳态的蛋白，如IREB2(铁反应元件结合蛋白 2)、ACO1(酰基辅酶 A 氧化酶 1)、MMGT1(膜镁转运体 1)和 BDH2(3-羟基丁酸脱氢酶 2)7。在七鳃鳗中，这些蛋白共同发挥作用，维持七鳃鳗体内铁稳态，减轻铁对七鳃鳗造成的影响，为七鳃鳗体内铁代谢提供了分子基础。3 七鳃鳗耐受高铁的潜在机制 3.1 铁储存能力强 铁过载伴随着铁储存形式的变化。在人类的铁过载过程中，铁的主要储存蛋白从铁蛋白转变为含铁血黄素，含铁血黄素对螯合剂和超氧化物诱导的铁释放不敏感。研究表明，在七鳃鳗中随着储存的铁总量的增加，作为含铁血黄素储存的铁的含量显著增加33，因此铁以稳定的形式储存进而减少对机体的损伤。澳洲七鳃鳗的特征之一是异常高浓度的非血红素铁，这一特征对其并未表现出明显的有害影响，部分原因是肾中发现了大量的含铁血黄素和铁蛋白。随着铁浓度的增加，澳洲七鳃鳗幼鱼肾中含铁血黄素的比例也增加。超过 40%的总非血红素铁位于肾中，多余的铁被该组织转化为含铁血黄素。相较于铁蛋白，含铁血黄素铁的释放速度慢得多，以含铁血黄素的形式储存的铁不会对机体造成损伤46。因此，铁以铁血黄素的形式储存代表了一种抵抗铁毒性的细胞保护机制。3.2 具有 IRE/IRP 调控系统 细胞内铁调节蛋白(IRP-1、IRP-2)与铁反应元件(IRE)的相互作用可以调控铁蛋白的转录。IRE 是铁蛋白 mRNAs 5非翻译区(UTR)中的一个结构基元。在细胞缺铁时，IRP-1 和 IRP-2 对 IRE 有高亲和力，进而产生更多的铁蛋白。但在铁过载状态下，IRP-1被转化为没有 IRE 结合活性的细胞质乌头酸酶，而IRP-2 则被降解。在多种哺乳动物和鸡(Gallus gallus)中已克隆了 IRP，并在哺乳动物中广泛研究了IRE/IRP 复合体的形成。在低等脊椎动物和无脊椎动物的非铁蛋白 mRNAs 中也发现了 IRE 基序，并在非洲爪蟾(Xenopus laevis)、虹鲑鱼(Oncorhynchus mykiss)和黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)中发现了 IRE/RP 相互作用47。七鳃鳗与高等脊椎动物类似，具有一个功能性的 IRE/IRP 调控系统，其中包括两个 IRP 和至少一个含有铁蛋白 mRNA 的 IRE。七鳃鳗能够通过 IRE/IRP 调控系统调节细胞内铁稳态，以适应体内高水平的铁。3.3 丰富的铁代谢基因 本实验室前期工作表明，七鳃鳗具有多种铁蛋白重链基因，这些基因在各个组织中表达水平较高。七鳃鳗体内丰富的铁代谢基因构成了其铁代谢的分子基础，而高度多态性和丰富表达的铁蛋白重链可能是七鳃鳗适应组织内部高铁环境的重要保护机制之一。此外，七鳃鳗在变态过程中，肝脏不断积累铁。随着变态的进行，肝组织中的铁蛋白重链基因和转铁蛋白基因广泛表达，并在成体时期达到峰值。七鳃鳗变态过程中相关基因的变化说明了其体内丰富的铁代谢基因为适应高铁含量提供了基础7。3.4 多种铁排泄途径 七鳃鳗可以利用皮肤清除体内多余的铁。有研究表明，在变态前幼鱼中，铁蛋白颗粒主要分布在基底细胞中，而在变态后幼鱼中，铁蛋白颗粒更为丰富地出现在表层细胞中21。粘液细胞中“非过量”铁的存在状态表明皮肤是七鳃鳗清除多余铁的主要 394 Hereditas(Beijing)2024 第 46 卷 场所22。此外，变态后七鳃鳗的后肠也具备清除多余铁的能力。口腔腺是七鳃鳗独特的铁代谢器官。在变态期间，七鳃鳗可能发生发育性胆道闭锁，导致口腔表皮内陷形成一对口腔腺，在寄生期发挥着重要作用。变态后出现的口腔腺组织含有较高含量的组织铁，仅次于肝组织。这表明口腔腺也是七鳃鳗的重要铁代谢器官之一，七鳃鳗通过不同机制将铁排出体外，以维持细胞内的铁稳态7。3.5 抗氧化水平升高 细胞内正常的有氧代谢会产生潜在的有毒 O2衍生物，包括超氧阴离子自由基(O2)、过氧化氢(H2O2)和羟基自由基(OH)。这些产物可能引发脂质过氧化、酶氧化和进一步的自由基形成，对细胞的化学完整性构成潜在威胁48。在高铁浓度下，O2和H2O2可通过铁催化的哈伯-韦斯反应生成高活性的羟基自由基，可能引发铁相关疾病(如特发性血色素沉着症和输血铁质沉着症)。许多酶系统负责细胞内O2的完全解毒。其中主要的是超氧化物歧化酶(SOD)，其活性中心含锰、铁或铜和锌，催化 O2O转化为 H2O2。过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)两 种 酶 系 统 负 责 清 除 细 胞 内 产 生 的H2O249。七鳃鳗幼体的肾中铁含量远高于其肝脏，肾具有相对较高的 SOD 活性46。随着铁浓度的增加，SOD 活性增加导致 H2O2产生速率增加。由于 H2O2本身或通过促进羟基自由基(OH)的产生具有潜在毒性，过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等酶的活性将随之上升，以促进 H2O2向 O2和 H2O 的转化。七鳃鳗体内这两种酶的活性与铁蛋白浓度之间存在显著相关性50。此外，在变态发育过程中，七鳃鳗的SOD活性与总非血红素铁和铁蛋白中的铁呈正相关。这说明，在七鳃鳗变态过程中，肝脏中总非血红素铁和铁蛋白中的铁逐渐增加，同时 SOD 活性也显著增加。因此，SOD 活性的增加是一种应对铁积累可能引发的潜在毒性的反应51。鱼类等低等脊椎动物已经具有与高等脊椎动物相似且较为完善的铁代谢机制。到目前为止，已在鱼类中鉴定到多个与铁代谢相关的蛋白基因，包括二价金属离子转运蛋白 1/天然抗性相关巨噬细胞蛋白 2(DMT1/Nramp2)、转铁蛋白(Tf)、转铁蛋白受体(TR)、铁蛋白(Fn)、膜铁转运蛋白 1(FPN1)以及铁调素52。铁离子主要通过位于鳃及肠道上皮细胞的DMT1/Nramp2 介导的主动运输过程或转铁蛋白受体介导的内吞作用进入细胞53。随后，一部分铁离子与铁蛋白结合储存在细胞内。在斑马鱼(Danio rerio)中已鉴定到膜铁转运蛋白，其主要功能是胞内铁离子的外排。此外，鱼类肝脏可通过合成分泌一种富含半胱氨酸的小分子多肽铁调素54，通过调节巨噬细胞、肝细胞等储铁细胞铁离子的释放及肠道对铁离子的吸收，维持机体铁离子的内稳态55。作为现存最古老脊椎动物之一，七鳃鳗也具有铁代谢相关基因，例如铁蛋白及转铁蛋白，分别负责铁的储存及转运。但其铁代谢相关调控机制是否与鱼类等低等脊椎动物相似，仍需进一步探究。此外，七鳃鳗具有特殊的高铁适应机制，与其他低等脊椎动物相比，其铁代谢调控具有独特性。4 结语与展望 有关七鳃鳗铁研究的文献多为组织细胞学水平，目前还未从分子机制领域去探究铁含量变化会对七鳃鳗机体造成何种影响。以澳大利亚莫道克大学哈里巴特勒研究院Ian Ceasar Potter为代表的澳洲科研团队主要研究领域为七鳃鳗铁相关生理生化指标的检测，包括七鳃鳗不同生命周期血清铁及各个组织铁含量的测定；以加拿大多伦多大学动物学系 John H Youson 为代表的北美科研团队主要通过显微成像系统来描述铁的组织分布和细胞内亚显微分布。两个团队均获得相似的结论，如幼体七鳃鳗脂肪组织中含有大量的铁，以及在变态过程中个体在肝脏转化过程中逐渐积累铁。这两个团队的实验数据表明，七鳃鳗体内如此高铁浓度对于人类和其他动物来说是致命的，但七鳃鳗却能够以某种独特的机制耐受并储存如此高浓度的铁，因此七鳃鳗是一种铁代谢研究的极佳模型。但七鳃鳗调控铁代谢的具体机制还需进一步探究，找到关键调控分子，为人类铁过载相关治疗提供参考借鉴。通过研究七鳃鳗的铁代谢模型，可以深入了解铁在生物体内的吸收、转运、储存和利用等方面的基本机制。其次，七鳃鳗铁代谢模型能够提供独特 第5期 孙明洁等:七鳃鳗铁代谢研究的极佳模型 395 的视角和实验平台，用于探索铁代谢异常相关疾病的发病机制和潜在治疗策略。通过比较七鳃鳗与人在铁代谢途径上的异同，可以揭示人类铁代谢疾病的病因和发展过程，为相关疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。此外，七鳃鳗铁代谢模型的建立还可以为开发新型药物和治疗手段提供参考和验证平台。通过在七鳃鳗模型中验证药物的疗效和安全性，可以加速相关治疗策略的临床转化，并为人类铁代谢疾病的治疗带来新的突破和进展。综上所述，七鳃鳗铁代谢模型对人类铁代谢疾病的研究具有重要的借鉴意义，有助于深入理解疾病的发病机制、开发新的治疗策略，并推动相关疾病的临床诊断和治疗水平的提高。参考文献(References)：1 Forey P,Janvier P.Agnathans and the origin of jawed vertebrates.Nature,1993,361(6408):129134.2 朱元鼎,孟庆闻.中国动物志圆口纲软骨鱼纲.北京:科学出版社,2001,251253.3 Li J,Dong YJ,Han YL,Liu X,Song T,Xu L,Pang Y,Li QW.Mathematical analysis of effects of morphometric attribute on body weight of Lampetra morii and Lampetra japonica.Acta Oceanol Sin Chin Ed,2017,39(4):6171.李军,董彦娇,韩英伦,刘欣,宋涛,徐磊,逄越,李庆伟.东北七鳃鳗和日本七鳃鳗成体形态性状对体质量的影响分析.海洋学报,2017,39(4):6171.4 Nikitina N,Bronner-Fraser M,Sauka-Spengler T.The sea lamprey Petromyzon marinus:a model for evolutionary and developmental biology.Cold Spring Harb Protoc,2009,4(1):pdb.emo113.5 Chen X,Li JB,Kang R,Klionsky DJ,Tang DL.Ferroptosis:machinery and regulation.Aut