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鐵代謝與帕金森病關(guān)系的研究進(jìn)展

王俊a謝瑞滿b

(復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院a神經(jīng)科，b老年科，上海200032)

Research Progress of Association of Iron Metabolism and Parkinson’s Disease

WANGJunaXIERuimanbaDepartmentofGerontology,bDepartmentofNeurology，ZhongshanHospital，F(xiàn)udanUniversity，Shanghai200032,China

帕金森病(Parkinson’s disease, PD)是神經(jīng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)遲緩、肌強(qiáng)直、靜止性震顫以及姿勢(shì)步態(tài)的異常。PD的病理學(xué)改變包括：黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元退變，紋狀體多巴胺減少，殘存神經(jīng)元中有路易氏小體(lewy body, LB)。PD發(fā)病與α-突觸核蛋白、氧化應(yīng)激與炎性反應(yīng)、環(huán)境與遺傳因素、泛素-蛋白酶體途徑及鐵代謝紊亂等有關(guān)[1]。本文綜述了鐵的代謝及代謝調(diào)節(jié)，以及鐵代謝與PD的關(guān)系。

1鐵的生化及生理學(xué)特點(diǎn)

鐵是一種人體必需的微量元素。體內(nèi)鐵主要分布在血紅蛋白中，其次是肌紅蛋白。鐵有靈活的配位及較強(qiáng)的氧化還原能力，二價(jià)鐵(Fe2+)和三價(jià)鐵(Fe3+)之間容易轉(zhuǎn)換。鐵能與蛋白質(zhì)和氧結(jié)合，參與氧的運(yùn)輸、能量代謝、神經(jīng)遞質(zhì)合成、神經(jīng)髓鞘合成等，但過(guò)量的鐵也可能通過(guò)氧化應(yīng)激產(chǎn)生毒性作用。在細(xì)胞及機(jī)體內(nèi)，鐵的獲取、利用及解毒有一套成熟的機(jī)制[2]。早期認(rèn)為腦內(nèi)的鐵不與血紅蛋白結(jié)合，而與其他形式的蛋白結(jié)合。1968年有學(xué)者用X線熒光光譜法分析發(fā)現(xiàn)，PD患者黑質(zhì)的鐵含量比健康者高2倍，隨后多項(xiàng)研究證實(shí)PD患者腦內(nèi)鐵的含量發(fā)生了變化[3-4]。

2鐵的代謝

2.1鐵的攝入體內(nèi)鐵主要來(lái)源于膳食及衰老的紅細(xì)胞。食物中的Fe3+在腸腔內(nèi)通過(guò)鐵還原酶(如十二指腸細(xì)胞色素B)還原為Fe2+，然后在2價(jià)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(divalent metal transporter l, DMT1)的作用下轉(zhuǎn)運(yùn)到腸上皮細(xì)胞中；含F(xiàn)e2+的膳食血紅素則直接轉(zhuǎn)運(yùn)到腸上皮細(xì)胞內(nèi)，在腸細(xì)胞內(nèi)經(jīng)血紅素加氧酶1(heme oxygenase-1，HO-1)作用后釋放Fe2+，這些Fe2+由溶質(zhì)載體和膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ferroportin, FPN)介導(dǎo)穿過(guò)基底膜進(jìn)入血液。這種由FPN介導(dǎo)的Fe2+外排與其再氧化成Fe3+密切相關(guān)。鐵的氧化由銅藍(lán)蛋白等氧化酶催化完成。Fe3+通過(guò)與轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，維持其三價(jià)惰性狀態(tài)，并轉(zhuǎn)運(yùn)至組織中。轉(zhuǎn)鐵蛋白約攜帶人體鐵的0.1%，每天有10余次鐵代謝轉(zhuǎn)換[5]。

衰老的紅細(xì)胞被巨噬細(xì)胞清除，分解為血紅蛋白和血紅素，由FPN介導(dǎo)釋放Fe2+到血液中。Fe2+由FPN介導(dǎo)從腸細(xì)胞和巨噬細(xì)胞進(jìn)入血漿的過(guò)程受到肝源性肽類鐵調(diào)素的調(diào)控，鐵調(diào)素促進(jìn)FPN磷酸化、被內(nèi)吞及被溶酶體降解。在鐵超載及炎性反應(yīng)時(shí)肝源性肽類鐵調(diào)素表達(dá)增加，F(xiàn)PN作用受到抑制，膳食中鐵的吸收降低，巨噬細(xì)胞中鐵的滯留增加，進(jìn)而降低血漿中的鐵。

2.2鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞從載鐵的血漿轉(zhuǎn)鐵蛋白中攝取鐵，載鐵的轉(zhuǎn)鐵蛋白和細(xì)胞表面高親和力的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrin receptor, TfR)結(jié)合，介導(dǎo)鐵內(nèi)吞。通過(guò)質(zhì)子泵作用，內(nèi)涵體pH減小至5.5，觸發(fā)Fe3+從轉(zhuǎn)鐵蛋白釋放，然后在還原酶的作用下還原為Fe2+，再在DMT1的作用下轉(zhuǎn)運(yùn)到胞漿[6]。釋放鐵的轉(zhuǎn)鐵蛋白與其受體的親和力下降，再回到血漿中循環(huán)利用。1%循環(huán)鐵與非轉(zhuǎn)鐵蛋白結(jié)合，由一系列小分子配體處理，包括檸檬酸鹽、抗壞血酸離子以及循環(huán)的白蛋白、三磷酸腺苷等。載鐵的轉(zhuǎn)鐵蛋白主要通過(guò)腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞(brain capillary endothelial cells, BCECs)表面TfR1介導(dǎo)的內(nèi)吞作用穿過(guò)血腦屏障，之后鐵從轉(zhuǎn)鐵蛋白上釋放出來(lái)，還原為Fe2+，繼而通過(guò)DMT1、FPN排入腦間質(zhì)。在腦間質(zhì)中，鐵與轉(zhuǎn)鐵蛋白或乳鐵蛋白結(jié)合[7]。

2.3鐵的儲(chǔ)存進(jìn)入細(xì)胞后，鐵有不同的代謝路徑：直接用來(lái)合成血紅素、鐵硫簇；余鐵則與鐵蛋白結(jié)合，以無(wú)毒的形式儲(chǔ)存起來(lái)，或儲(chǔ)存于神經(jīng)黑色素(neuromelanin, NM)、不穩(wěn)定鐵池(labile iron pool, LIP)。鐵蛋白由H鏈和L鏈構(gòu)成，與鐵結(jié)合時(shí)，將其包繞在中心。鐵結(jié)合到鐵蛋白不具有毒性，不引起細(xì)胞損傷，但是鐵蛋白復(fù)合物的破壞使體內(nèi)自由鐵超載，產(chǎn)生過(guò)量的自由基，導(dǎo)致膜脂質(zhì)發(fā)生過(guò)氧化，引起毒性作用[8]。各類細(xì)胞中都有LIP，內(nèi)含檸檬酸鹽、肽、三磷酸腺苷、焦磷酸等。LIP能反映細(xì)胞內(nèi)鐵含量，維持鐵平衡。NM通過(guò)在神經(jīng)細(xì)胞胞漿中螯合鐵來(lái)減少自由鐵，生理狀態(tài)下50%的NM處于鐵飽和狀態(tài)；PD患者中與NM結(jié)合的鐵顯著減少，而自由鐵增多，神經(jīng)元丟失也相應(yīng)增多[9]。

3鐵代謝的調(diào)節(jié)

鐵代謝的平衡需要調(diào)控機(jī)制來(lái)維持，包括鐵反應(yīng)元件(iron-responsive element, IRE)/鐵調(diào)節(jié)蛋白(iron-regulatory protein, IRP)及缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor, HIF)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)鐵調(diào)控異常時(shí)，鐵的代謝失衡，鐵超載或缺乏，產(chǎn)生神經(jīng)毒性。

3.1IRE/IRP調(diào)節(jié)系統(tǒng)多種鐵代謝相關(guān)的mRNA含有IRE。IRP結(jié)合到mRNA非編碼區(qū)(untranslated regions, UTRs)的IRE上調(diào)控鐵代謝相關(guān)蛋白的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)鐵的代謝[10]。IRP和mRNA不同區(qū)域的IRE結(jié)合會(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)：與5’端的IRE結(jié)合，抑制 mRNA的表達(dá)；與3’端的IRE結(jié)合，則穩(wěn)定IRP mRNA的表達(dá)。鐵下降時(shí)，IRP和5’端 的IRE結(jié)合，抑制鐵蛋白、M-順烏頭酸等mRNA的表達(dá)，從而減少鐵的存儲(chǔ)及紅細(xì)胞對(duì)鐵的利用；與3’端的 IRE結(jié)合則穩(wěn)定TfR1、DMT1等的mRNA表達(dá)，從而增加鐵的攝取、轉(zhuǎn)運(yùn)并影響細(xì)胞骨架重構(gòu)等。鐵增加時(shí)，IRP1- Fe發(fā)生了構(gòu)象變化，不能與IRE結(jié)合；而IRP2 - Fe復(fù)合物通過(guò)泛素-蛋白酶體途徑降解，通過(guò)這兩方面促進(jìn)鐵的存儲(chǔ)、利用，減少鐵的吸收。

3.2HIF調(diào)節(jié)系統(tǒng)HIF是由一個(gè)α亞基和一個(gè)β亞基組成的二聚體。HIF-1α被脯氨酰羥化酶羥化后經(jīng)泛素化降解。HIF-1α降解后，TfR、DMT1等的表達(dá)下調(diào)。缺氧時(shí)，HIF-1α泛素化被抑制，而轉(zhuǎn)運(yùn)到核內(nèi)與HIF-1β發(fā)生二聚化，并與環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白結(jié)合，進(jìn)而激活含有缺氧反應(yīng)元件的轉(zhuǎn)鐵蛋白、DMT1等基因的轉(zhuǎn)錄，從而增加鐵的攝入。

4腦內(nèi)鐵沉積與PD的關(guān)系

4.1PD患者腦內(nèi)鐵沉積核磁共振成像顯示，PD患者的鐵沉積早于臨床癥狀出現(xiàn)；經(jīng)顱超聲發(fā)現(xiàn)腦黑質(zhì)內(nèi)鐵升高者患PD的風(fēng)險(xiǎn)提高17倍[11]。研究[12]發(fā)現(xiàn)PD患者腦中LB存在鐵沉積。對(duì)于腦黑質(zhì)鐵沉積及相應(yīng)神經(jīng)元丟失的PD動(dòng)物模型，用鐵螯合劑能改善相關(guān)癥狀[13]。通過(guò)基因?qū)W方法或藥理學(xué)手段增加鐵蛋白或銅藍(lán)蛋白(增加鐵排出)也能減輕鐵介導(dǎo)的毒性[14]。上述研究均提示PD患者腦內(nèi)鐵水平升高，鐵沉積可能是導(dǎo)致PD的原因之一。

4.2PD患者鐵沉積的原因腦內(nèi)IRP異?？芍妈F沉積；PD患者黑質(zhì)中DMT1增加可導(dǎo)致鐵攝入增加；PD患者的尸檢顯示腦內(nèi)轉(zhuǎn)鐵蛋白水平下降，鐵的轉(zhuǎn)運(yùn)能力下降，自由鐵增加，神經(jīng)毒性增強(qiáng)；腦內(nèi)銅藍(lán)蛋白的量沒(méi)有改變，但是其在黑質(zhì)中的活性和選擇性降低，使鐵排出減少[15]。PD患者鐵的攝入增加、轉(zhuǎn)運(yùn)儲(chǔ)存減少、排出減少是導(dǎo)致體內(nèi)鐵沉積原因。

4.3鐵沉積產(chǎn)生的毒性作用

4.3.1氧化應(yīng)激PD患者神經(jīng)系統(tǒng)黑色素和鐵蛋白的功能異常以及血腦屏障的破壞可導(dǎo)致腦內(nèi)Fe2+含量增加。多巴胺代謝產(chǎn)生的過(guò)氧化氫與這些Fe2+通過(guò)芬頓反應(yīng)產(chǎn)生羥自由基。而PD患者腦內(nèi)谷胱甘肽水平下降，抗氧化能力下降，高反應(yīng)性羥自由基會(huì)引起氧化應(yīng)激。同時(shí)，這些Fe2+還可引起突觸核蛋白聚集，導(dǎo)致羥自由基產(chǎn)生和LB形成，導(dǎo)致脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊、線粒體功能異常、膠質(zhì)細(xì)胞激活等。

4.3.2鐵退亡鐵退亡(ferroptosis，以往譯為鐵死亡)是一種鐵依賴性的細(xì)胞死亡方式。該死亡方式受細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的嚴(yán)密調(diào)節(jié)。鐵退亡的發(fā)生需要鐵依賴性的活性氧自由基(reactive oxygen species, ROS)及還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶，涉及脂質(zhì)過(guò)氧化。鐵退亡是一種在形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)等方面不同于凋亡、壞死和自噬的細(xì)胞死亡方式。鐵退亡的典型特征為線粒體變小，但雙層膜的密度增加，同時(shí)細(xì)胞質(zhì)及脂質(zhì)內(nèi)ROS增多。鐵退亡不需凋亡蛋白的參與，不消耗能量，不發(fā)生細(xì)胞內(nèi)鈣超載，線粒體不產(chǎn)生ROS。鐵退亡沒(méi)有凋亡標(biāo)志物，但可被鐵螯合劑或通過(guò)抑制鐵的攝入所阻斷。

2012年有學(xué)者研究一種小分子抗癌藥物Erastin的作用機(jī)制時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了鐵退亡現(xiàn)象[16]。鐵退亡的機(jī)制與谷氨酸毒性作用相似：通過(guò)抑制細(xì)胞膜上胱氨酸/谷氨酸反向轉(zhuǎn)運(yùn)體的功能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽耗竭，鐵超載導(dǎo)致鐵依賴性的ROS增加。研究[16-17]發(fā)現(xiàn)，用鐵螯合劑或合成的ferrostatin-1(Fer-1)能顯著降低erastin導(dǎo)致的細(xì)胞死亡。Fer-1是一種小分子物質(zhì)，能夠特異性抑制ROS引起的鐵退亡，但對(duì)其他細(xì)胞死亡方式?jīng)]有抑制作用。Fer-1能夠抑制erastin引起的腫瘤細(xì)胞死亡，也能抑制谷氨酸對(duì)海馬型腦片的毒性。Fer-1對(duì)鐵退亡的抑制作用主要通過(guò)清除ROS實(shí)現(xiàn)[16-17]。

4.3.3其他機(jī)制細(xì)胞內(nèi)鐵的異常積聚可損傷多種蛋白如鈣泵、鈉鉀泵，可氧化神經(jīng)酰胺、鞘磷脂，最終導(dǎo)致突觸功能障礙和神經(jīng)細(xì)胞死亡。

5鐵含量下降與PD的關(guān)系

以往研究多集中在鐵缺乏對(duì)神經(jīng)發(fā)育的影響和鐵積聚在退行性變中的作用。近年來(lái)研究[18]表明，PD的發(fā)生可能與鐵含量下降有關(guān)，如運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元缺鐵小鼠模型表現(xiàn)出線粒體活性降低和髓鞘化低下。研究發(fā)現(xiàn)，增加鐵的攝入能降低PD的發(fā)生[19]。采用孟德?tīng)栯S機(jī)化方法選擇了3個(gè)對(duì)血清鐵有影響的多態(tài)性基因，通過(guò)對(duì)20 809名PD患者和88 892名健康人進(jìn)行全基因組薈萃分析發(fā)現(xiàn)，血清鐵每升高179.1 μmol/L，患PD的風(fēng)險(xiǎn)就下降0.3%(95% CI: 0.1%～0.6%)，提示鐵升高是PD的保護(hù)性因素[20]。

6小結(jié)

PD除了典型的運(yùn)動(dòng)癥狀外，還會(huì)出現(xiàn)非運(yùn)動(dòng)癥狀，如焦慮、認(rèn)知障礙等。由于研究方法、取材部位、標(biāo)本保存、處理方法以及患者病程的不同，PD患者體內(nèi)鐵含量的改變是原發(fā)性病因或是繼發(fā)性改變、是危險(xiǎn)因素或保護(hù)因素目前尚有爭(zhēng)議，均有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

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·綜述·

通訊作者謝瑞滿，E-mail: xie.ruiman@zs-hospital.sh.cn

中圖分類號(hào)R742. 5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A