張 麗,張連峰

(中國醫(yī)學科學院實驗動物研究所北京協(xié)和醫(yī)學院比較醫(yī)學中心,衛(wèi)生部人類疾病比較醫(yī)學重點實驗室,北京 100021)

綜述與專論

Hepcidin研究進展

張 麗,張連峰

(中國醫(yī)學科學院實驗動物研究所北京協(xié)和醫(yī)學院比較醫(yī)學中心,衛(wèi)生部人類疾病比較醫(yī)學重點實驗室,北京 100021)

Hepcidin是肝臟特異性表達的一種小分子抗菌肽,是鐵代謝的負調(diào)節(jié)激素。與炎癥性貧血、遺傳性血色沉著病等疾病的發(fā)病機制密切相關。證據(jù)顯示,Hepcidin直接抑制腸上皮細胞鐵吸收和誘導單核巨噬細胞鐵滯留。同時,Hepcidin還具有廣譜抗菌活性,與固有免疫密切相關。鐵超載、感染、炎癥及細胞因子可誘導 Hepcidin表達,而貧血和缺氧則抑制其表達。Hepcidin的發(fā)現(xiàn)及其相關的鐵離子運輸機制的研究,將為鐵離子吸收及分配的鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)和炎癥性貧血、遺傳性血色沉著病中的鐵代謝障礙的分子機制探索開辟新的途徑。本文就 Hepcidin的分子特征、表達調(diào)控及生物學功能等方面研究進展進行綜述。

鐵代謝;固有免疫;激素;調(diào)控;心臟

Hepcidin是 2000年發(fā)現(xiàn)的由肝臟特異表達的小分子防御性抗菌肽,但后來的研究表明其不僅具有廣譜抗菌活性,而且還參與調(diào)節(jié)鐵吸收,目前被認為是維持鐵穩(wěn)態(tài)極其重要的負調(diào)節(jié)激素[1]。實驗表明,Hepcidin具有抑制小腸對鐵的吸收和可能促進鐵在網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)中滯留等作用,介導血色素沉著病、慢性病貧血等多種鐵代謝紊亂性疾病,但其作用機制仍停留于假說階段,迄今為止也還未找到Hepcidin的受體。因此,Hepcidin功能與作用機制的研究已成為當前鐵代謝及相關疾病研究領域中的熱點問題之一。本文就 Hepcidin的分子生物學功能、作用機制及最新的研究進展進行綜述。

1 Hepcidin的分子生物學特征

除小鼠外,Hepcidin基因在人和其他動物只有一個拷貝,人 Hepcidin基因定位于 19號染色體(19q13.1),由三個外顯子和兩個內(nèi)含子組成[2,3]。Hepcidin基因 5′端與上游刺激因子 2基因(Upstream stimulatory factor 2,USF2)緊密相連,兩者之間只有 1.24 kb的間隔,且在此間隔片段中存在著轉錄因子 CAAT增強子結合蛋白(CAAT enhancer binding protein,C/EBP)、核因子-KB(NF-kB)和肝細胞核因子 (Hepatic nuclear factor,HNF)的結合位點[3]。

人類 Hepcidin的合成主要是在肝臟中,首先產(chǎn)生一個 84個氨基酸殘基組成的早期多肽,在 Gly24和 Ser25間酶切位點處酶切,去掉 24個氨基酸殘基組成的信號肽,最終形成含 60個氨基酸殘基組成的前體肽。轉運進入血液的前體肽被前肽轉化酶(Propeptide convertase,PC)在其 N端不同位點處酶切,可形成具有生物活性的多種小分子多肽[4]。在人尿液中可檢測到三種成熟的 Hepc分子,分別為25個氨基酸(Hepc25)、22個氨基酸 (Hepc22)和 20個氨基酸小肽 (Hepc20),其中 20和 25個氨基酸的多肽是 Hepcidin的主要存在形式,二者的濃度較高(一般可達 10～30μg/L),且體外抗微生物活性最強。Hepc20在溶液中通常以單體形式存在,而Hepc25則是以多聚體的形式存在,這一性質(zhì)或許說明這兩種小分子肽有著不同的生物活性[5]。

小鼠有兩個 Hepc基因 (Hepcl和 Hepc2),均定位于 7號染色體,cDNA長 1654 bp,94%序列完全相同[6]。小鼠 Hepcl基因與人 Hepc基因序列 76%完全相同,而 Hepc2基因與人 Hepc基因序列 58%相同。小鼠 Hepcl和 Hepc2前體蛋白均由 83個氨基酸殘基組成,89%序列完全相同。成熟 Hepcl和Hepc2蛋白由 25個氨基酸殘基組成,兩者 68%序列相同,但 8個半胱氨酸殘基的位點高度保守。雖然 Hepcl和 Hepc2高度相似,但是轉基因小鼠實驗表明,二者在調(diào)節(jié)鐵代謝功能上有較大差異[7]。

2 Hepcid in的激素活性

Hepcidin的合成可以為飲食中的鐵或者肝臟中鐵增加所誘導。Hepcidin缺失的 USF2敲除小鼠肝、胰、心臟出現(xiàn)鐵超載,最終導致肝臟、胰腺和脾臟鐵離子沉積引起血色沉著病,表明 Hepcidin控制腸鐵離子吸收和鐵離子在單核巨噬細胞的滯留[6,8,9]。Roetto等[10]鑒定出 Hepcidin基因突變導致人類兩個家系患有嚴重的血色沉著病。Hepc1基因過表達小鼠一出生就患有嚴重的幼年血色沉著病,表明胎兒 Hepc1抑制鐵離子自胎盤向發(fā)育中的胎兒運輸[9],綜上,Hepc1是小腸和胎盤鐵離子運輸?shù)恼{(diào)節(jié)因子,它可以誘導脾臟巨噬細胞內(nèi)鐵離子滯留,參與來自老化紅細胞的鐵離子再循環(huán),Hepcidin作為一種鐵調(diào)激素在機體鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)控方面發(fā)揮著至關重要的作用[11]。

3 Hepcid in表達調(diào)控

肝臟是 Hepcidin的主要合成場所,心臟、脊髓、肺也有少量的表達,但前列腺、睪丸、卵巢、小腸、結腸和膀胱幾乎沒有表達[4,12]。小鼠 Hepcl和 Hepc2基因同樣高水平表達于肝細胞,但 Hepc2在胰腺的表達水平相對而言更高,其它組織無表達或表達水平很低,二者表達具有組織差異性[13],提示它們可能具有不同的生物學功能。

3.1 鐵超載、感染及炎癥誘導 Hepcidin表達

機體鐵負荷增加誘導 Hepcidin表達水平升高另外,Hepcidin的表達不僅受機體鐵儲備調(diào)節(jié),飲食鐵也可誘導 Hepcidin表達[6,14,15]。

各種細菌、真菌、原生動物等引起的感染均可誘導小鼠或病人肝臟 Hepcidin表達水平的上調(diào),松節(jié)油、脂多糖、弗氏完全佐劑等致炎物質(zhì)均可顯著上調(diào)肝細胞 Hepcidin mRNA的表達,抑制網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞內(nèi)鐵的釋放,減少消化道對鐵的吸收,從而降低血清鐵水平[16-18]。Hoppe等[19]首次報道,男性患者心臟手術術后急性期應急反應引起血鐵過少癥,血清中的 Hepcidin和 Hepcidin前體肽的濃度上調(diào)。

3.2 貧血、機體缺鐵及缺氧下調(diào) Hepcidin的表達

當機體處于貧血和缺氧狀態(tài)時可顯著降低Hepcidin的表達以及增加對鐵的吸收作用,鐵從巨噬細胞釋放增加,從而使更多的鐵用于紅系造血,貧血和缺氧下調(diào) Hepcidin表達可能是通過細胞生成素 (Erythropoietin,EPO)介導的[5,12,16]。

3.3 發(fā)育對肝臟 Hepcid in表達的調(diào)控

研究發(fā)現(xiàn),鼠肝 Hepcidin mRNA水平在整個胚鼠發(fā)育過程中均處于 Northern Blot方法檢測水平以下,僅在出生時出現(xiàn)快速、短暫而較強的表達,此后明顯下調(diào),成年后又高水平表達[17,20]。這可能與出生后突然的高氧環(huán)境顯著誘導 Hepcidin表達有關,也可能是分娩應激反應產(chǎn)生的大量細胞因子通過C/EBP等信號轉導途徑誘導 Hepc表達。出生后Hepc表達又重新下調(diào)至低水平,這可能有利于新生兒腸道鐵的吸收。另外,成人肝細胞 Hepcidin基因的表達水平是各種人類肝細胞瘤細胞株表達水平的142倍,表明 Hepcidin的基因表達也可能與肝細胞本身的分化狀況相關[18]。

3.4 肝細胞 Hepcidin表達的調(diào)節(jié)因子和重要激活分子

在 HFE變異相關的血色病和 HFE缺乏的鼠中, Hepcidin基因表達是降低的,說明 HFE是 Hepcidin基因表達的一個調(diào)節(jié)因子[21]。在最近的一個關于肝臟 Hepcidin表達調(diào)節(jié)的模型中,發(fā)現(xiàn)肝細胞表面的HFE蛋白與高鐵轉鐵蛋白競爭與肝細胞表面的轉鐵蛋白受體結合,未結合的肝細胞表面的 HFE蛋白可增加肝臟 Hepcidin的表達和釋放[22]。

USF2敲除小鼠 Hepcidin表達缺失,并引起肝、胰、心臟出現(xiàn)鐵超載,最終導致鐵離子沉積引起血色沉著病[8],可見 USF2對 Hepcidin的表達有某種調(diào)節(jié)作用。Bayele[23]通過定點突變發(fā)現(xiàn)轉錄調(diào)節(jié)因子USF1/USF2及 c-Myc/Max順式或者反式協(xié)同調(diào)節(jié) Hepcidin的表達從而與鐵代謝相關。最新研究發(fā)現(xiàn),USF2通過調(diào)節(jié) Hepcidin的表達對于膽道閉鎖的病理進程有促進作用[24]。人和小鼠 Hepc基因5′上游序列中均存在轉錄因子 C/EBP,HNF等的結合元件。研究表明 C/EBP可顯著增強人和小鼠Hepc基因啟動子活性[20],而 HNF4a(肝細胞核因子4)不能誘導 Hepc基因啟動子活性。

4 Hepcidin的作用機制

在人體,小腸是吸收鐵的唯一部位,肝臟和網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)是鐵儲存的主要部位,而利用鐵的主要部位是骨髓。人體存在著嚴格的鐵代謝調(diào)節(jié)機制,可以確保體內(nèi)鐵始終處于正常生理水平。這種機體鐵穩(wěn)態(tài)關鍵依賴于小腸鐵吸收與機體鐵需求之間的平衡。當機體缺鐵時,小腸鐵吸收會相應增加;而機體鐵含量太高時,小腸則會減少鐵吸收。Hepcidin通過結合到鐵轉運蛋白上調(diào)節(jié)大的鐵離子流動、誘導內(nèi)化和溶酶體降解。Hepcidin通過對鐵的代謝兩個重要途徑即鐵在十二指腸上皮細胞的吸收過程和鐵在巨噬細胞重吸收利用中產(chǎn)生影響而改變鐵的代謝[22,25]。Hepcidin第二個可能的作用是影響胞內(nèi)鐵離子吸收。其間接作用可以為腸細胞、巨噬細胞或肝細胞內(nèi)鐵離子濃度升高所激活[26,27]。

此外,Frazer等[21]在失血導致紅系增生與腸道鐵吸收有滯后期機理的研究中發(fā)現(xiàn),肝細胞Hepcidin表達的降低在紅系增生 3 d后出現(xiàn),同時十二 指腸二 價金屬轉 運 體 (divalent metal transporter1,DMT1)、鐵調(diào)節(jié)轉運體 1(Iregl)增加,認為延遲反應主要由 Hepcidin引起,并且 Hepcidin對骨髓成熟紅細胞有直接作用。由于研究的深入,部分學者認為關鍵的鐵感受器不是位于腸道,而是存在于肝、骨髓以及其他的組織,如果不斷有新的證據(jù)出現(xiàn),則原有的十二指腸轉運體模型就可能需要更正。

5 Hepcid in是機體天然免疫的一種效應分子

Hepcidin基因序列和結構在物種間高度保守,其蛋白結構在不同物種間也高度保守,均具有 8個半胱氨酸殘基形成的 4個二硫鍵,類似抗菌肽的特征結構——胱氨酸結,是 Hepcidin發(fā)揮輔助抗菌作用的結構基礎。Hepcidin體外可抑制大腸埃希菌、表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌、B群鏈球菌、白假絲酵母和曲霉的生長繁殖,是人體“天然免疫”重要效應分子。體內(nèi)鐵的平衡與機體免疫力密切相關,過量的鐵會損傷機體免疫力,使機體易受需鐵細菌感染。Hepcidin通過下調(diào)腸吸收,下調(diào)網(wǎng)狀內(nèi)皮組織釋放從而有效降低血清鐵,抑制病原體對鐵的攝取,成為宿主防御病原體的重要機制之一。鐵超載患者和小鼠對一些細胞內(nèi)和血液病原體更易感,甚至只是增加適度的鐵攝入就減少宿主對感染的抵抗力[28,29]。研究發(fā)現(xiàn) Hepcidin在固有免疫中通過對鐵代謝的調(diào)節(jié)而起作用,Hepcidin是引起鐵代謝紊亂的主要原因,其具體細節(jié)還需進一步的研究[30]。

6 Hepcid in在心臟中的表達調(diào)節(jié)及作用

鐵負荷增加和心臟疾病諸如舒張功能障礙、心率不齊及擴張型心肌病存在聯(lián)系。心肌缺血可導致心臟鐵蛋白含量上升,增加程度和缺血程度相關。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)心肌鐵含量上升和心臟疾病之間存在聯(lián)系,但是對于心臟鐵代謝的調(diào)節(jié)卻了解很少。

Hepcidin在大鼠心臟中有表達,分布在心肌細胞的閏盤區(qū)域,并且免疫活性[31]。心臟中 Hepcidin的表達受到調(diào)節(jié)以對低氧和炎癥等產(chǎn)生應答。和肝臟相反,心臟中 Hepcidin的表達應答低氧時顯著上調(diào)。心臟 Hepcidin的表達主要起到局部的作用,以這個假設為前提,心臟中 Hepcidin的表達上調(diào)可能解釋先前報道的缺血相關的鐵蛋白含量增加的現(xiàn)象。

7 展望

Hepcidin是負責調(diào)控鐵離子循環(huán)再利用和鐵穩(wěn)態(tài)的一種激素。Hepcidin可能自類似于昆蟲的脂肪體(肝臟)內(nèi)表達的一種抗菌肽演變而來,和昆蟲內(nèi)抗菌肽的合成一樣,感染和炎癥可誘導 Hepcidin合成。如宿主防御最初誘導合成 IL-6,而 IL-6可誘導Hepcidin合成,從而抑制巨噬細胞鐵離子循環(huán)利用并很快導致血鐵過少癥。Hepcidin過表達作為炎癥引發(fā)的貧血的重要病理指標,而 Hepcidin缺乏則導致多數(shù)家族性血色沉著病和無效性紅血球生成性貧血伴隨鐵離子吸收增加。Hepcidin在維持鐵離子穩(wěn)態(tài)及相關疾病中的重要作用表明血漿及尿中Hepcidin的化驗分析對于鐵離子類疾病的診斷和檢測將十分有用。開發(fā)出 Hepcidin的藥理學激動肽和拮抗劑對于該類疾病的治療將具有重要價值。最新研究表明,鐵離子調(diào)節(jié)多肽 Hepcidin在心臟中也有表達,是一種內(nèi)在的心臟調(diào)節(jié)激素,與心臟局部鐵代謝相關,而且它的表達同樣受到低氧和炎癥的調(diào)節(jié)。未來的研究應該重視 Hepcidin的表達在心臟中的病理作用和其在心臟疾病中的意義。

[1] Fleming RE,Sly WS. Hepcidin:a putativeiron-regulatory hormone relevant to hereditary hemochromatosis and the anemia of chronic disease[J].Proc Natl Acad Sci USA,2001,98(15): 8160-8162.

[2] Krause A,Neitz S,Magert HJ,et a1.LEAP-1,a novel highly disulfide bonded human peptide。exhibits antimicrobial activity [J].FEBS Lett,2000,480:147-150.

[3] Park CH,Valore EV,Waring AJ,et a1.Hepcidin,a urinary antimicrobial peptide synthesized in the liver[J].Biol Chem, 2001,276:7806-78l0.

[4] Hunter HN,Fulton DB,Ganz T,et al.The solution structure of human hepcidin,a peptide hormone with antimicrobial activity that is involved in iron uptake and hereditary hemochromatosis [J].B IO Chem,2002,277(40):376597-376603.

[5] Nicolas G,Viatte L,Bennoun M,et al.Hepcidin,a new iron regulatory peptide[J].Blood CellsMol Dis,,2002,29(3):327 -333.

[6] Pigeon C,llyin G,Courselaud B,et al.A new mouse liver specific gene, encoding a protein homologous to human antimicmbial peptide hepcidin,is over-expressed during iron overload[J].J Biol Chem,2001,276:7811-7819.

[7] Lou DQ,Nicolas G,Lesbordes JC,et al.Functional differences between hepcidin 1 and 2 in transgenic mice[J].Blood,2004, 103(7):2816-2821.

[8] Nicolas G,BennounM,Devaux I,et al.Lack of hepcidin gene expression and severe tissue iron overload in upstream stimulatory factor 2(USF2)knockoutmice[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2001,98(15):8780-8785.

[9] Nicolas G,BennounM,Porteu A,et al.Severe iron deficiency anemia in transgenicmice expressing liver hepcidin[J].ProcNatl Acad SciUSA,2002,99(7):4596-4601.

[10] Roetto A, Papanikolaou G, Politou M, etal. Mutant antimicrobial peptide hepcidin is associated with severe juvenile hemochromatosis[J].Nat Genet,2003,33(1):21-22.

[11] Rivera S,Nemeth E,Gabayan V,et al.Synthetic hepcidin causes rapid dose-dependent hypoferremia and is concentrated in ferroportin-containing organs[J].Blood,2005,106(6):2196-2199.

[12] Weinstein DA,Roy CN,Fleming MD,et a1.Inappropriate expression of hepcidin is associated with iron refractory anemia: implication for the anemia of chronic disease[J].Blood,2002, 100(10):3776-3781.

[13] Ilyin G,Courselaud B,TroadecMB,et al.Comparative analysis ofmouse hepcidin 1 and 2 genes:evidence for different patterns of expression and co-inducibility during iron overload[J].FEBS Lett,2003,542(1-3):22-26.

[14] SousaM,Reimao R,Lacerda R,et al. Iron overload inβ2-microglobulin-deficientmice[J]. Immunology,1994,39(2): 105-111.

[15] SantosM,Clevers H,de Sousa M,et al.Adaptive response of iron absorption to anemia, increased erythropoiesis, iron deficiency,and iron loading in beta2-microglobulin knockout mice[J].Blood,1998,91:3059-3065.

[16] Nicolas G,Chauvet C,Viatte L,et a1.The gene encoding the iron regulatory peptide hepcidin is regulated by anemia,hypoxia and inflammation[J].J Clin Invest,2002,110(7):1037-1044.

[17] Nemeth E,Valore EV,Territo M,et a1.Hepcidin,a putative mediator of anemia of inflammation,is a type II acute-phase protein[J].Blood,2003,101(7):2461-2463.

[18] Anderson GJ,Fraser DM,W ilkins SJ,et a1.Relationship between intestinal iron-transporter,hepatic hepcidin levels and the control of iron absorption[J].Biocheml Soc Trans,2002,30 (4):724-726.

[19] Hoppe M,Lonnerdal B, HossainB, etal. Hepcidin, interleukin-6 and hematological iron markers in males before andafter heart surgery[J].J NutrBiochem,2009,20(1):11-16.

[20] Courselaud B,Pigeon C,Inoue Y,et a1.C/EBPa regulates hepatic transcription of hepeidin,an antimicrobial peptide an d regulator of iron metabolism[J].Biol Chem,2002,277(43): 41163-41170.

[21] Darshan D,Anderson GJ. Interacting signals in the control of hepcidin expression[J].Biometals,2009,22(1):77-87.

[22] FraserDM.Anderson GJ.The orchestration of body iron intake: how and where do enterocytes receive their cues[J]?Blood Cells MolDis,2003,30(3):288-297.

[23] Bayele HK,McArdle H,Srai SK.Cis and trans regulation of hepcidin expression by upstream stimulatory factor[J].Blood, 2006,108(13):4237-4245.

[24] Huang YH,Huang CC,Chuang JH,et al.Upstream stimulatory factor 2 is implicated in the progression of biliary atresia by regulation of hepcidin expression[J].J Pediatr Surg,2008,43 (11):2016-2023.

[25] Nemeth E,Tuttle MS,Powelson J,et al.Hepcidin regulates cellular iron efflux by binding to ferroportin and inducing its internalization[J].Science,2004,306:2090-2093.

[26] Knutson MD,Oukka M,Koss LM,et al. Iron release from macrophages after erythrophagocytosis is up-regulated by ferroportin 1 overexpression and down-regulated by hepcidin[J]. Proc NatlAcad SciUSA,2005,102:1324-1328.

[27] Ganz T.Hepcidin and its rolein regulating systemiciron metabolis m[J].Hematology,2006,507(1):29-35.

[28] Singh PK,Parsek MR,Greenberg EP,et al.A component of innate immunity prevents bacterial biofilm development[J]. Nature,2002,417(6888):552-555.

[29] Collins HL.The role of iron in infections with intracellular bacteria[J]. ImmunolLett,2003,85(2):193-195.

[30] Means RT Jr.Hepcidin and anaemia[J].Blood Rev,2004,18 (4):219-225.

[31] UtaM,Evelyn F,Sven GG,et al.The iron regulatory peptide hepcidin is expressed in the heart and regulated by hypoxia and inflammation[J].Endocrinology,2007,148(6):2663-2668.

The Advance on Hepcidin Research

ZHANGLi,ZHANGLian-feng

(KeyLaboratory of Human Disease ComparativeMedicine,Ministry of Heath, Institute ofLaboratoryAnimal Science,Chinese Academy ofMedical Sciences&ComparativeMedical Center, PekingUnionMedical College,Beijing 100021,China)

Hepcidin,a s mall antimicrobial peptide synthesized predominantly in the liver,is the presumed negative regulator of iron homeostasis and plays a most significant role in the etiopathogenesis of the hemochromatosis and, as recently shown,anemia in chronic inflammatory diseases.Many evidences demonstrate that hepcidin directly controls the intestinal uptake of iron and leads to the iron retention within monocytes/macrophages.Meanwhile,hepcidin displays a broad spectrum of antibiotic activity against a variety of bacteria,viruses,fungi,and protozoa,being crucial in the innate immune response. Its expression is induced in iron overload,infection,and inflammation,and by some cytokines,and suppressed in hypoxia and anemia.The discovery of hepcidin and its role in the regulation of iron transport has provided a molecular explanation of the homeostatic regulation of iron absorption and distribution,and of itsmalfunction in hereditary hemochromatosis and anemia of inflammation.The current review summarizes the related research advances of hepcidin in molecular characteristics,expression regulation and biological function.

Iron metabolism;Innate immunology;Hormone;Regulation;Heart

R-33

A

1671-7856(2010)01-0052-05

2009-03-19

張麗,博士生,研究方向:心肌病發(fā)病機制。

張連峰。E-mail:zhanglf@mail.cnilas.org