铁蛋白研究进展

铁蛋白研究进展

摘要

铁蛋白是广泛存在于生物体的铁贮藏蛋白,具有调节铁代谢平衡、抗氧化胁迫、消除部分重金属和有毒分子的毒害等功能.随着其结构和功能研究的深入,铁蛋白渐成为相关领域研究的热点之一.铁蛋白在基因研究、与疾病的关系、生物反应器、分离与纯化、含量测定方法、铁释放动力学、纳米材料和抗体制备等方面都有了很大的进展.

关键词:铁蛋白;功能;研究现状;转基因;疾病

铁蛋白(ferritin)于1937 年由Laufberge 从脊椎动物马的脾脏中纯化分离出来[1],具有耐稀酸p H = 2. 1、耐稀碱p H =12. 1和耐较高温度70～75 ℃不变性等特性[2].铁蛋白分子质量450 kD ,外形结构呈球形,由蛋白壳和铁核两部分组成.蛋白壳由24 个亚基组成高度对称性的结构,厚度约2～2. 5 nm ,外径11～13 nm ,内径8～9 nm.铁核位于蛋白壳中心,由数千氢氧化铁分子和数百磷酸盐分子组成非均匀的结构,直径约7～8 nm.哺乳动物铁蛋白由H 和L 两种亚基以不同比例组成,植物、原核生物以及非脊椎肝铁蛋白由相同亚基组成[2].动物铁蛋白大部分分布在肝、脾、骨髓、骨骼肌和肠粘膜中[3].植物中主要分布在低光合活性的非绿色质体如前质体、白色质体、有色体、造粉体以及种子、幼苗、根的顶部[4]和豆科植物年幼的根瘤中[5].目前有关铁蛋白的研究越来越多,本文简单介绍了铁蛋白的主要功能,对其国内外研究现状进行了详细的综述.

1 铁蛋白的主要功能

1. 1 调节铁代谢平衡

铁在细胞内的浓度需要严格控制[1],一方面,机体缺铁会引起很多生理上的变化,

也会引发某些疾病,最常见的是缺铁性贫血;另一方面,铁又不可过量,否则可发生铁中毒,引起胃肠道出血,大量铁积聚在肝脏等重要脏器,引起肝功能损害等疾病[3].铁蛋白主要在释放和储存上对铁代谢进行调控[1].当体内铁含量过高时,铁以Fe2 +的形式贮存于铁蛋白中[3],铁蛋白贮存铁的过程包括二价铁氧化、铁离子移动和矿质铁心的形成和生长[6].在出血或其他需要铁的情况下,贮存的铁可以释放,参与造血或其他含铁化合物的合成[3]

1. 2 抗氧化胁迫

过量铁会导致氧化性胁迫,称为Fenton 反应( Fe2+ + H2O2→Fe3+ + OH - + ·OH) .二价铁能活化H2O2,形成羟自由基( ·OH) ,它具有很强的氧化能力,能改变细胞的成分,导致细胞完整性的损失,甚至导致细胞死亡.铁蛋白通过截获细胞间铁,从而阻止铁参与Fenton反应,避免产生具有很强活性的·OH,从而保护细胞免受因各种环境胁迫而导致的细胞氧化性损伤[1].

1. 3 消除部分重金属和一些有毒分子的毒害

铁蛋白不仅可捕获各种重金属和劳氏紫等有机小分子[7],也适合于捕获有机磷农药[8].除上述功能外,铁蛋白在体外还有吸氢及直接从金属电极上接受电子等功能[9].

2 铁蛋白基因研究现状

2. 1 植物铁蛋白基因研究

由于植物性食物的铁含量低,且存在吸收率低的问题,使得人类铁营养主要依耐于动物食品.在以谷物等食物为主要来源的人们中,尤其是发展中国家存在严重的缺铁问题[1].近年来铁蛋白基因作为提高植物铁含量的候选基因而倍受关注[10],原因是: (1)铁蛋白贮存铁的能力高于其它蛋白; (2)铁蛋白由特殊酶亚基形成,无需导入任何其它基因诱导产生翻译产物; (3)铁蛋白在单、双子叶植物中都存在; (4)铁蛋白中铁以生物可以利用形式存在.克隆其基因并导入经济作物,实现稳定而高效的表达,将会提高植物的铁营养成分.

植物中有关铁结合蛋白基因的分离和克隆已涉及大豆、豌豆、豇豆、苜蓿、玉米、油菜、拟南芥、马铃薯、兰花等植物[1].迄今,运用转基因技术将外源铁蛋白基

因导入经济作物中已有许多成功报道. Goto 等[11]将由35S启动子驱动的大豆铁蛋白基因,通过农杆菌转入莴苣后,发现含铁量明显提高.据报道[12],日本东京大学的专家用中介体把大豆基因注入水稻中,发现这种稻米的含铁量十分丰富,每天食用200 g左右就可满足人体需要的铁.

2. 2 动物铁蛋白基因研究

动物转基因技术相对于植物转基因技术而言转化效率低、操作困难,目前动物铁蛋白的研究主要集中在基因的分离和克隆上.易新元等[13]利用未成熟卵免疫的兔血清筛选日本血吸虫铁蛋白cDNA 文库获得日本血吸虫铁蛋白基因. Min2Sun等[14]从腹蛙输卵管cDNA 文库中克隆了两个铁蛋白重链,均表现出较高的同源性.

在转基因方面的研究则较少,袁鑫等[15]根据GenBank日本血吸虫铁蛋白基因的序列设计 1 对特异性引物,利用PCR 从cDNA 文库中扩增该基因,获得转化植株,表明该基因可在油菜中正确表达.

2. 3 微生物铁蛋白基因研究

目前国内有关微生物铁蛋白基因的研究很少,国外相对多一些.细菌中已经发现三种特征铁蛋白: (1)典型铁蛋白( Ft-nA) ,在真核生物( H 链)中也有发现; (2)血包含细菌铁蛋白(Bf r) , 广泛存在于细菌中; (3) DNA 结合铁蛋白(Dp s) ,存在于细菌和古细菌中[16]. Andrews等[17]发现E. col i铁蛋白基因由474 bp 的碱基组成,其顺序编码一种158 个氨基酸的多肽.

3 铁蛋白与疾病的研究现状

3. 1 心脑血管疾病

随着经济的迅猛发展和人们生活方式的改变,心脑血管疾病已成为威胁人们健康的头号杀手.自1981 年Sullivan 提出铁假说以来,铁贮藏量与心脑血管疾病的关系已成为大量讨论的论题[18 ,19].许多研究表明,血清铁蛋白(Serum ferritin , SF)与动脉粥样硬化、冠心病、急性脑梗死等心脑血管疾病的形成有关.大多数研究用SF 水平评估铁假说,未来的研究是辨别铁蛋白水平升高究竟是病因,还是疾病过程副产物[19].

3. 2 肝脏疾病

肝脏是体内铁代谢的重要器官,当肝细胞内铁过度沉着,会引起肝细胞受损、肝硬化乃至肝癌. SF含量的检测能够反映肝脏的载铁量,许多研究已经证实了这一点.刘俊峰等[20]选择确诊肝炎、肝硬化各30 例,原发性肝癌11 例,测定SF 含量,结果说明其不受体内铁贮存状态影响,与肝细胞损伤程度密切相关,能真实反映肝脏功能状况.赵花等[21]对肝炎患者与健康者的SF检测对照进行比较,得到的结论是肝炎患者定期测定SF 含量,可协助临床医生及时观察肝脏受损程度,降低肝硬化和肝肿瘤的发生率.

3. 3 肿瘤

肿瘤标志物检测是近年研究较多的肿瘤诊断方法. Ricolleau等[22]在寻找乳腺癌相关的新型生物标志物时,发现铁蛋白或许可以作为乳腺癌的诊断性标志物.李静等[23]对45 例初发期急性白血病(acute leukemia , AL) 、30 例完全缓解期AL 及15例复发期AL ,15 例难治性AL 患者进行了SF的检测,发现SF水平随着病情控制逐渐降低,复发后再次升高.

3. 4 2 型糖尿病

2004 年,美国哈佛大学[24]公布了一个有关体内铁含量与Ⅱ型糖尿病发病关系的前瞻性研究,提示铁代谢异常可能在Ⅱ型糖尿病发病中有重要作用.目前Ⅱ型糖尿病的发病机制尚未明确,铁超负荷可能是通过胰岛素抵抗途径参与糖尿病的发生,也可能只是Ⅱ型糖尿病发病众多因素之一.若能确认铁蛋白增加是糖尿病的一个重要的生物标志,在Ⅱ型糖尿病众多的环境因素和遗传背景中,铁蛋白就可能作为一个潜在的新的候选诊断指标[25].

3. 5 缺铁性贫血

目前,缺铁性贫血以妇女、学龄前儿童和老人最严重[1].已有较多文献报道了对孕妇贫血的研究,并公认SF 水平能较好反映体内铁储备状态.张红岩等[26]对240 例妊娠期妇女不同孕期SF含量进行测定,结果显示SF的含量随孕期增长而降低,测定妊娠期SF可以确定孕妇有无缺铁性贫血,以及时补充铁剂,预防和治疗孕妇贫血.

3. 6 其他疾病

除上述疾病外,还有研究显示铁蛋白水平异常与艾滋病、代谢综合征、成人斯蒂尔病、早产、胸水等相关[27 - 31].