转铁蛋白和转铁蛋白受体更新

发布时间:2019-05-28       作者:DDM       来源:临床实验室        浏览:4093       收藏: 0

1. 铁、生命和转铁蛋白

地球上最早的生物诞生于古老的海洋。那时水是热的和酸的,并含有高浓度的铁和硫离子。环境中存在极少的氧气;因此,早期的生物开始利用铁和硫合成铁硫簇,用于各种生物活动,包括呼吸。大约24亿年前,蓝藻(一种光合生物)的大规模繁殖发生,极大地改变了全球环境。大量氧气产生,大部分铁被氧化和沉淀在海底。因为有氧呼吸比无氧呼吸更有效地产生能量,所以好氧生物开始扩大;一个好氧生物碰巧进入厌氧生物,形成共生关系并产生第一个线粒体。然后,厌氧生物形成了一种能力,能够利用线粒体产生的ATP,并产生核膜以保护其遗传信息免受线粒体产生的活性氧物质(ROS)影响。真核生物就这样诞生了。


有些真核生物最终演变为多细胞生物,然后成为多细胞动物和脊椎动物。脊椎动物从小肠中吸收铁,并通过血管运送至体内的所有细胞。由于铁介导高毒性ROS的产生,所以脊椎动物产生了一种铁载体蛋白,即转铁蛋白(transferrin,Tf),可以将铁安全携带至循环中。Tf及其细胞受体已得到广泛研究,近期很多发现增加了我们对铁转运和氧化应激调节的认识。


本文更新并概述了我们对于哺乳动物Tf及其两种受体(TfR1和TfR2)的认识,主要关注其功能、表达和临床用途。


2. 转铁蛋白

所有脊椎动物都有功能性Tf或卵铁传递蛋白,其在爬行类和鸟类中具有铁结合及抗菌特性。人Tf是一种76kDa的糖蛋白,主要在肝脏中产生,在血清中的半衰期约为8天。Tf由N-和C-末端的两个叶片(lobe)组成;这些叶片具有很高的同源性,并通过短连接区连接。每个叶片可以不同的亲和力结合一种金属离子,如铁、镓、铝、锌或镉;因此,一个Tf分子可携带两个三价铁离子(Fe3+)。Fe3+与Tf之间的相互作用取决于pH,它在pH 7.4时与Tf高效结合,并在酸性pH下与Tf分离,比如在核内体中。人血清Tf的浓度约为200-300mg/dL,在肝功能障碍或炎症条件下浓度下降。血清中的大多数铁与Tf共存,血清Tf可以是非铁结合(脱铁-Tf)、单铁或双铁(全铁-Tf)形式。Tf饱和度(TSAT)用血清铁浓度除以总铁结合力来计算,反映血清Tf的浓度。TSAT低于20%表示铁缺乏,而TSAT高于50%表示铁超载。当TSAT超过80%-85%时,具有高毒性的非Tf结合铁(NTBI)出现于血清中,并导致器官损伤。


先天缺乏Tf的小鼠,如果不用外源性Tf治疗或输注红细胞,则会死于严重贫血。虽然具有严重的缺铁性贫血,但肝脏、肾脏、心脏、肾上腺和胰腺等非造血组织出现严重铁超载,表明这些组织中存在与Tf无关的铁摄取机制。


3. TfR1

3.1 TfR1介导的细胞铁摄取

Tf结合铁主要通过TfR1介导的机制进入需要铁调节的细胞。基本上所有脊椎动物都有TfR1。TfR1是一种97-kDa的2型膜蛋白,作为同源二聚体表达于细胞膜中。在细胞表面,全铁-Tf(holo-Tf)与TfR1结合,该复合物在网格蛋白介导的内吞作用下开始内在化。TfR1与Tf之间的相互作用取决于pH;在pH 7.4时,TfR1与铁饱和的全铁-Tf结合,但不与无铁的脱铁-Tf(apo-Tf)结合。相反,在核内体的较低pH下,TfR1与脱铁-Tf结合但不与全体-Tf结合。在核内体的酸性环境下,Fe3+与Tf分离。Fe3+在金属还原酶比如前列腺六次跨膜上皮抗原3(Steap3)的作用下转变为Fe2+,并经由二价金属离子转运蛋白1(DMT1)转运至胞质溶胶中。然后,核内体中的Tf/TfR1复合物转运至再循环内体的细胞表面,脱铁-Tf从细胞表面释放到血流中(图1)。因而,细胞通过Tf/TfR1系统有效地吸收血清铁,这个过程完成后TfR1和Tf被循环利用,进入细胞摄取铁的另一个周期(图1)。

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图1. 转铁蛋白受体1(TfR1)介导的转铁蛋白(Tf)和铁蛋白吸收。

(左)Tf吸收。在细胞表面,铁饱和的全铁-Tf与TfR1结合,该复合物通过网格蛋白介导的内吞作用内在化。在核内体的酸性环境下,Fe3+与Tf分离,并在金属还原酶比如前列腺六次跨膜上皮抗原3(STEAP3)的作用下还原为Fe2+,然后经由二价金属离子转运蛋白1(DMT1)转运至胞质溶胶中。核内体中的全铁-Tf/TfR1复合物转运至再循环内体的细胞表面,脱铁-Tf释放到血流中。STEAP3在有核红细胞中高表达并与TfR1相互作用,但不在淋巴细胞中高表达。(右)铁蛋白吸收的假设图示。铁蛋白是另一种TfR1配体。人胞质铁蛋白由24个H-和L-亚基以各种比率组成,但只有H-亚基可与TfR1相互作用。只有TfR1表达超过一定阈值水平的细胞,比如有核红细胞,才能通过TfR1吸收铁蛋白;因此,吸收铁蛋白复合物可能需要不止一个TfR1复合物。


3.2 TfR1表达的调节

由于TfR1是作为细胞吸收铁的受体,其表达受细胞铁状态的调控。在细胞铁缺乏状态下,TfR1表达升高,而在铁过量情况下,TfR1表达下降。快速增殖细胞和需能细胞,比如癌症细胞、破骨细胞和活化淋巴细胞,由于铁需求增加而导致TfR1高水平表达。有核红细胞需要大量铁进行血红蛋白合成,其TfR1表达水平也非常高(见表1)。

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TfR1的表达在转录和转录后水平都受到调节。缺氧反应元件(HRE)存在于该基因的启动子中。在缺氧或铁缺乏情况下,缺氧诱导因子(HIF-1α和HIF-2α)的表达升高,这些蛋白与TFRC启动子中的HRE结合,从而促进TFRC转录。在转录后水平,另一种复杂的机制被称为铁调节蛋白(IRP)-铁反应元件(IRE)系统,扮演着重要角色。转录后TFRC mRNA的3’-非翻译区(UTR)包含5个IRE。IRE是发夹环状结构,细胞内铁感应分子IRP1和IRP2可与其结合。在细胞内铁缺乏情况下,IRP与IRE结合以稳定TFRC mRNA并增强TfR1蛋白的表达。在铁过量情况下,IRP失去与IRE的相互作用;IRP1通过构象变化成为顺乌头酸酶,而IRP2在泛素化后降解,从而使TFRC mRNA不稳定和降解。值得注意的是,HRE存在于IRP1基因的启动子中;因此,缺氧和铁缺乏也使IRP1的表达在转录水平上得到增强,这进一步增强了TfR1的表达。因为一部分TfR1的细胞外结构域在脱落后释放到血液中,所以可溶性TfR1被广泛用作铁缺乏的生物标志物。


3.3 TfR1缺乏的动物模型

与Tf缺乏小鼠的非造血组织表现出铁超载相比,TfR1缺乏小鼠的造血和非造血组织均表现出铁缺乏。敲除小鼠的TfR1编码基因(tfrc)使其由于红细胞生成缺陷和神经系统异常而死于子宫中。肌肉中特异性缺乏TfR1的小鼠不仅显示肌肉铁缺乏,也显示脂肪组织和肝脏铁缺乏。肠上皮中tfrc基因被特异性灭活的小鼠表现出多效性影响,导致肠上皮细胞增殖和体内平衡的丧失,并诱导参与上皮-间质转化的基因表达;这些影响与铁摄取无关。心脏缺乏TfR1的小鼠较早死亡,并表现出心脏肥大、心功能差、线粒体呼吸失败和线粒体自噬无效。这种表型可以通过积极的铁疗法或通过给予NAD前体烟酰胺核糖苷来拯救。这些结果表明TfR1在细胞铁摄取和组织保护中起重要作用。


3.4 TFRC突变引起的先天性免疫缺陷

TfR1是哺乳动物发育必不可少的,Tfrc敲除小鼠显示胎死。然而,近期,发现了两个含有TFRC错义突变(Y20H)的家族。这一突变位于内在化基序并损害体外TfR1的内吞作用。具有这种突变纯合子的个体早年表现出腹泻、反复感染、低丙种球蛋白血症、周期性血小板减少症和轻度小红细胞性贫血。他们的外周淋巴细胞数量正常;但是,外周T细胞的功能严重受损,记忆B细胞数量减少,其产生抗体的能力受损,免疫球蛋白类别转换功能也受损。患者淋巴细胞和成纤维细胞的细胞膜中TfR1表达显著升高,反映了细胞铁缺乏,体外给予枸橼酸铁补充后患者淋巴细胞的受损功能恢复。存在这种突变的情况下,缺乏TfR1内在化导致有核红细胞铁缺乏。然而,目前仍不清楚如果有核红细胞无法通过TfR1吸收铁,那么具有这种突变的患者为何没有表现出严重贫血。


金属还原酶STEAP3,可与TfR1形成复合物,包含其细胞内结构域内吞作用必需的内在化基序(见图1)。因此,即使TfR1缺乏功能性内在化基序,TfR1/STEAP3复合物也可以内在化并根据需要将铁运送至细胞。由于STEAP3在有核红细胞而不是淋巴细胞中高表达,所以可以推测出具有这种突变纯合子的个体会表现出严重的免疫缺陷,但没有严重贫血。


3.5 另一种TfR1配体:铁蛋白

Tf是循环中的主要铁载体,而铁蛋白(ferritin)是细胞中的主要储铁蛋白。人胞质铁蛋白由24个H-和L-亚基以各种比率组成,形成一种笼状复合物。在胞质溶胶中,被称之为多聚胞嘧啶结合蛋白(poly-r(C)-binding protein)的伴侣蛋白,PCBP1和PCBP2,参与了从核内体到铁蛋白的铁运输。在进入铁蛋白的笼子之前,Fe2+在铁蛋白H-亚基的酶活性作用下被氧化成Fe3+。这个笼子可以安全储存多达4500个Fe3+离子。铁蛋白的表达受IRP调控,IRP与位于H-和L-亚基转录本的5’-UTR的IRE相互作用。在铁缺乏的情况下,IRP与IRE结合阻断翻译过程,预先存在的铁蛋白分子转移至溶酶体并通过一种特定的自我吞噬机制(被称之为铁自噬)降解。相反,在铁过量的情况下,IRP与IRE分离并且铁蛋白的翻译增加。


由于巨噬细胞吞噬衰老的红细胞并从中提取铁用于再循环,所以它们在系统性铁储存中起到中心作用。在铁过量的情况下,巨噬细胞合成大量铁蛋白且积极地分泌铁蛋白到循环中。因为血清铁蛋白的主要来源是巨噬细胞,而且血清铁蛋白水平反映了体内的铁储存状况,所以血清铁蛋白在临床上用作系统性铁状态的适宜标志物。


近期,Li等人证明了除了转铁蛋白,TfR1也可通过内吞作用介导细胞内铁蛋白摄取(见图1)。只有铁蛋白-H可与TfR1相互作用,铁蛋白-L不可以。铁蛋白-H均聚物(H-铁蛋白)与TfR1之间的相互作用,需要细胞表面的TfR1表达超过一定阈值水平。因而,摄取铁蛋白复合物(分子量大于470kDa)可能需要不止一个TfR1复合物。在血细胞中,有核红细胞,其TfR1表达水平非常高,可特异性吸收H-铁蛋白,而外周淋巴细胞和粒细胞则不能。H-铁蛋白通过内吞作用被吸收并转运至溶酶体进行降解。铁蛋白被这些细胞吸收后的生理学作用仍待阐明。然而,体外研究证明H-铁蛋白可抑制正常造血作用,并且通过调节树突细胞的功能来抑制免疫应答。因而,TfR1可与两种结构完全不同的铁载体蛋白即Tf和H-铁蛋白相互作用,并通过内吞作用将它们转运至细胞中。


4. TfR2

4.1 TfR2:另一种Tf受体

多年来,TfR1被认为是哺乳动物的唯一Tf受体。1999年,我们报道了另一种Tf受体,称之为TfR2,其一级结构与TfR1类似。人TfR2基因通过选择性启动子转录为至少两种异构体:全长型(α)和短型(β)。TfR2-α是一种2型膜蛋白,分子量为90-105kDa,选择性表达于肝细胞和红系前体细胞。相反,TfR2-β主要是胞质溶胶型,在各种细胞中低水平表达(表1)。TfR2-α的细胞外结构域与TfR1具有45%一致性和66%相似性。与TfR1类似,TfR2-α是一种糖蛋白并可在细胞膜中形成同源二聚体。体外实验表明TfR2-α像TfR1一样使细胞有效地吸收Tf结合铁。此外,TfR2-α以pH依赖性方式与Tf结合;TfR2-α在中性pH下以约为TfR1的1/25-1/30亲和力与全铁-Tf结合,并在酸性pH下与脱铁-Tf结合。人TfR2-α与人和牛Tf均可结合,而人TfR1具有物种特异性,无法与牛Tf结合。研究发现,表达外源性人TfR2-α的TfR缺乏中国仓鼠卵巢细胞,对铁螯合剂去铁敏具有抗性,并且与用空载体转染的细胞相比,在裸鼠中形成更大的肿瘤。


TfR1的表达随着铁超载而减少并且随着铁螯合作用而增加,但TfR2 mRNA的表达并未随着铁超载或铁螯合作用发生明显变化。TfR2启动子受转录因子刺激,比如C/EBP-α,其主要表达于髓细胞、肝细胞和脂肪细胞;GATA1,主要表达于早期红系细胞;和肝细胞核因子 4α。另外,TfR2-α蛋白被CD81下调,它与TfR2-α在脂筏中形成复合物并促使TfR2-α降解。相反,TfR2-α被全铁-Tf显著上调,它稳定了TfR2-α(见表1)。TfR2-α的这些复合物表达模式突出了一种可能性,即其主要功能不只有细胞铁摄取。


4.2 TfR2是肝脏铁感应机制的一部分

2000年,Camaschella等人报道了两个起源于西西里岛、含有TFR2基因突变(Y250X)的遗传性血色素沉着症家族。这种突变导致TfR2-α的一大部分细胞外结构域缺失。遗传性血色素沉着症是一种遗传性铁超载异常,有各种症状表现,包括皮肤色素沉着、肝功能障碍、糖尿病、甲状腺功能减退、性腺机能减退和心脏衰竭。彼时认为HFE是致病基因。人血色素沉着症蛋白(HFE),是表达于细胞膜的MHC I类分子;HFE与TfR1发生物理相互作用,降低Tf对TfR1的亲和力,并在内吞过程中与TfR1一起移动。后来证明TfR2与HFE在细胞膜中形成复合物。大多数遗传性血色素沉着症白人患者含有纯合性HFE C282Y突变;然而,Camaschella等人报道的含有TFR2基因突变的血色素沉着症家族并没有这种HFE突变。随后,很多含有各种TFR2突变的遗传性血色素沉着症家族被报道出来。但是,彼时尚不清楚HFE和TFR2突变通过何种机制导致系统性铁超载。


系统性铁稳态的中心调节蛋白是铁调素,其主要随着铁负载或炎症性刺激暴露从肝细胞中释放出来。在巨噬细胞、肝细胞和肠上皮细胞中,铁调素与哺乳动物细胞的唯一已知铁输出蛋白-膜铁转运蛋白(ferroportin)结合。膜铁转运蛋白与铁调素结合后,通过内吞作用内在化并在溶酶体中降解。在铁过量的情况下,肝窦上皮细胞分泌骨形态生成蛋白(BMP)-6。BMP6与肝细胞中的BMP受体(I和II型)和铁调素调节蛋白(BMPR/HJV)复合物相互作用,并通过SMAD蛋白的磷酸化作用开启对铁调素表达的细胞内信号传导。肝脏分泌的铁调素下调了肠上皮细胞中膜铁转运蛋白的表达,并使小肠铁吸收减少。相比之下,在铁缺乏条件下,铁调素表达减少,肠上皮细胞中的膜铁转运蛋白表达增加,铁吸收增加。因而,BMPR/HJV复合物是肝脏铁感应机制的核心,而铁调素在维持系统性铁稳态方面起到关键作用。


有些研究证明小鼠的Hfe或Tfr2敲除以及人的HFE或TFR2突变导致铁调素表达下调,铁调素异常低表达促使小肠铁吸收,导致系统性铁超载。HFE与TfR1在细胞膜发生物理相互作用,HFE与BMP I型受体ALK3相互作用以调节铁调素表达。因此,TfR2/HFE复合物连同BMPR/HJV复合物,似乎充当肝细胞中的铁感应分子并控制铁调素表达(见图2)。重要的是,这些分子中任一分子缺陷均可导致系统性铁超载。遗传性血色素沉着症目前被分为几种类型:1型由HFE突变导致;2A型由编码铁调素调节蛋白的HFE2突变导致;2B型由编码铁调素的HAMP突变导致;3型由TFR2突变导致;4型由编码膜铁转运蛋白的SLC40A1突变导致。Matriptase 2,一种由TMPRSS6编码的膜结合丝氨酸蛋白酶,通过分裂组成铁感应复合物的蛋白(包括TfR2)的细胞外结构域来调节铁调素表达。TMPRSS6的种系突变通过上调铁调素表达而导致铁剂难治性缺铁性贫血。


4.3 TfR2在红细胞生成中的作用

TfR2-α在肝细胞和红系前体细胞中均高水平表达。TfR2-α的表达高峰出现在红系细胞分化的早期,早于TfR1的表达高峰。在红系细胞中,TfR2-α与红细胞生成素(EPO)受体(EPOR)形成复合物(图2)。EPO通过支持正常红系前体细胞的存活,在红细胞生成中担当关键细胞因子。自然情况下,EPOR在红系前体细胞中高水平表达。Tfr2敲除小鼠的红系祖细胞对EPO的灵敏度下降,使循环EPO水平升高。人红系细胞中的TfR2敲减抑制EPOR运输至细胞表面。骨髓特异性Tfr2敲除小鼠随着铁剥夺(iron deprivation)表现出严重的小红细胞性贫血,但红细胞数量没有减少。虽然TfR2在红细胞生成中的具体作用尚未完全阐明,但这些发现表明TfR2可能通过与EPOR相互作用参与了红细胞数量的调节,特别是在铁限制性条件下(见图2)。

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图2. 转铁蛋白受体2(TfR2)的细胞类型依赖性功能。

(左)TfR2-α是肝细胞中铁感应机制的组成部分。TfR2-α与一种血色素沉着症蛋白HFE在脂筏中发生物理相互作用。在铁超载情况下,肝窦上皮细胞分泌BMP-6,其与骨形态生成蛋白(BMP)I及II型受体和铁调素调节蛋白复合物(BMPR/HJV)相互作用,通过SMAD蛋白的磷酸化作用,开启对系统性铁稳态的中心调节蛋白-铁调素表达的细胞内信号传导。磷酸化SMAD蛋白复合物转移至核,并与铁调素(HAMP)基因启动子中的BMP-反应元件结合。TfR2-α与铁饱和的全铁-Tf结合后变稳定,通过BMP/SMAD途径增强铁调素表达。CD81与TfR2-α相互作用,促使TfR2-α降解并增强铁调素表达。(右)TfR2是红系前体细胞中红细胞生成素(EPO)受体(EPOR)的搭档。TfR2-α与EPOR形成复合物,促使复合物运输至细胞表面。该复合物参与了红细胞生成并调节红细胞数量,尤其在铁限制性条件下。


4.4 TfR2促使铁运输至线粒体

被TfR1或TfR2介导的内吞作用吸收后,一大部分Tf结合铁前往铁需求量最高的细胞器-线粒体。线粒体是细胞呼吸的中心以及氧化磷酸化的主要部位。参与此过程的细胞色素C和酶,比如NADH-辅酶Q氧化还原酶(复合物I)和琥珀酸盐-Q氧化还原酶(复合物II),均使用铁作为主要辅因子。此外,线粒体利用铁来合成血红素和铁硫簇。在有核红细胞中,血红蛋白合成需要大量铁,丰富的铁应从核内体有效地转运至线粒体。然而,由DMT1从核内体输出的Fe2+离子在转运至线粒体的过程中可产生有毒性的ROS;因此,必须有一个安全而有效的途径将铁转运至线粒体。TfR2-α在有核红细胞的这个转运过程中起到一定作用。与全铁-Tf在细胞表面结合后,全铁-Tf/TfR2-α复合物通过内吞作用进入细胞,含有该复合物的核内体将被转移至溶酶体。线粒体靶向基序存在于TfR2-α的细胞内结构域;通过此基序,含有TfR2-α的溶酶体移向线粒体并与之发生物理相互作用来促进铁转移(见图3)。

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图3. 转铁蛋白受体2(TfR2)介导铁直接从溶酶体转运至线粒体的假设图示。功能性线粒体靶向基序存在于 TfR2-α的细胞内结构域。在细胞表面与全铁-Tf结合后,全铁-Tf/ TfR2复合物通过内吞作用进入细胞,含有该复合物的核内体被转移至溶酶体。在TfR2-α的线粒体靶向基序作用下,溶酶体移向线粒体并与之发生物理相互作用来促进铁转移。该机制在有核红细胞和神经元中得到证实。粘脂蛋白是溶酶体的铁输出蛋白,线粒体转铁蛋白是线粒体内膜中的铁转运蛋白。


据Mastroberardino等人报道,TfR2-α在神经元中也有相似功能。在大脑中,铁累积于黑质中,且TfR2在这一区域的多巴胺能神经元中高水平表达。研究发现转染了TfR2-α表达质粒的人细胞会吸收细胞外Tf结合铁,并将这种铁转运至线粒体。在多巴胺能神经元中Tf 和TfR2在某种程度上均与线粒体共存。另外,在由复合物I-抑制剂鱼藤酮诱导的帕金森病动物模型及帕金森病患者的大脑组织中,观察到多巴胺能神经元中的铁和氧化Tf显著增加。因而,Tf/TfR2系统在铁转运至多巴胺能神经元的线粒体的过程中似乎起到重要作用,并且由于该系统导致过多铁累积于线粒体中可能促使了帕金森病的形成。


4.5 TfR2-β的功能

与几乎仅表达于肝细胞和红系前体细胞的TfR2-α相比,TfR2-β在各种组织和细胞中均低水平表达,包括脾脏、心脏、大脑、肝脏、前列腺、髓细胞、T淋巴细胞和各种癌症细胞,比如成神经细胞瘤和结肠癌细胞。TfR2-β缺乏信号肽和跨膜结构域,因此被认为是一种胞质蛋白。TfR2-β蛋白的功能是未知的;但是,研究表明这种蛋白可能在巨噬细胞的铁稳态中起到重要作用。建立了一个特异性缺乏 Tfr2β的小鼠模型;这些小鼠的TSAT、肝脏铁浓度和铁调素水平均正常,但在早年出现短暂性贫血并在成年后其脾脏中有严重过量的铁累积。这些动物脾脏中的细胞铁输出蛋白-膜铁转运蛋白水平显著下降。巨噬细胞特异性 Tfr2缺失也导致外周巨噬细胞中的膜铁转运蛋白表达下降,但不影响系统性铁稳态。此外,Tfr2β缺乏使小鼠脾脏中的不成熟红细胞生成增加。总的来说,这些研究表明TfR2-β可通过抑制编码膜铁转运蛋白的SLC40A1基因的转录,针对性地控制脾脏的铁外排(iron efflux),并在控制巨噬细胞的铁稳态上起到关键作用。另外,TfR2-β在局部缺血/再灌注野生型小鼠的心脏中表达升高。Tfr2β缺失小鼠的心脏中铁蛋白-H、血红素加氧酶1和HIF-2-α表达升高使其免受这类损伤。TfR2-β靶向疗法可保护组织,可能是这类损伤的有效治疗方法。


5. Tf/TfR1系统的治疗用途

5.1 人脱铁-Tf的治疗用途

无转铁蛋白血症是一种非常罕见的遗传性疾病,表现为早发性及严重小红细胞性贫血和铁超载;这些表型表明了Tf在红细胞生成和铁稳态中的重要性。在无转铁蛋白血症(Atransferrinemia)或低转铁蛋白血症(hypotransferrinemia)患者以及此类疾病小鼠模型中观察到的铁超载,至少在一定程度上是由于肝脏中铁调素产生下调导致的,在肝脏中TfR2充当血浆全铁-Tf的感应分子。人Tf和含有Tf的新鲜冷冻血浆被成功用于改善这类疾病患者的贫血状况。在各种病理条件下比如无转铁蛋白血症、血色素沉着症、脊髓发育不良和组织缺血,以及某些治疗干预之后比如化疗和造血干细胞移植,循环中的NTBI(可导致器官损伤)均会升高。由于脱铁-Tf是可清除游离铁和潜在阻止宿主形成毒性ROS的内源性铁螯合剂,在这些情况下给予脱铁-Tf可具有组织保护作用。的确,肾缺血小鼠模型发现,腹膜内注射脱铁-Tf可减少循环中氧化还原活性铁的数量、阻止肾超氧化物形成和抑制肾功能下降。由氧过多诱导的早产高氧肺损伤兔子模型表明,气管内或静脉内注射脱铁-Tf可增加表面活性剂活性并降低肺泡-毛细血管渗透性。此外,局部给予Tf可以改善由缺血引起的脱髓鞘动物模型的症状,以及保护视网膜退化大鼠模型的视网膜功能,表明在这些疾病的发生过程中产生了铁诱导的ROS。脱铁-Tf还可以改善β-地中海贫血动物模型的贫血状况。地中海贫血是由球蛋白基因突变导致的一组遗传性贫血疾病,表现为骨髓中红细胞生成无效以及由于铁调素的不当低表达引起的铁超载。给予脱铁-Tf可增强铁调素表达,改善组织铁超载情况,提高有核红细胞去核效力,减小脾脏大小,降低平均红细胞容积,和改善贫血状况。虽然并不完全了解脱铁-Tf如何改善这些β-地中海贫血模型的贫血状况,但已证明脱铁-Tf可下调有核红细胞中的 TfR1表达,潜在减少可用于血红素合成的铁,限制α-球蛋白合成,纠正α和β球蛋白合成之间的平衡,减少α-球蛋白链沉积,以及提高红细胞生成。因而,给予脱铁-Tf可用于治疗β-地中海贫血。


5.2 TfR1靶向治疗

由于铁需求增加TfR1在癌症细胞中高水平表达,因此TfR1是癌症的潜在治疗靶标。体外实验和小鼠异种移植物模型表明,抗人TfR1单克隆抗体,通过干扰TfR1与Tf之间的相互作用,抑制成人T细胞白血病/淋巴瘤细胞的细胞生长。另外,抗TfR1抗体(ch128.1)对很多骨髓瘤异种移植物小鼠模型均有抗肿瘤效果。TfR1也可以作为传染性疾病的靶标,因为各种病原体均利用TfR1进入细胞。例如,某些新世界沙粒病毒(人类感染后产生威胁生命的出血热),利用TfR1进入宿主细胞。丙肝病毒也利用TfR1进入人肝细胞,TfR1敲除可抑制人肝细胞感染丙肝病毒。间日疟原虫是最广泛分布的人疟原虫,这种疟原虫进入网织红细胞需要TfR1。因而,各种病原体均利用TfR1,这些病原体与TfR1之间的相互作用成为治疗这些严重疾病的潜在靶标。


5.3 利用TfR1配体的给药系统

鉴于TfR1可介导细胞外分子的内吞作用,所以正通过靶定该受体来开发有效的给药系统。抗TfR1抗体、Tf结合物以及合成H-铁蛋白可经由TfR1介导的机制而被内吞。例如,已开发出了以TfR1为靶标的可变区单链片段,其具有灵活的药物偶联连接子;也正进行临床试验来评价这些结构对于癌症患者的安全性和功效,结果证明应用前景广阔。各种Tf结合物被用于药物和基因递送系统;其中,阿霉素与Tf结合对各种癌症细胞具有选择毒性。该系统可能对大脑肿瘤有效,因为TfR1表达于血脑屏障且通常在大脑肿瘤中过表达。由于Tf和H-铁蛋白可被 TfR1内吞,合成H-铁蛋白纳米笼也被用于递送各种药物,包括顺铂、阿霉素和奥拉帕尼,以治疗乳腺癌、结肠癌、胰腺癌和肺癌等癌症。由于细胞H-铁蛋白摄取需要TfR1表达超过一定阈值水平,所以H-铁蛋白纳米笼仅将药物递送至TfR1表达水平非常高的选定细胞,比如癌症细胞和有核红细胞。然而,需要谨慎使用这类 TfR1靶向给药系统,因为有核红细胞可能是这些治疗的主要靶标。


6. 结论

Tf/TfR系统在铁转运及其他依赖于组织和细胞类型的多效性功能中起到复杂而又关键的作用。然而,需要进一步研究来明确新鉴别的TfR1-配体-铁蛋白的生理作用;且TfR2-α和TfR2-β在红细胞生成和巨噬细胞中的功能仍需阐明。临床证明,脱铁-Tf能够防止氧化应激产生的组织损伤,因此可用于治疗β-地中海贫血患者。

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