肾脏与铁代谢-part1

???? 铁对于多种生理过程至关重要，包括氧气运输，酶活性和能量代谢

???? 体内铁平衡通过独特的全身和细胞调节得以维持

???? 铁失衡与许多病理过程相关

???? 在过去的三十年中，铁失衡和铁介导的细胞毒性紊乱已被认为是肾损伤的原因和后果

铁参与许多生物过程，对于生命必不可少

分布

???? 大部分铁存在于含血红素的氧气转运和储存蛋白中

        ◾ 血红蛋白

        ◾ 肌红蛋白

        ◾ 少量铁存在于酶和其他蛋白质中

????  大多数非血红素铁(成年男性约1g)以铁蛋白(Ft)或含铁血黄素的形式储存在巨噬细胞和肝细胞中

???? 极少量与循环血清转铁蛋白(Tf)结合

????图示人体铁分布

存在形式

???? 在人体中以铁(Fe(III))和亚铁(Fe(II))为主要形式????

???? 通过形成铁-硫(Fe-S)clusters和血红素来发挥其各种功能

    ???? Fe–S clusters由线粒体中的三价铁组装而成，并通过特定的机制整合到线粒体和细胞质中的Fe–S蛋白中发挥功能????

????图示Fe/S蛋白组装及其细胞功能的简化概述

    ???? 血红素通过复杂的生物合成途径形成。最后一步是在线粒体中与亚铁原卟啉IX结合????

????图示哺乳动物血红素的生物合成途径。该图显示了从5-氨基乙酰丙酸酯(ALA)到血红素的合成途径中的酶促步骤和中间体的结构。线粒体中发生的步骤在虚线框内，框外的步骤存在于细胞质中

功能

Fe-S clusters和血红素均作为电子传输链复合物的成分，通过氧化磷酸化参与能量产生的过程

???? 含Fe–S clusters的功能

    ???? 参与核糖体调节，RNA硫醇化，催化生化过程(例如三羧酸循环) 以及细胞内铁代谢的调节

???? 血红素的功能

    ???? 在红细胞和肌肉中分别以血红蛋白和肌红蛋白的形式促进了氧的运输

    ???? 其他功能包括作为细胞色素P450酶的组成部分促进酶促反应，昼夜节律控制，信号转导和气体感应

02组织铁代谢和调节

人体的铁供应依赖于饮食摄入

铁的代谢

???? 肠道(见????图)

???? 表达在肠上皮细胞管腔侧细胞膜上的十二指肠细胞色素b(Dcytb，也称为细胞色素b还原酶1)将Fe(III)还原为Fe(II) 

➡ Fe(II)通过二价金属转运蛋白1(DMT1，也称为SLC11A2)转运到肠细胞中 & 动物模型研究表明，血红素铁也可以通过血红素携带蛋白1(HCP1)和/或血红素转运蛋白HRG1(也称为SLC48A1)被肠细胞吸收 

➡ Fe(II)通过血红素加氧酶1(HO1)活性释放到细胞质中 

➡ 细胞质中的Fe(II)通过铁转运蛋白(FPN，也称为SLC40A1)穿过肠细胞的基底外侧膜转运到循环系统中，铁转运蛋白是唯一已知的哺乳动物细胞铁输出蛋白 

➡ 输出的Fe(II)被肝素氧化，形成Fe(III)，与循环的Tf结合

???? 在健康个体中，铁的Tf饱和度约为30％

???? 理论上，当超过Tf的铁结合能力且铁与其他载体松散结合时，在系统性铁过载的情况下会形成非转铁蛋白结合铁(NTBI)

???? 网状内皮系统的巨噬细胞在衰老的RBC的循环中起关键作用，血红蛋白中存在的铁被有效地再利用(见????图)

???? 吞噬的红细胞通过与溶酶体融合而降解，产生血红素 

➡ 血红素被HRG1从吞噬溶酶体中转运出 

➡ HO1将细胞质中的血红素分解代谢为Fe(II)

➡ 铁可存储在Ft复合物中或由FPN转运出细胞并由铜蓝蛋白(CP)氧化偶联至Tf

铁的调节因素

???? 铁调素是由HAMP编码的25个氨基酸的肽激素，为全身铁平衡的关键调节剂

???? 主要由肝脏中的肝细胞产生，在肾脏、脑和心脏等器官中也能检出少量

???? 分泌到循环中后，铁调素被肾小球迅速滤过，随后被近端小管重吸收????

????图示双重染色显示hepcidin和megalin共同表达于近端小管顶端的内吞小泡，提示hepcidin通过megalin介导的内吞作用在近端小管中被重吸收

???? 循环铁调素与其在肠细胞和巨噬细胞上的靶蛋白FPN的结合导致泛素化作用使铁调素-FPN复合物内在化和降解

???? 铁调素抑制了肠道上皮中铁的吸收，并阻止了巨噬细胞中释放出铁，导致循环铁含量降低

????图示由肝脏分泌的铁调素通过诱导FPN降解，来控制铁从肠细胞吸收和巨噬细胞进入循环

左图示高铁和炎症刺激铁调素的转录，以防止铁超载

右图示缺铁和促红细胞生成素抑制铁调素的转录，从而为促红细胞生成和其他身体需求提供充足的铁

???? 铁调素的合成受多种信号通路控制(见????图)

① 铁储存是铁调素转录的重要正调节剂

◾ 肝脏内皮细胞增加组织铁的储存并产生骨形态发生蛋白6(BMP6) 

➡ BMP6与其共受体haemojuvelin(HJV)结合 

➡ 激活肝细胞膜上的BMP受体复合物，包括BMP1型受体(激活素受体1型，ACVR1或骨形态发生蛋白受体1A，BMPR1A)和BMP2型受体(激活素受体2型，ACVR2A或骨形态发生蛋白受体，BMPR2) 

➡ SMAD途径活化 

➡ 激活hepcidin基因翻译

◾ 由于在生理条件下肝内皮细胞中BMP2比BMP6丰富，而BMP6是铁诱导的，BMP2可能是生理条件下参与铁调素调节的主要BMP种类，而BMP6则可能参与了铁含量高时的铁调素调节

② 循环铁水平的升高积极调节铁调素的合成，以防止铁超负荷

◾ 高浓度的循环转铁蛋白结合铁(TBI)导致HFE的结合从TfR1转变为TfR2 

➡ 通过与HJV和ALK3相互作用激活BMP–SMAD途径

◾ 敲除肝细胞TfR1会导致高铁调素水平

③ Hepcidin的合成也受到炎症刺激的影响

◾ IL-6与IL-6受体(IL-6R)的结合导致Janus激酶(JAK)的激活 

➡ 促进形成信号转导子和转录激活子3(STAT3)复合物 

➡ 通过HAMP启动子上的STAT3反应元件激活铁调素合成

◾ IL-1β通过BMP‒SMAD途径和通过CCAAT增强子结合蛋白δ(C/EBPδ)的激活

◾ 激活素B通过BMP‒SMAD途径与铁调素合成增强相关

④ 抑制铁调素的合成

◾ 跨膜蛋白酶Matriptase 2已被证明在这种抑制作用中起着作用

◾ 缺氧会刺激促红细胞生成素(EPO)的产生，其抑制铁调素的合成，从而使铁可用于促红细胞生成

⑤ 许多因素和临床状况通过尚未了解的分子机制影响铁调素水平

◾ 包括睾丸激素和雌激素，生长因子，肝素，维生素D，慢性肝病，酒精滥用和慢性丙型肝炎感染

???? HIF是α/β异二聚体转录因子，在适应缺氧方面具有重要作用

???? 在正常的氧气条件下，脯氨酰羟化酶域酶(PHD)将HIFα上的两个脯氨酸残基羟基化

➡ 与von Hippel-Lindau E3泛素连接酶复合物相互作用 

➡ HIF-α亚基通过蛋白酶体途径降解(见????图)

???? 在缺氧或铁耗竭的条件下，脯氨酸残基的羟基化被抑制 

➡ α-亚基与β-亚基的稳定性增加和异二聚化 

➡ HIF异二聚体易位至细胞核并调节多种基因，参与全身铁平衡，细胞铁平衡和促红细胞生成(见????图)

???? HIF1：参与基因的调控，这些基因在血管生成，糖酵解代谢，细胞凋亡，细胞应激和其他主要生物学过程中起作用

???? HIF2：调节EPO的产生，肠铁摄取，铁运输和通过铁调素依赖性和非依赖性途径的铁使用

03细胞铁代谢和调节

???? 细胞铁代谢的多个途径

① 与转铁蛋白受体1(TfR1)结合后，转铁蛋白结合铁(TBI)的细胞摄取通过内涵体途径 

➡ 在内涵体中，在pH值介于5.5至6.5的范围内，进行酸化(内涵体膜中的H+-ATPase质子泵)将铁从Tf释放，并还原为Fe(II) 

➡ Fe(II)通过二价金属转运蛋白DMT1，锌转运蛋白ZIP14和/或锌转运蛋白ZIP8转运到细胞质

② 细胞还可以吸收血红素形式的铁

细胞可以通过多种受体吸收自由循环的血红素，如CD163，过低密度脂蛋白受体相关蛋白1( LRP1或CD91)，猫白血病病毒C亚群受体相关蛋白2(FLVCR2)等 

➡ 胞质血红素被HO1分解为一氧化碳，biliverdin和Fe(II) 

➡ 通过FLVCR1α或ATP结合转运蛋白G超家族2(ABCG2)排出细胞，或通过FLVCR1β转运到线粒体

???? 调节

???? 细胞内铁的浓度由铁反应元件(IRE)‒铁调节蛋白(IRP)系统严格控制(见????图)

◾ 铁缺乏时，促进铁蛋白和TfR1 mRNA非翻译区处IRP与同源IRE的结合 

➡ 抑制铁蛋白mRNA翻译并稳定TfR1 mRNA，防止内切核酸降解

◾ 铁增加时，IRP不与IRE结合 

➡ 促进铁蛋白mRNA翻译和TfR1 mRNA降解

???? HIF蛋白参与细胞内铁处理中涉及基因的转录

03肾脏对铁代谢和调节的影响

???? 在肾脏中已经鉴定出许多涉及细胞铁处理的转运蛋白和调节途径，各个肾节段之间存在明显的差异????

????表示参与肾脏铁代谢的蛋白质

???? 在生理条件下

    ???? 肾小球滤过有限的转铁蛋白结合铁(TBI) ，大都被肾小管重吸收

    ???? 估计在生理条件下肾小球铁滤过率约为每天10–30μg。但是，该值可能被低估了，因为它没有考虑到Tf在远端小管中重新吸收的可能性

    ???? 尿中铁含量约为1-3μg

????图示肾脏在生理条件下铁的处理

① 在肾小球中，结合转铁蛋白的铁(TBI)通过转铁蛋白受体1(TfR1)进入肾小球系膜细胞和内皮细胞，对于进入足细胞，尚未确定转运蛋白

② 在肾小球系膜细胞中，细胞内铁可以存储在由铁蛋白重链(FtH)和铁蛋白轻链(FtL)组成的铁蛋白复合物中。系膜细胞中也存在铁调节的其他成分，包括铁调节蛋白1(IRP1)和血红素加氧酶1(HO1)

③ 在肾小球内皮细胞中，已经证明了TBI的内吞摄取，可能涉及二价金属转运蛋白1(DMT1)，且铁转运可能通过铁转运蛋白(FPN)。内皮细胞中还表达在EPO合成调节中起作用的IRP1和HIF2α

④ 足细胞通过megalin-cubilin复合物的内吞作用吸收血红蛋白，并在铁蛋白复合物中存储细胞内铁

⑤ 近端和远端小管上皮细胞通过TfR1介导的内吞作用从管腔侧重吸收TBI。二价铁(Fe(II))通过DMT1、锌转运蛋白ZIP8和/或ZIP14转运到细胞质中。这些转运蛋白还可以直接以非转铁蛋白结合铁(NTBI)的形式吸收管腔侧膜上的Fe(II)。

朊病毒蛋白(PrPc)在近端小管上皮细胞的管腔侧起亚铁还原酶的作用。远端小管上皮细胞表达的亚铁还原酶的身份仍然不清。

近端小管上皮细胞也通过megalin-cubilin复合物吸收Hb和TBI，而远端小管上皮细胞则利用中性粒细胞明胶酶相关的脂蛋白受体(NGALR，也称为SLC22A17)吸收Hb和TBI。

小管上皮细胞中血红素代谢的机制尚未确定。近端和远端肾小管上皮细胞均含有HO1进行血红素分解代谢，并含有铁蛋白复合物以存储铁。然而，只有近端小管上皮细胞在基底膜上表达FPN输出铁，通过循环铁调素来抑制。远端上皮细胞表达HIF1α，参与EPO合成，并能够合成铁调素。远端上皮细胞产生铁调素的功能仍不清楚

????肾脏中存在的两种重要的铁调节机制：IRP‒IRE系统和HIF调节系统

① IRP1和IRP2均在肾脏中表达，而IRP1在近端小管中高度表达。IRP1和IRP2与肾脏中Ft，TfR1和/或FPN的调节相关

② HIF1α在肾小管细胞中表达，而HIF2α则局限于肾内皮细胞和间质细胞

???? 在缺氧条件下，HIF2α会驱动肾间质成纤维样细胞中EPO的产生。该过程可以被IRP1抑制

???? HIFs对参与肾脏细胞铁处理的蛋白质调控的贡献尚待确定 

???? 铁是生命中必不可少的基本元素

???? 体内微妙的生理铁平衡通过全身和细胞两大机制进行调节

???? 肾脏对铁平衡的维持起到关键性作用