铁调节蛋白1 (IRP1/ACO1)在疾病中的作用机制

Mechanism Action of Iron Regulatory Protein 1 (IRP1/ACO1) in Disease

摘要: 铁调节蛋白1 (IRP1/ACO1)是存在于细胞质中的双功能蛋白质，主要通过铁–硫开关机制来反应细胞溶质铁状态，在具有连接到其活性位点的铁–硫簇的活性细胞溶质乌头酸酶形式和结合铁反应元件的脱辅基蛋白形式之间交替，但不存在量的变化。相关研究表明铁调节蛋白1 (IRP1/ACO1)通过调控低氧诱导因子2α以及铁下垂等过程在多种疾病的发生发展进程中发挥重要作用。本文着重介绍了IRP1在肿瘤、神经退行性疾病、血液系统疾病中的作用，最后总结IRP1在医学中的潜在应用价值及未来前景。

Abstract: Iron regulatory protein 1 (IRP1/ACO1) is a bifunctional protein present in the cytoplasm that re-sponds to cytosolic iron status mainly through an iron-sulfur switching mechanism, alternating between an active cytosolic ubiquinone form with an iron-sulfur cluster attached to its active site and a decofactorized protein form that binds iron-responsive elements, but without quantitative changes. Related studies have shown that iron regulatory protein 1 (IRP1/ACO1) plays an im-portant role in the developmental process of several diseases by regulating processes such as hy-poxia-inducible factor 2α as well as iron sagging. This paper highlights the role of IRP1 in tumors, neurodegenerative diseases, and hematological disorders, and finally summarizes the potential applications of IRP1 in medicine and its future prospects.

1. 背景

铁含量动态平衡在机体中占据重要地位，包括：血红蛋白、肌红蛋白合成、含铁酶合成、自由基反应等；当铁含量超出正常范围均可能导致机体代谢紊乱，从而导致疾病的发生 [1] [2]。铁含量维持稳态主要依赖于铁调蛋白，包括铁调节蛋白1 (IRP1/ACO1)和铁调节蛋白2 (IRP2)。铁调节蛋白1 (IRP1)，又称为乌头酸酶1 (ACO1)，使一种对活性物质敏感的非氧化还原铁硫蛋白，含有一个[4Fe-4S]2+辅基 [3]。它是一种双功能蛋白，具有相互排斥的功能，可作为参与控制铁代谢的铁反应元件(IRE)结合蛋白或作为乌头酸酶在细胞质中发挥催化作用。特殊结构铁硫簇导致IRP1功能受到细胞内铁含量的影响，但仅存在质的改变，不存在量的变化 [4]。当细胞内铁含量充足时，发挥乌头酸酶作用，催化柠檬酸转化为异柠檬酸，进一步产生NADPH，其可维持谷胱甘肽还原状态 [5]；当细胞内铁缺乏或活性物质增加时，导致簇的分解产生apoIRP-1，即活性RNA结合形式，其作为铁调节蛋白，与参与铁调节的多种物质的mRNA非翻译区(UTRs)中的5’或3’UTR结合，维持细胞内铁稳态。当与5’-UTR结合时，IRP阻止mRNA (铁蛋白)的翻译，而与3’-UTR结合保护mRNA (转铁蛋白)不被降解 [6]。令人惊奇的发现是，IREs的5’-非翻译区(UTRs)中的结构基序也存在于编码线粒体顺乌头酸酶(ACO2)的mRNA中，这意味着在铁缺乏的条件下IPR1阻碍线粒体乌头酸酶的表达，从而使三羧酸循环受阻，进而影响能量供应 [7]。

目前IRP1与癌症之间的关系受到越来越多的关注。2013年亓等人发现维持中央蛋白质组的稳定性可能是成瘾癌基因通过各种信号通路维持癌细胞存活的主要机制，通过蛋白组学分析发现了17种短寿命蛋白质，其中包括铁调节蛋白1 (IRP1) [8]。随后研究发现多种肿瘤细胞中存在IRP1下调，进而抑制铁下垂使癌细胞免于死亡，包括肝癌、非小细胞肺癌、子宫内膜癌等 [9] [10] [11]；也可通过IRP1-HIF-2α轴参与多种血液学和肿瘤疾病，包括红细胞增多、胶质母细胞瘤、结肠直肠等 [12] [13]。除此以外，其可通过调节铁积累参与神经退行性疾病的进程 [14] [15]。以上研究表明IRP1参与机体多种疾病的进展过程。本文着重从IRP1-铁下垂、IRP1-HIF-2α轴、IRP1-铁积累和IRP1-转铁蛋白受体1 (TfR1)这四个方面分别阐述IRP1在疾病中的作用机制，表明IRP1在疾病发生发展中占有重要地位，通过调控其变化可能为多种疾病提供一种新的治疗方向。

2. IRP1与铁下垂

铁下垂是一种由过量铁依赖性脂质过氧化产物积累引起的程序性细胞死亡，在癌症中起着关键作用 [16]。据报道，铁下垂与多种肿瘤发病密切相关，包括肝癌、非小细胞肺癌、子宫内膜癌等。

2.1. 肝癌细胞

α-烯醇化酶1 (ENO1)是参与糖酵解过程中的2-磷酸甘油酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸盐的一种酶。研究人员从大肠杆菌的研究中发现ENO1作为RNA降解体的组成部分，参与RNA降解 [17]；近期通过对肝癌细胞研究，Zhang等人发现ENO1除参与糖酵解过程，同样参与RNA降解，其中最显著的是通过募集CNOT6加速癌细胞中IRP1 mRNA的降解，保护癌细胞免于铁下垂而发生死亡 [9]。该研究确立了ENO1-IRP1-Mfrn1与铁下垂之间的联系。诱导铁下垂为肝肿瘤的治疗提供了新思路。

2.2. 非小细胞肺癌(NSCLC)

肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因，分为两种类型：小细胞肺癌和非小细胞肺癌，后者约占所有病例的85% [18]。由于化疗药物耐药性，仍需要不断探索新的治疗方式。最新研究发现曲贝替丁在NSCLC细胞中通过HIF-1α/IRP1轴上调的TFR1诱导铁下垂 [10]。曲贝替丁作用于HIF-1α/IRP1轴，使TFR1升高，促进铁吸收；铁依赖性性活性氧(ROS)水平和脂质过氧化物升高 [19]，再加上GPX4下调共同导致铁下垂 [20]，从而杀死NSCLC细胞。依赖HIF-1α/IRP1轴上调的TFR1导致的铁下垂导致NSCLC细胞的死亡为非小细胞肺癌提供了一种新的治疗方法。

2.3. 子宫内膜癌(EC)

子宫内膜癌(EC)是我国高发的肿瘤，手术治疗仅针对早期子宫内膜癌患者，复发或转移患者的生存期较短。因此仍需要对子宫内膜癌进行研究。通过对来自癌症基因组图谱的系统分析，确定子宫内膜癌的铁下垂与IRP1有关 [11]；且对子宫内膜样腺癌标本进行免疫组织检测IRP1蛋白表达，研究人员发现子宫内膜样腺癌患者IRP1水平下降 [21]，但IRP1如何调节铁下垂仍需进一步研究。

3. HIF-2α-IRP1途径

HIF-2α (也称为内皮PAS结构域蛋白1，EPAS1)是一种缺氧诱导因子，由氧和铁调节的异二聚体转录因子。HIF-2α是Epo基因转录的主要调节因子，而HIF-2α mRNA翻译是IRP作用的直接靶点 [22]。

3.1. IRP1通过调节HIF-2α作用于红细胞生成和肺动脉高压

红细胞生成的关键因素包括氧和铁感应，特别是通过转录因子低氧诱导因子2α (HIF-2α)调节Epo表达 [23]。HIF-2α是Epo基因转录的主要调节因子，而HIF-2α mRNA翻译是IRP作用的直接靶点 [22]。2013年Ghosh等人对IRP1缺陷小鼠进行研究，发现Irp1^−/−的小鼠出现了肺动脉高压和红细胞增多症，且低铁饮食加剧了这种现象 [24]。由于IRP1缺失增强了肾组织中HIF-2α蛋白的表达，这导致红细胞生成素(erythropoietin, EPO)表达增加，从而出现红细胞增多症和伴随的组织铁缺乏；肺内皮细胞中HIF-2α表达的增加靶向诱导内皮素-1的表达，从而出现肺动脉高压 [25]。同年Anderson等人也对IRP1缺陷小鼠进行研究，IRP1^−/−小鼠出现红细胞增多表型、肾脏组织中HIF-2α mRNA减少但EPO异常增加、十二指肠中HIF-2α靶向的铁转运基因表达增强 [23]。此研究表明HIF-2α合成的控制是IRP1功能的主要方面，IRP1可放大HIF-2α积聚调节对氧的反应的影响 [23]。总而言之，小鼠体内实验证实了HIF-2α在调节红细胞生成和肺动脉高压中的中心作用，且强调了IRP1在控制HIF-2α表达中的重要性。令人惊奇的是，IRP1缺失导致的红细胞增多不仅发生在小鼠体内，同样的现象也发生在人类身上，由于IRP1缺失突变导致继发性的红细胞增多 [12]。

3.2. IRP1通过调节HIF-2α作用于肿瘤细胞

癌基因成瘾理论认为，尽管在个体癌症中存在遗传和表观遗传的差异，但中心致癌途径的破坏会导致不用类型肿瘤的生长抑制和可能的肿瘤消退 [26]。HIF-2α经常处于人类肿瘤的核心表达 [27] [28]，推断它可能是中枢蛋白质的组成之一，抑制其组成可能会抑制不同类型肿瘤的增长。通过对不同来源的肿瘤细胞(胶质母细胞瘤、结肠直肠、肺癌)沉默HIF-2α，发现其可通过酪氨酸激酶受体及下游的ERK1/2 or Akt通路可抑制不同类型癌症的增殖 [13]。同样HIF-2α通过增强cMyc活性和TGFα和细胞周期蛋白D1的表达促进VHL缺陷型肾透明细胞癌的增殖 [29] [30]；此外HIF-2α通过调节控制肿瘤细胞转移潜能的关键因子促进转移，例如E-钙粘蛋白、LOX、CXCR4和TWIST等 [31]；HIF-2α激活Oct4的表达，Oct4是调节干细胞维持的最重要转录因子之一。有趣的是，Oct4是HIF-2α的直接和选择性靶点 [32]。IRP1是HIF-2α的关键上游调节因子 [33]，通过IRP1-HIF-2α轴可调节HIF-2α变化。

IRP1-HIF-2α轴参与多种血液系统和肿瘤疾病进程中，其可能为调节多种血液学和肿瘤疾病中细胞对铁或氧水平改变的反应提供了新的治疗靶点。

4. IRP1与铁积累

铁含量动态平衡主要受铁调节蛋白(IRP1和IRP2)的转录后调节，在人大脑中主要是IRP1起作用 [34]。研究发现大脑中的铁积累被认为是神经退行性疾病的原因。

帕金森氏病(PD)是第二常见的运动神经退行性疾病 [14]，其重要的病理机制是黑质致密部(SN)铁稳态紊乱，包括多巴胺能神经元和胶质细胞 [35]。研究发现帕金森病患者脑组织的IRP1活性增加 [36]。IRP1水平升高一方面使线粒体乌头酸酶2 (ACO2)水平降低 [37]，进一步使三羧酸循环和ATP生产的失调导致能量不足 [38]；另一方面IRP1与具有铁反应元件的二价金属转运蛋白1 (DMT1)结合，促进DMT1 mRNA转录物表达，在6-OHDA中毒小鼠中发现IRP1和DMT1上调 [35]。帕金森病患者的尸检大脑显示几乎没有谷胱甘肽 [39]。这可能由于大脑中IRP1水平增加、ACO1含量降低，导致谷氨酸合成减少 [40]，进一步使细胞内谷胱甘肽合成减少 [41]，PD中谷胱甘肽水平的降低可能导致氧化应激，导致PD中的铁下垂，从而杀死SN中的多巴胺能神经元 [38]。类似地，亨廷顿舞蹈症(Huntington’s disease, HD)是一种常染色体显性神经退行性疾病 [42]，HD患者出现神经退行性脑区中的铁增加和IRP1升高 [15]。因此，调节IRP1维持铁稳态为神经退化性疾病的治疗提供新的思路。

5. IRP1-转铁蛋白受体1 (TfR1)

妊娠期血容量增加和生长发育加快对铁需求量增加，所以孕妇和新生儿较容易发生铁缺乏，从而导致生理功能紊乱，疾病发生。大量研究表明IRP1在胎盘铁转运中发挥关键作用 [43]。IRP1具有特殊结构[4Fe-4S]2+，当母体处于铁缺乏状态，改变其空间构型，参与铁调节的多种物质的mRNA非翻译区(UTRs)中的5’或3’UTR结合，当与5’-UTR结合时，IRP阻止mRNA (包括铁蛋白)的翻译，而与3’-UTR结合保护mRNA (转铁蛋白受体1，TfR1) [6]，所以在对不同程度缺铁性贫血产妇患者胎盘的检测中发现TfR1mRNA含量升高、抑制铁蛋白合成 [4]。

6. 总结与展望

IRP1参与多种疾病的发生发展。肿瘤细胞中IRP1下调，既可通过调节铁下垂，也可通过调控HIF-2α进而影响肿瘤进展。IRP1通过调控HIF-2α，进一步调节Epo表达，从而影响红细胞生成；且HIF-2α可靶向诱导肺内皮细胞内皮素-1的表达，导致肺动脉压力变化。神经退行性疾病中IRP1含量上调，使铁过载，进而导致线粒体乌头酸酶含量降低和能量生成减少；谷胱甘肽含量减低使机体内活性氧水平升高，诱导铁下垂，从而杀死神经元细胞。综上所述，IRP1参与多种疾病过程，其或许可以为多种疾病的治疗提供新的靶点和思路，值得我们进一步研究。

基金项目

山东省自然科学基金资助项目ZR2020MH224。

NOTES

^*通讯作者。