铁对基因表达的调控

铁对基因表达的调控

摘要：铁作为动物生长发育及生产所需要的重要营养成分,既可作为代谢过程的底物和辅助因子,又可对许多编码基因的表达进行直接或间接的调控,本文综述了铁对基因表达的调控方式及途径,介绍铁对部分基因表达的主要影响。

关键词：铁；基因表达；调控

各种营养物质作为外部因子与基因表达相互作用,它们的关系表现在两个方面:一方面养分的摄入量影响基因表达;另一方面基因表达的结果影响养分的代谢途径和代谢效率,并决定动物的营养需要量。随着分子生物学理论和技术的快速发展,微量元素铁调控基因表达的方式、途径、机制得以不断揭示,其重要性得到了重视。

1铁的生理功能

铁对动物有多种功能，主要表现在：铁是构成血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素和多种氧化酶的重要成分，作为氧的载体，保证体组织内氧的正常输送；血红蛋白中的铁对于维持机体每个器官和每种组织的正常生理作用是不可缺少的；铁在胎盘中是以转铁蛋白的形式存在；以乳铁蛋白的形式存在于哺乳动物乳汁-胰液-泪液及白细胞胞浆；以铁蛋白和血红素形式存在于肝中；在禽卵和爬行类卵蛋白中存在的卵转铁蛋白；并且铁也是构成机体内许多代谢酶的活性成分，如：铁硫蛋白、细胞色素、细胞色素氧化酶、过氧化物酶等；铁与某些酶的活性有密切的关系，如乙酰辅酶A，琥珀酸脱氢酶，黄嘌呤氧化酶，细胞色素还原酶，是激活这些碳水化合物代谢酶的不可缺少的活化因子[1]。在细胞生物氧化过程中发挥着重要作用。现代研究证明：铁与能量代谢密切相关，因为三羧循环中有一半以上的酶和因子含铁或者只有铁存在时才能发挥其生化作用，完成生理功能#铁还影响动物体内的蛋白质合成和免疫机能。

缺铁或铁的利用不良，将导致氧的运输、贮存，二氧化碳的运输及氧化还原等代谢过程紊乱，影响生长发育甚至发生贫血等各种疾病。机体若贮铁或摄铁不足，或因寄生虫感染缺铁，或红细胞分解速度大于合成速度则出现缺铁性贫血，贫血可发生于生长的任何阶段,需要人工补铁。

2铁对基因表达调控的主要机制

2.1在转录水平上的调控

基因表达是指动物体内的DNA转录成几股信使RNA(mRNA),再以mRNA为模板合成蛋白质的过程.基因的表达要受到转录水平,转录后、mRNA翻译、翻译后等过程的调节[2]。.研究表明,营养物质在每一步都可对基因的表达产生影响,但主要是在转录水平的调控,这种调控的主要内容是对RNA聚合酶活性及正确起始位点的调节,这种调节主要是由DNA分子上所谓的启动子部位来完成,这一部位可与RNA聚合酶Ⅱ以及许多转录因子相结合.启动子位于同一条DNA 链上结构基因5′侧翼区上游,被称为顺式作用元件,通常位于距转录起始点40-200碱基对的位置.反式作用元件是由那些影响转录的其他基因所产生的因子,主要包括一些蛋白质或肽类激素,类固醇-受体蛋白复合物,维生素-受体蛋白质,矿物质或矿物质-蛋白质复合物。

2.2 RNA转录后水平的调控

基因表达的转录后调控是控制许多基因表达的第二阶段,主要包括:①mRNA前体(hmRNA)加工成熟的调节,即加帽,加尾,剪接,碱基修饰和编辑等,②mRNA稳定性的调节,与DNA和其他RNA相比,mRNA的半衰期非常短.如果mRNA的半衰期缩短或延长,可影响蛋白质合成的量,通过调节某些mRNA的稳定性(由mRNA合成速度和降解速度共同决定)使蛋白质合成量受到一定程度的控制.

2.3 mRNA翻译的调控

研究表明,经过转录后加工的RNA只有5 %离开细胞核,离开细胞核的mRNA并不是都是翻译成蛋白质,细胞质中存的成熟mRNA有3条去路:一是被激活并翻译成相应的蛋白质,二是被钝化以非翻译的形式存在,三是被降解.在真核生物中mRNA不但包含可翻译序列,为蛋白质的编码序列,而且也包含非翻译序列,它位于编码区的5′和3′末段,分别叫5′和3′非翻译区(UTR).许多营养素或激素都可与5′或3′UTR调节互作来实现基因表达的调节.如铁对转铁蛋白受体及铁蛋白基因的调控,硒对含硒蛋白基因调控等.

2.4翻译后水平的调控

对于一些特殊蛋白质还要经过翻译后修饰,才能转化为活性蛋白,如凝血酶原蛋白质的激活需要Ca2+和其他一些凝血酶因子.

3铁对基因表达的调控[3]

铁在动物体内主要以Fe3+或Fe2+形式存在,是组成血红素、细胞色素及许多酶的必需成分.目前,对基因表达调控的典型代表是转铁蛋白和铁蛋白, Bremner等(1990)报道,铁通过控制RNA的稳定性和翻译来调节转铁蛋白和铁蛋白的水平.Mcknight等(1980)在肉鸡试验中发现,日粮中缺铁将导致血液中转铁蛋白含量迅速增加,肝脏中转铁蛋白的基因mRNA含量增加到正常水平的2. 5倍;当饲料中补铁后,转铁蛋白基因的mRNA含量和转铁蛋白基因的含量在3 d内恢复到正常水平,鸡肝脏中的贮存量也同时增加.研究证明,由于铁缺乏引起的转铁蛋白基因表达的加强,是通过提高转录水平来实现的.铁对铁蛋白基因表达的调控与对转铁蛋白基因表达控制不同,当铁存在时,它能与反应要素结合,导致暴露翻译起始位点,使细胞中很快合成铁蛋白,而且铁的含量越高,铁蛋白基因的表达就越强,当铁的供给不足,起始位点被铁反应要素覆盖,铁蛋白的合成就快速停止[4][5]。

铁对基因表达的调控比较复杂，在对铁代谢相关蛋白基因表达的调节中，IRE-IRP依赖型转录后调控模式是最重要的一种调控机制。TfR1和DMT1( +IRE)mRNA 3'端非翻译区含有IRE，而铁蛋白和eALASmRNA 5端非翻译区也含有IRE，通过铁调节蛋白，这些不同基因对细胞中铁浓度变化作出应答反应，产生统一的调节。此外，有些受铁调节的基因，其mRNA 上不含有IRE，如TfR2, DMT1 ( -IRE ),SFT和hepcidin ,所以铁对这些基因表达的调控不遵循I RE-旧尸型调控模式。下面具体阐明介绍铁对基因表达的IRE-IRP依赖型转录后调控模式。

铁调节蛋白(IRP)可作用于靶基因上的IRE，进而调节基因表达。铁调节蛋白有两种，IRP-1和IRP-2,前者起主要作用。IRP-1是一种存在于胞浆中的顺乌头酸酶，当细胞铁充足时，IRP-1含有一个[4Fe-4S]簇结构，并与3个半肤氨酸残基结合，此时IRP-1具有顺乌头

酸酶活性，不能结合IRE，即无铁调节蛋白活性;当细胞内铁缺乏时，IRP-1则失去[4Fe-4S]簇结构，形成无铁一硫簇的脱辅基蛋白，此时无顺乌头酸酶活性，却具有铁调节蛋白活性，可与IRE结合。无铁硫簇时，可使蛋白构象发生变化，使IRP-1暴露IRE结合位点。

铁浓度变化对基因表达的调节机制:在铁缺乏的情况下，IRP就会结合到DMT1(+IRE)和TfR1 mRNA的3’非翻译区的IRE上，以便保护mRNA，防止被核糖核酸酶降解，从而使mRNA 的稳定性增强、增加由 mRNA翻译成蛋白的数量，即DMT1(IRE)和TfR1数量增加，小肠吸收上皮细胞对食物中铁的吸收增加，外周组织需铁细胞对铁的摄入增加;在铁充足的情况下，由于IRP形成铁一硫簇结构，失去了与IRE结合能力，因此IRP就会从DMT1 (+IRE)和TfR 1 mRNA上离开，mRNA就会被核糖核酸酶降解，从而降低了mRNA的翻译，降低了DMT1 (+IRE)和TfR1的合成，最终降低了机体对铁的吸收和细胞对铁的摄入。应该指出的是，上述铁对TfR1 mRNA表达的调控机制只适用于非红细胞，而红细胞内铁水平对红细胞中TfR1 mRNA的表达无重要影响。红细胞分化时TfR1表达是在转录水平向上调节，铁反应元件和铁调节蛋白反馈机制不参与TfR1表达的调控，而是其它的转录因子促进分化时期TfRi基因的高转录速率。同时应该指出的是，肝脏在维持机体铁稳态中有其特殊作用，不同铁状态下肝细胞中DMT1和Tf R的表达与一般细胞不同。铁过量情况下，肝脏是最先受累也是铁蓄积最重的一个器官，虽然肝细胞TfRi的表达下降，但肝细胞对铁的摄取仍不断增加，这时起作用的主要是TfR2和DMT1 (-IRE)。

铁浓度的变化也会对铁蛋白和eALAS基因的表达产生影响。在铁缺乏的情况下，IRP就会结合到铁蛋白基因mRNA5’端非翻译区的IRE上，阻止mRNA与核糖体结合，因而抑制翻译的起动，从而减少铁蛋白的表达，减少铁的贮存。进一步铁缺乏时，IRP也会以同样的方式结合到eALAS基因mRNA 5’端非翻译区的IRE上，减少eALAS基因的表达血红素合成下降。在铁充足的情况下，IRP就会从mRNA离开并启动这两种mRNA的翻译，使eALAS表达增加，血红素合成增加，红细胞系铁的利用增加。铁蛋白也增加，并增加铁的贮存。

4铁对基因表达的主要影响

细胞利用多种顺式作用RNA元件(IRE)和一种或两种反式作用蛋白(IRF)来调节与细胞内铁代谢有关的两种基因,即调节编码铁蛋白(ferritinFn)的mRNA翻译和编码运铁蛋白受体(transferrin receptor TfR)的mRNA降解。研究发现,运铁蛋白受体(transferrin receptorTfR)的mRNA3′端不译区具有5份不完全一样的铁反应元件(IRE)。IRE和一种铁反应因子(IRF)结合,使mRNA趋于稳定。当加入铁离子则IRF失活,运铁蛋白受体mRNA降解(Dix 等,1993)。而铁蛋白(ferritin Fn)的mRNA5′端有28个核苷酸的IRE,其中3处各有1-2个核苷酸可以配对。此IRE的5′和3′侧翼也各有3个核苷酸可以配对。IRE和一种IRE 结合蛋白(IRF)相互作用。无铁离子时,不能翻译;有铁离子或血红素时,IRE结合蛋白降解,翻译得以进行。破坏IRE5′和3′侧翼3对碱基,降低铁离子的调节能力;3对碱基恢复配对,可回到野生型的调节水平;增加配对碱基数并不提高调节能力(Dowd等,1994)[6]。IRF是一种分子量为98 kDa的蛋白质,480-623氨基酸残基片段有RNA特异结合位点。人与大鼠的IRF 有92%的一致性,与其它种属(猪等)比较也有至少32%的保守片段。而IRF具有双重功能和共调节作用,其双重功能是指基因表达调控功能与顺乌头酸酶催化功能。结构上IRF的化学本质是脱辅基的顺乌头酸酶,该酶在线粒体中催化柠檬酸转变为异柠檬酸(在胞浆中该酶作用不详)。IRF的构型和功能由所结合的[Fe-S]簇中Fe含量决定。当细胞内铁含量充足时,形成[4Fe-4S],IRF具有酶活性而无RNA结合活性;铁含量下降时,转为[3Fe-4S],IRF分子变构失去酶活性而具有RNA结合活性。IRF的共调节作用是指IRF对铁蛋白mRNA和运铁蛋白受体mRNA同时进行作用相反的调节。当细胞内铁耗竭时,IRF结合铁蛋白mRNA5′端非翻译区

IRE,形成有效抑制转录子翻译起始的高度稳定的茎环结构,使原来为翻译正调元件的区域变为翻译负调元件。同时,IRF结合运铁蛋白受体mRNA3′端IRE,增加其转录子稳定性,减缓mR-NA降解(Felicia等,1987;Guo等,1994;Hinneb-usch,1990) [7][8][9]。此外,还发现了一种分子量为105 kDa的IRF2,有抑制铁蛋白翻译的活性,没有顺乌头酸酶活性,这个IRF2需要更为深入的研究(Kimel等,1992) [10]。

5受铁调节的基因的结构和功能

5.1转铁蛋白受体

转铁蛋白受体(transferrin receptor, TfR)有两种，转铁蛋白受体, ( TfR1)和转铁蛋白受体2（TfR2 )。 TfRi1由TfR1基因编码，后者产生一种重要的5kb mRNA，它有异常大的3'端非翻译区，大约含2500个核昔酸，此区有5个聚集在一起的铁反应元件（iron responsive element, IRE)，每一个IRE都能结合一个细胞质铁调节蛋白(iron regulatory protein,IRP)。IRE具有一个特殊结构，即茎一环结构，其中环状部分由5个碱基即CAGUGC组成，这是一个高度保守序列。铁调节蛋白和TfR1 mRNA 3’端非翻译区的IRE在转录后水平相互作用调节细胞中TfR1的表达[11]。除成熟的红细胞和其它晚期分化的细胞外，TfR1可在其它所有细胞中表达，但表达水平不同。Tf R1表达水平最高的细胞和组织是未成熟的红细胞、胎盘组织、肝和迅速分裂的细胞。转铁蛋白和转铁蛋白受体途径是细胞摄取铁的经典途径。

TfR2是1999年Kawabata等新发现的TfR1的同系物。对TfR2的序列分析显示，TfR2无IRE。与TfR1普遍存在的表达模式相反，Tf R2主要在肝脏表达，可能在肝脏摄取和贮藏铁的过程中有特殊作用。TfR2在整个小肠也有低水平的表达，但其功能尚不清楚。TfR2基因突变会导致血色素沉着症，故认为TfR2在维持铁稳态中发挥重要作用[12]。最近，又有研究表明，TfR2在小肠仅定位于隐窝细胞，与HFE蛋白协同定位，可能在隐窝细胞感知循环中转铁蛋白饱和度中发挥作用[13]。

5.2铁蛋白

铁蛋白((ferritin, Fn)，是主要的细胞内储存铁的蛋白质，在铁代谢中发挥关键作用。Fn由24个亚基组成，包含有两条链即重(H)链和轻(L)链。所有的H和L亚基构成一个蛋白亚基壳，围成一个腔来容纳铁离子。每分子铁蛋白可同时容纳高达4500个三价铁离子。强大的铁结合能力使其具有双重功能:储存和解毒。铁蛋白的两种亚基分别由位于不同染色体上的不同基因编码。人类铁蛋白H和L.亚基mRNA的5"端非翻译区均有一个含有28个核昔酸的呈茎一环结构的IRE,其环状部分的碱基序列与转铁蛋白受体IRE茎一环结构中的环状部分完全相同，但茎部碱基序列二者不同。转铁蛋白受体和铁蛋白mRNA上都存在相可以的IRE是非常重要的。因为IRE可通过铁浓度变化来协调调节这两种蛋白的合成[14]。

5.3红细胞系γ一氨基δ-酮戊酸合成酶

γ一氨基δ-酮戊酸合成是血红素合成的限速步骤，由γ一氨基δ一酮戊酸合成酶(ALAS)催化。除红细胞系外其它组织中管家ALAS ( house-keeping ALAS，hALAS)基因.也叫ALAS1

基因，定位于染色体3p21，而红细胞系ALAS(eALAS)基因，也叫ALAS2基因，定位于染色体

Xp11.21。人们对eALAS的研究要比对hALAS的研究深入得多。有趣.的是，eALAS mRNA 5'

端非翻译区含有一个铁反应元件，因此红细胞系生成时，细胞内铁可能调控eALASmRNA的翻译。eALAS基因除了受铁在翻译水平上的调控以外。还受促红细胞生成素在转录水平上的调控。但是血红素生成的总速率主要是受细胞内铁含量的限制。在分化的红细胞，eALAS m RNA

的翻译速率与细胞内铁含量相当[15]。

5.4二价金属离子转运蛋白

以往一直以为许多组织(包括小肠)细胞吸收或摄取铁都是经过经典的转铁蛋白和转铁

蛋白受体途径。但直到上个世纪90年代末期，在小肠粘膜细胞相继发现了4种与铁转运相

关的蛋白才使得小肠如何吸收铁这一重要问题有了基本答案[16]DMT1是与小肠铁吸收相关的

重要蛋白。人类DMT1 mRNA有两种形式。即“+IRE'，和“-IRE"型。"+IRE'，型mRNA在3'

端非翻译区有一个铁反应元件，“-IRE”型则不含此元件。二价金属离子转运蛋白(divalent metaltransporter 1, DMT1)在人体组织和细胞中的表达十分广泛。在细胞水平，DMT1特

异表达于某些需要发挥其功能的细胞，如在小肠中，主要表达的是DMT1同源异构体I (+IRE)，定位于肠上皮细胞绒毛面细胞膜上，参与小肠铁的吸收，受铁缺乏的向上调节。与

小肠上皮细胞不同，肝窦细胞膜表达的主要是DMT1同源异构体I I(-IREE)，而且受铁过量

的向上调节[17]。在未成熟的红细胞，表达的也主要是DMT1同源异构体II(-IRE)，它与TfR1

协同表达，存在于内含体腔室中，参与酸化内含体中铁向细胞浆转运的过程[18]。

5.5转铁蛋白刺激因子和hepcidin

1997年于鹏等[19]又新发现一种铁转运刺激因子(stimulator of Fe transport, SFT)。后来证明它能增强细胞对非转铁蛋白结合铁和转铁蛋白结合铁的摄取，是调节体内铁

稳态的重要铁代谢蛋白之一。SFT的表达主要受细胞内铁浓度的负向调控。SFT在人体组织

中分布十分广泛，外周血白细胞、脾、胸腺和小肠中表达水平最高。在细胞内，SFT主要位

于再循环内吞小体中。推测SFT可能参与细胞转铁蛋白结合铁摄取过程中的内吞小体铁移位。Barisani等报道，贫血病人SFT的表达增加，与HFE无关的铁过量病人的SFT表达下降，但与HFE相关的血色素沉着病人SFT的表达却增加。因此有人认为SFT表达可能与HFE

的正常表达有关，或者SFT表达增加可能是这种遗传性疾病的病因之一。进一步深入研究这

种新的铁代谢蛋白的生理和生化功能将不仅可能帮助证实这种可能性。而且有助于对铁代谢

平衡及其它的铁代谢紊乱性疾病有更深刻的了解。

hepcidin也是一种新发现的重要的铁吸收调节因子。hepcidin最初是从人血液和尿液

中分离出来的一种循环杀菌肤。2001年Pigeon等在寻找受铁过量向上调节的基因中首次发

现了hepcidin和铁代谢的联系hepcidin主要在肝脏表达。在心脏和脑中也有微量表达。hepcidin由肝脏分泌后进入血循环，对小肠铁吸收起抑制作用，对网状内皮细胞铁储留起

促进作用。铁过量时hepcidin表达增加，铁耗竭时hepcidin表达下降。hepcidin基因突

变可导致循环中肝杀菌素水平下降，导致早发型血色素沉着症，这进一步证明hepcidinn

在人体铁平衡中具有重要作用。铁过量时hepcidin表达增加，但因HFE基因、TfR2基因等

突变引起的遗传性血色素沉着症虽然体内铁呈增加状态。但hepcidin并没有增加，相反表

现为降低，说明hepcidin的表达与HFE, TfR2基因等的正常表达有关。目前，hepcidin

基因表达受铁水平的调节的细胞和分子机制还不清楚。hepcidin mRNA不含铁反应元件.因

比hepcidin的表达不受IRE/IRP系统的调节[20]。

6小结

铁作为动物的必需营养素,不仅在新陈代谢过程中作为底物、辅酶或辅因子,而且在调节编码各种蛋白质,如酶、载体、受体和生物体的结构成分的基因等方面发挥作用。且因为铁潜在毒性小,有足够的生物利用率以促进转基因的最大程度的表达,并且长期残余效应极低,因此应用铁调控基因来满足生产需要,这必将产生巨大的社会和经济效益。在以后的研究和生产中我们应该合理的利用锌等微量元素来控制基因转录、翻译,调节基因表达,从而控制动物生长发育,提供消费者满意的畜产品。

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