摘　要 ：鐵泵蛋白 (ferroportin, FPN/SLC40A1) 是目前哺乳動物中唯一已知的鐵外排膜蛋白，在調控機體鐵穩態代謝過程中發揮重要作用。近年，圍繞 FPN 蛋白轉運鐵離子生理功能及其分子調控機制方面取得了令人矚目的研究進展。FPN 蛋白通過從細胞內向外轉運 Fe2+ 參與許多關鍵生理過程，如細胞代謝、細胞命運以及鐵死亡 (ferroptosis) 等。鐵調素 (Hepcidin) 作為肝臟分泌的多肽，通過與 FPN 蛋白結合導致 FPN 內化降解，從而抑制小腸鐵吸收及巨噬細胞的鐵再循環，因此，Hepcidin-FPN 軸是機體系統性鐵穩態調控的核心樞紐。然而，FPN 的具體降解機制一直是鐵代謝領域內的熱點及難點。近期，本研究團隊發現 E3 泛素連接酶 RNF217 介導 FPN 降解及其受 TET1 ( 甲基胞嘧啶雙加氧酶 1) 修飾調控鐵穩態代謝的新機制。臨床研究發現，攜帶 FPN 基因突變的個體出現不同臨床表現的血色病。此外，有研究報道 FPN 在肝臟疾病、腸道疾病、心臟疾病、貧血及癌癥中發揮重要作用，提示 FPN 或可成為防治這些疾病的關鍵靶點。本文系統綜述了 FPN 在金屬離子轉運、疾病發生及分子調控機制等方面的國內外最新研究進展，并就未來研究方向進行了展望和討論。

　　關鍵詞 ：鐵 ;鐵泵蛋白 ;鐵調素 ;離子轉運 ;血色病

　　鐵作為生命體必需微量元素，不僅是合成血紅蛋白的原料，更是許多氧化還原酶類的輔助因子，對于氧氣運輸、線粒體呼吸及 DNA 合成等具有重要意義 [1]。因此，鐵在機體維持生命健康中扮演重要角色。機體內鐵穩態受到精密調控，鐵缺乏或鐵過載都會影響人類健康。機體鐵缺乏時多表現為頭暈、煩躁、易怒及免疫力減弱，甚至引起缺鐵性貧血 [2-3] ;而機體鐵過載時會產生過量的自由基，破壞蛋白質、核酸和細胞膜功能，引起細胞毒性，嚴重時可引起遺傳性血色病 [4-5]。

　　細胞內鐵過載時亦可引發鐵死亡 (ferroptosis) ;鐵死亡是基于脂質的活性氧積累引起的一種鐵依賴性細胞死亡形式，其發生機制、形態學特征、生化特征及分子標志物均不同于細胞自噬、凋亡和壞死 [6] ;鐵死亡在心血管疾病、肝臟疾病及神經退行性疾病如阿爾茨海默病(Alzheimer's disease, AD) 和腦出血等的發生發展中起重要作用 [7-10]。由此可見，維持機體內鐵穩態對于機體健康的保持是非常有必要的。鐵泵蛋白(ferroportin, FPN)，作為目前哺乳動物中唯一已知的鐵外排膜蛋白，通過將細胞內的 Fe2+ 轉運至細胞外而維持細胞內的鐵水平，其表達高低直接關系到細胞內外的鐵水平 [11]。

　　因此，FPN 在維持機體和細胞鐵穩態中發揮關鍵作用。已有研究揭示 FPN 介導的鐵穩態失衡參與了腸道、骨骼、大腦及肝臟等組織器官相關疾病的發生發展，深入探究 FPN 的生理功能及相關的分子機制可為診治此類疾病提供重要理論依據。FPN 蛋白，由基因 FPN 編碼，又被稱為鐵調節轉運蛋白 1 (iron-regulated transporter 1, IREG1) 或金屬轉運蛋白 1 (metal transporter protein 1, MTP1)。哈佛醫學院 Leonard I. Zon 團隊 [12] 最早于 2000 年用斑馬魚模型發現該基因并命名為 Ferroportin(FPN)，其在調節細胞和機體鐵水平中起關鍵作用 [13-14]。從 FPN 被發現并命名到 2021 年其人源結構被解析，關于 FPN 有了一系列里程碑式科學發現 [7, 11-12, 15-38]。FPN 的表達具有組織特異性，主要表達在十二指腸上皮細胞、肝臟 Kupffer 細胞、脾臟紅髓巨噬細胞、門靜脈周圍肝細胞以及胎盤合體滋養層細胞 [39]。

　　鐵調素 (Hepcidin) 是一種含有 25 個氨基酸的肽，主要由肝細胞分泌到血漿中，它可與細胞膜上的 FPN 蛋白結合，導致 FPN 內化降解，從而抑制巨噬細胞鐵釋放和十二指腸鐵吸收，平衡機體鐵穩態 [20, 39]。有研究證實腸道樹突狀細胞也可分泌Hepcidin，在調節微生物平衡和促進腸道修復中起重要作用[40]。Hepcidin與FPN結合觸發其構象變化，使 FPN 的賴氨酸可通過 E3 泛素連接酶環指蛋白 217 (RING finger protein 217, RNF217) 進行泛素化 ;在鐵存在的情況下，鐵依賴性雙加氧酶 (irondependent dioxygenase) Tet1 通過去甲基化激活基因RNF217 的轉錄并升高其細胞內濃度，從而促進FPN 的內吞作用和蛋白質水解 [38]。

　　因此，低 Hepcidin狀態的特征是鐵轉運活躍組織中 FPN 蛋白表達水平高，鐵迅速外排到細胞外液和血漿中。與此相反，循環中高濃度 Hepcidin 導致 FPN 從細胞膜上降解，鐵向血漿的外排減少。Hepcidin-FPN 調節軸是整個鐵穩態的核心 [30]。該軸受到轉錄因子、炎癥、缺氧、貧血及鐵含量等多種機制的調節。FPN 在體內鐵外排中的關鍵作用是通過一系列轉基因小鼠確定的。FPN 全身敲除小鼠并沒有完成胚胎發育 ;腸細胞特異性敲除 FPN 的成年小鼠也迅速變得貧血，表明FPN對于腸吸收鐵是必需的[20]。進一步使巨噬細胞和肝細胞中的 FPN 失活的工作表明，這些細胞需要 FPN 來有效動員儲存的鐵 [27, 29]。FPN可轉運Fe2+已被證實。但是也有研究表明，FPN 還可能轉運 Mn2+，進一步豐富了 FPN 的轉運調控網絡 [41-44]。本文旨在對 FPN 調控金屬離子轉運的生理功能、分子機制及其對代謝紊亂疾病的調控等進行系統綜述。

　　1 FPN的發現及研究進展

　　機體對鐵的吸收是通過十二指腸黏膜刷狀緣來實現的，但是鐵如何通過基底外側膜轉移到血液中機制未知，針對這一關鍵科學問題的探索導致了 FPN 蛋白的發現 。首先發現 FPN 的兩篇重要論文發表于 2000 年幾乎同一時間。Robert J.Simpson ( 英國 )、 Matthias W. Hentze ( 德國 ) 和 MatthiasA. Hediger ( 英國 ) 三個實驗室聯合 [15]，利用非洲爪蟾 (Xenopus laevis) 卵母細胞進行研究發現了在腸上皮細胞基底膜上具有外排鐵離子功能的蛋白并將其命名為 Ireg1，該成果于 2000 年 1 月 25 日發表在 Molecular Cell 雜志，其投稿時間為 1999 年 10 月26 日。Zon 團隊 [12] 使用定位克隆技術鑒定出導致斑馬魚突變體低色素性貧血的基因并將其命名為ferroportin，詳細展示了 FPN 蛋白外排細胞鐵的重要功能。

　　Zon 團隊成果于 2000 年 2 月 17 日以 Article形式正式發表在 Nature 雜志，該論文投稿時間為1999 年 12 月 16 日。從 2001 年至 2003 年，研究相繼發現基因 FPN 突變可導致常染色體顯性遺傳性血色病 [16]，膜蛋白 FPN 的表達與肝臟 Hepcidin 的分泌成負相關 [17]，基因 FPN mRNA 中存在鐵反應元件 (iron response element, IRE) 可影響基因的表達 [18]，豐富了 FPN 的調控網絡。2004 年，Nemeth等 [19] 首次報道 Hepcidin 可與 FPN 結合誘導其內化來控制細胞內鐵外排，提示 FPN 功能的實現受到Hepcidin 的調節。2005 年，陸續有研究報道 FPN對鐵穩態的維持至關重要 [20]，其突變可引起兩種不同發病機制的血色病 [21]，巨噬細胞膜上 FPN 的表達直接受到鐵負荷和 Hepcidin 的影響 [22]，進一步加深了人們對 FPN 的認識。從 2007 年到 2011 年，王福俤課題組發現 Mon1a 基因變異會影響 FPN 蛋白轉運并改變小鼠的巨噬細胞鐵負荷 [24]，而且 FPN在巨噬細胞釋放鐵的過程中起重要作用 [27]，提示巨噬細胞的鐵水平很大程度上取決于 FPN 的功能發揮。

　　其中，Zhang 等 [45] 于 2009 年發現了另一種剪接變體 FPN 1B，其 mRNA 不含 IRE 并且在缺鐵時翻譯不受抑制，揭示了 FPN 的又一重要功能。2012 年，Qiao 等 [28] 發現 Hepcidin 誘導的 FPN內吞作用依賴于 FPN 泛素化，但是相關的 E3 泛素連接酶一直未確定 ;直到 2021 年，王福俤團隊 [46]首次報道 RNF217 通過其 E3 泛素連接酶活性來介導 FPN 降解從而調節鐵穩態，表明 Tet1-RNF217-FPN 軸調節鐵穩態，揭示了 FPN 相關疾病的治療新靶點，此項工作得到了同行專家的高度評價 [47-48];2012 年，王福俤團隊 [29] 還利用組織特異敲除 FPN小鼠研究發現，體內鐵儲備的動員需要肝細胞和巨噬細胞中 FPN 的參與，證實了 FPN 在鐵循環中的關鍵角色。

　　從 2014 年至 2019 年，有研究報道 FPN C326S突變可抵抗 Hepcidin 降解并造成嚴重的鐵過載 [30]，Sabelli 等 [31] 的研究揭示了人類巨噬細胞 FPN 的生物學基礎以及引起 FPN 相關血色病的原因，而Aschemeyer 等 [32] 通過 FPN 的結構 - 功能分析解釋了 Hepcidin 的結合位點和作用機制，從結構上分析了有關原因 ;Zhang 等 [11, 33] 發現紅細胞 FPN 可降低細胞內鐵積累、溶血和患瘧疾風險 ，其缺失可使紅細胞因氧化應激而導致溶血 ;Muriuki 等 [34] 報道FPN Q248H 突變可預防貧血，但不能預防瘧疾或菌血癥 ;口服 FPN 抑制劑 VIT-2763 可改善 β- 地中海貧血中的無效紅細胞生成 [35]。以上研究提示，FPN對于紅細胞發揮正常功能起關鍵作用。

　　2020 年，Billesbølle 團隊 [36] 利用冷凍電鏡解析了人源 FPN的結構，揭示了 FPN 與 Hepcidin 互作的結構基礎，解釋了鐵穩態平衡的原因，成果發表在 Nature，為深入探索 FPN 的功能提供了重要的參考依據。僅數周后 Pan 等 [37] 在 Nature Communications 發表菲律賓眼鏡猴 FPN 蛋白結構成果。Bao 等 [8] 報道靶向 miR-124/FPN 信號可抑制細胞凋亡和鐵死亡從而改善神經元狀況。2021 年，Bao 等 [7] 報道 FPN 的缺失通過促進 AD 中的鐵死亡來誘導記憶障礙，提示 FPN 在鐵死亡的發生中起重要作用。FPN 是否還有其他功能，有待進一步探索。

　　2 FPN的拓撲結構及金屬離子轉運功能

　　2.1 FPN的拓撲結構人源

　　FPN 蛋白含有 571 個氨基酸和 12 個跨膜結構域 ( 圖 2)[49]。FPN 是一種多跨膜蛋白，之前關于其拓撲結構和功能狀態存在爭議。有研究表明，FPN 蛋白的 C 端和 N 端都在細胞內，其二聚化發生在細胞內 [50]。之前通過使用表位標記的 FPN 的免疫共沉淀研究發現 FPN 是多聚體 [51]。De Domenico等 [23] 通過蛋白質印跡分析發現，內源性 FPN 是一種二聚體。Aschemeyer 等 [32] 的計算模型研究顯示，Hepcidin 與 FPN 的結合發生在 FPN 的中央腔內并且 Hepcidin 與多達 4 個螺旋相互作用，FPN 的突變會降低與 Hepcidin 的結合力，也會阻礙 FPN 的泛素化和內吞作用所需的構象變化。Pan 等 [37] 的研究展示了菲律賓眼鏡猴 FPN (ferroportin from Philippinetarsier, tsFPN) 的結構，其由兩個結構域組成，每個域各含一個金屬離子結合位點。其次，tsFPN 是一種電中性的 H+/Fe2+ 反向轉運蛋白，每個 Fe2+ 與兩個 H+ 以相反的方向被轉運。

　　直到 2020 年 3 月，Billesbølle 等 [36] 利用冷凍電鏡才揭開人源 FPN 結構的面紗。研究表明，FPN 包含十二個跨膜結構域排列的螺旋，其 N 端和 C 端結構域都由六個螺旋組成，有一個大的中心空腔，該空腔向細胞外開放，在細胞內封閉，Hepcidin 通過引起細胞內環3 (intracellular loop 3, ICL3) 中賴氨酸殘基的泛素化來調節 FPN ;其中，K240 對 Hepcidin 誘導的 FPN內化和降解至關重要。Hepcidin 通過與位于第七跨膜結構域 (seven-span transmembrane, TM7) 內的關鍵殘基進行重要的相互作用來結合 FPN 的向外開放構象，TM7b 中的 C326S 突變可導致鐵超載。這些發現詳細解釋了 FPN 介導鐵轉運和 Hepcidin 調節的分子機制，對進一步了解鐵穩態具有重要意義。FPN 與 Hepcidin 結合后，就會被酪氨酸磷酸化，然后內化、去磷酸化并隨后泛素化，泛素化的 FPN通過多泡體途徑運輸到晚期內體 / 溶酶體中進行降解 [52]。

　　3 FPN蛋白調節機制

　　3.1 FPN基因表達調控

　　3.1.1 FPN基因轉錄水平調控

　　FPN 在轉錄、轉錄后和翻譯后水平上受到調控 [139]。FPN 可以通過鐵及其他過渡金屬進行轉錄調節，也可以通過鐵調素介導的內化和降解進行翻譯后調節。研究表明，鋅和鎘通過金屬轉錄因子 -1(metal transcription factor-1, MTF-1) 的作用誘導FPN轉錄 [13]。IRE 是約 35 個核苷酸 (nucleotide, nt) 的莖環 RNA 結構，位于 mRNA 的 5' 或 3' 非翻譯區(untranslated region, UTR)，通過與鐵調節蛋白 (ironregulatory protein, IRP)相互作用介導轉錄后調控[140]。FPN mRNA 5' UTR包含一個IRE[141]。

　　在缺鐵條件下，它與 IRP 蛋白結合，抑制翻譯 [18]。因此，鐵在翻譯水平上增強 FPN 的表達。FPN 3' UTR 可被細胞缺鐵誘導的 miR-485-3p 靶向調控 [142]。隨著細胞鐵水平的升高，這種 miRNA 的下調也可能導致 FPN 表達的增加。多諾瓦利什曼原蟲 (Leishmania donova)通過誘導 IRP 與 FPN 5' UTR 中存在的 IRE 結合來抑制 FPN 翻譯，從而增加巨噬細胞內用于繁殖的鐵含量 [143]。FPN 在其啟動子序列轉錄起始位點上游含有一個 7 kb 的抗氧化反應元件 (antioxidantresponse element, ARE)[144]，該元件可以與 Bach1 或Nrf2 結合，導致轉錄抑制或激活。血紅素可引起Bach1 降解，導致 FPN 轉錄激活 [39]。然而，研究證實十二指腸上皮細胞和前體紅細胞可表達另一種剪接變體 FPN1B mRNA，其編碼相同的 FPN 蛋白。但 FPN1B mRNA 的 5' UTR 中不含 IRE，所以在缺鐵的情況下，其翻譯不受 IRP 的抑制。

　　腸上皮細胞中的鐵耗竭時，腸道缺氧誘導因子(hypoxia-induciblefactor, HIF)-2α mRNA 的翻譯不被抑制，FPN 蛋白和 mRNA 表達反而增加，說明 IRE/IRP 系統未發揮作用，這很大可能是因為 FPN 1B 的存在。低鐵情況下，前體紅細胞中 FPN1B 的表達上調可促進鐵外排，有助于機體鐵穩態的恢復 [39, 45]。研究表明，HIF-2α 對于全身性鐵缺乏和鐵過載的局部吸收反應至關重要。肝臟的 Hepcidin 在鐵缺乏、貧血和鐵過載時可調節腸道 HIF-2α，其配體FPN 通過調節鐵依賴性腸道脯氨酰羥化酶的活性來控制細胞自主鐵流出以穩定和激活 HIF-2α[145]。野生型小鼠喂食低鐵飼料 2 周后，FPN 在十二指腸的表達反而增加，此過程需要 HIF-2α 的參與，其原因是 HIF-2α 與十二指腸上皮細胞 FPN1B 啟動子區域中的 HIF 響應元件 (HIF response element, HRE)結合，從而啟動 FPN 的轉錄。

　　因此，靶向抑制HIF-2α 可減少低鐵飲食小鼠的 FPN 表達，表明FPN 在全身鐵水平變化后的轉錄調控機制。即便是HIF-1α 存在的情況下，缺乏 HIF-2α 的小鼠在缺鐵時也不能上調十二指腸 FPN mRNA[146]。因此，缺氧和缺鐵時，HIF-2α在上調FPN轉錄中起主導作用。腸細胞中 HIF 的激活會導致頂膜 DMT1 和 DcytB的上調，基底外側 FPN 也會上調 [146-147]。利用動物模型進行研究發現，缺氧信號可刺激 EPO 生成，通過穩定十二指腸 FPN 加強鐵吸收 [148]。此外，在實驗誘導小鼠急性貧血期間，FPN 在轉錄水平受到調節。FPN mRNA 水平在十二指腸和脾臟巨噬細胞中增加，在前體紅細胞中顯著下調，HIF-1α 和HIF-2α 在細胞和組織中的表達差異可解釋 FPN 調節的特異性 [149]。小鼠中銅的缺乏不僅可導致貧血，還上調 HIF-2α，進而影響到 FPN 的表達，改變鐵穩態 [150]。

　　4 FPN與鐵死亡

　　鐵死亡是一種新型的細胞死亡方式，其特征是鐵依賴性的脂質氫過氧化物積累而引發的細胞死亡 [199]。鐵死亡參與了心血管疾病、肝臟疾病及神經退行性疾病等多種疾病的發生發展 [7-10, 200-206]。而FPN 作為鐵的轉運體，可參與鐵死亡的發生 [207-211]。FPN 通過降低細胞內鐵濃度進而負調節鐵死亡，其敲降可加速藥物如依拉斯汀、西拉美新、拉帕替尼等誘導的細胞死亡，而過表達 FPN 或使用鐵死亡抑制劑如 Fer-1、Lip-1 等均可顯著減少細胞死亡和ROS 的產生，提示 FPN 可作為調控鐵死亡的一個重要靶點 [207-209, 212]。

　　研究發現，腦出血和 AD 的發生與鐵死亡有密切關系，FPN 缺失顯著惡化了疾病的癥狀，而使用鐵死亡抑制劑或過表達 FPN 同樣可有效改善疾病癥狀 [7-8]。睪丸缺血再灌注損傷引起的生殖細胞和支持細胞死亡、早期腦損傷、氧化應激誘導的髓核細胞死亡、1 型糖尿病引起的認知功能障礙以及年齡相關性白內障的發生，都有鐵死亡的參與，是相應細胞的 FPN 表達降低而 ROS 大量產生所致 [210, 211, 213-215]。因此，對于鐵死亡而言，FPN 的重要性不言而喻。

　　另有研究表明，在大鼠先兆子癇模型中，miR-30b-5p 通過下調 FPN 增加不穩定 Fe2+ ，進而誘發鐵死亡 [216]。多種藥物如白消安、葉酸、阿特拉津、棕櫚酸等均可通過調控 FPN 的表達來影響疾病的發生發展 [217-222]。高鐵飲食亦是如此 [223]。也有研究報道某些基因或蛋白如基因Nrf2、抗衰老蛋白 Klotho、核蛋白 FANCD2 可調控FPN 表達影響疾病的進程 [224-226]。FPN 作為自噬消除的新底物，其降解可促進異種移植腫瘤小鼠模型中的鐵死亡 [227]。靶向 FPN 誘導鐵死亡殺死腫瘤細胞是某些癌癥治療的新策略 [228-233]。5 FPN與疾病FPN 與許多疾病的發生發展都有聯系 ( 圖 5)。FPN 突變可導致 4 型血色病。此外，FPN 還參與了許多癌癥以及組織器官疾病的發生，突顯了 FPN的重要作用。

　　6 總結與展望

　　FPN 作為哺乳動物唯一的鐵外排蛋白，主要功能是將細胞內的 Fe2+ 外排進入血液中，以供其他組織器官利用。然而，關于 FPN 的表達差異是否會對體內鐵轉載的量產生影響，有待進一步探索。作為整個鐵穩態的核心，Hepcidin-FPN 軸受到多因素的調控，比如缺氧、貧血、缺鐵以及炎癥等。對FPN 的眾多研究數據給人們提供了一定的理論參考，研發相應的藥物具有廣闊的應用前景，后續研究可靶向 Hepcidin-FPN 軸開發藥物來治療鐵失衡引起的多種疾病。

　　RNF217 是介導 FPN 泛素化降解最重要的 E3 泛素連接酶。是否還有調控 FPN 蛋白降解的其他 E3 泛素連接酶尚未可知，這也是今后研究工作的一個重點。FPN 在全身的組織細胞中幾乎都有表達，以十二指腸細胞和巨噬細胞為最多，在骨組織、心臟、肝臟、腸道、大腦等中發揮重要作用，其不同位點的突變可能會導致不同的疾病模型。目前，通過調控 FPN 表達引發鐵死亡的報道還比較少，主要集中于中樞神經系統，其他系統中是否也存在類似的現象有待進一步探究，應鼓勵利用已建立的多種FPN 基因敲除小鼠模型開展功能及機制探索。

　　FPN 在人類疾病，如肝臟疾病、腸道疾病、心臟疾病、貧血及癌癥等中的功能，仍需積極探索。已發表的數據提示，FPN 可能是防治這些疾病的重要靶點。對 FPN 開展深入研究，既能極大地豐富人們對金屬元素代謝、SLC 家族膜蛋白功能的理解，又能為疾病防控提供重要的理論依據和新策略。FPN 組織特異性敲除小鼠模型是研究各組織疾病中 FPN 功能的重要工具，應鼓勵開發出更多的基因敲除小鼠模型來探索 FPN 可能具有的其他功能，進一步豐富 FPN 的調控網絡，這對于更深層次地認識微量元素鐵的作用具有重要意義。

　　[參　考　文　獻]

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　　作者：李大航1,2#，徐　杉1#，蔣　麗1#，蘇韻星1，閔軍霞2*，王福俤1*