二價金屬離子轉(zhuǎn)運體ＤＭＴ１研究進展

劉　芬　鄭　瑋　李桂晨

【摘要】二價金屬離子轉(zhuǎn)運體（divalent metal-ion transporter-1，DMT1）是一種在哺乳動物廣泛表達的金屬離子轉(zhuǎn)運體，參與機體內(nèi)多種金屬離子的轉(zhuǎn)運。相關(guān)研究已證實，金屬離子、氧化還原物質(zhì)、炎癥介質(zhì)等因素均可影響DMT1基因的表達。新近的研究推測基因突變可能是DMT1參與低色素性小紅細胞貧血的重要機制，DMT1還可能與腦內(nèi)神經(jīng)元變性有關(guān)。深入研究DMT1將為了解金屬離子代謝及其相關(guān)疾病的發(fā)病機制提供重要的研究資料。

【關(guān)鍵詞】金屬離子轉(zhuǎn)運；DMT1；DCT1

1. 引 言

二價金屬離子轉(zhuǎn)運體（DMT1）又稱為自然抵抗相關(guān)巨噬蛋白2（natural resisitance associated macrophage protein 2，Nramp2），或二價陽離子轉(zhuǎn)運體1(divalent cation transporter 1，DCT1)，屬于可溶性載體家族成員(solute carrier family 11 member 2，SLC11A2)，是哺乳動物體內(nèi)質(zhì)子偶聯(lián)的跨膜金屬離子轉(zhuǎn)運體。當它被首次發(fā)現(xiàn)時，由于與已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的Nramp1基因同源性高達78%，以此被命名為Nramp2［1］。從DMT1發(fā)現(xiàn)以來，它的結(jié)構(gòu)、功能、表達等方面已經(jīng)獲得很多重要發(fā)現(xiàn)，對于DMT1的研究已經(jīng)成為鐵研究乃至整個微量元素研究領域的一個熱點問題。

2. DMT1的分子結(jié)構(gòu)

DMT1分子量為61456，等電點為6.02，是具有12個跨膜域（transmemberane，TM）的糖蛋白，其糖基化的細胞外袢狀結(jié)構(gòu)和高度保守的細胞內(nèi)序列都具有高度的疏水性。DMT1mRNA的四種亞型在不同組織和細胞編碼四種不同的DMT1蛋白并行使不同的功能。人DMT1基因組DNA含有43999個堿基，包括16個外顯子，其cDNA有4142個堿基，所編碼蛋白含561個氨基酸，其羧基端和氨基端均位于細胞胞質(zhì)內(nèi)。DMT1與同家族Nramp1的基因同源性高達78%，氨基酸相似性達到64%，二者的主要區(qū)別在于氨基端的不同[2]。Lee等研究發(fā)現(xiàn)與Nramp1基因相比，DMT1在氨基端多出一個外顯子和內(nèi)含子1，并在羧基端多出了外顯子17和內(nèi)含子16，故推測兩者在結(jié)構(gòu)和功能上的差別可能與此有關(guān)[3]。

3. DMT1的功能特點

3.1 鐵的轉(zhuǎn)運

腸上皮細胞的DMT1功能模型表明，食糜中的Fe3+經(jīng)胃酸溶解后，被表達于十二指腸細胞刷狀緣上的還原劑還原成Fe2+，腸腔中低pH環(huán)境可使Fe2+穩(wěn)定存在，然后經(jīng)刷狀緣上的DMT1被轉(zhuǎn)運至腸上皮細胞的細胞質(zhì)內(nèi)。然后通過上皮細胞基底面的金屬轉(zhuǎn)運蛋白(putative metal transport protein，MTP1)排出腸上皮細胞，進入細胞外基質(zhì)[2]。這一特點表明DMT1可能在腦內(nèi)生理學鐵轉(zhuǎn)運方面起著重要的作用。

3.2其他金屬離子的轉(zhuǎn)運

DMT1能夠轉(zhuǎn)運的金屬離子達8種之多，除了Fe2+以外，還可以轉(zhuǎn)運Mn，Cu，Zn，Co，Ni，Cd 和Pb。相關(guān)實驗顯示，DMT1可以轉(zhuǎn)運Cu，但銅是以Cu+還是Cu2+的形式被轉(zhuǎn)運現(xiàn)在或尚未確定。pH依賴的Co2+運輸也已經(jīng)被證明，但是其生理學意義還需進一步詳細闡述。Desmond等的研究表明，Cd和Mn能抑制鐵的運輸，Zn和Pb卻不能，這為DMT1在Caco-2細胞直接參與攝取鐵和鎘提供了證據(jù)，其結(jié)果解釋了鐵缺乏是鎘中毒的危險因素[4]。DMT1可能還參與腦內(nèi)Mn轉(zhuǎn)運，在b/b型和+/b型Belgrade大鼠腦內(nèi)，前者通過血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）對54Mn和59Fe的攝取比后者少，表明DMT1等位基因缺陷影響了兩種金屬腦內(nèi)代謝[5]。

3.3 DMT1的表達分布

DMT1在體內(nèi)的表達具有組織和細胞特異性，且不同的亞型在各個器官的表達和功能上都有所不同。DMT1在十二指腸吸收細胞中是主要的頂端鐵運載體，因而它與飲食鐵的吸收調(diào)節(jié)密切相關(guān)。此外，DMT1還參與腦內(nèi)鐵吸收。DMT1作為二價陽離子轉(zhuǎn)運體在腎臟鐵重吸收方面起著重要的作用。大鼠心臟中也有DMT1mRNA的表達，并且呈年齡依賴性，同時只能被鐵在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)。呼吸道上皮細胞也可檢測到DMT1的表達，且暴露在高鐵環(huán)境后，DMT1-nonIRE型mRNA的表達增強[6]。

DMT1亞型在成人組織中普遍存在，但DMT1-IRE和DMT1-nonIRE卻具有細胞型特異性和亞細胞分布特異性。相關(guān)研究表明，在胚胎組織中DMT1-IRE和DMT1-nonIRE的表達是普遍存在的，并且兩種亞型的蛋白都集中在胚胎上皮細胞膜上，這與所在組織的吸收或排泄功能相關(guān)。其中，DMT1-nonIRE存在于神經(jīng)元、神經(jīng)樣細胞、星形膠質(zhì)細胞以及星形細胞瘤的細胞核和細胞質(zhì)中，而DMT1-IRE主要存在于在這些細胞的細胞質(zhì)間隔里[7]。

4. 影響DMT1基因表達的因素

4.1 金屬離子對DMT1基因表達的調(diào)控作用

體外試驗表明，適當增加鋅濃度并不影響細胞攝取鐵離子，說明DMT1對鋅、鐵的轉(zhuǎn)運是相對獨立的。但高鋅能使DMT1表達增強，并且這種增量調(diào)節(jié)具有pH依賴性。另有研究指出錳暴露會改變鐵調(diào)節(jié)蛋白的功能，腦脊液中鐵濃度升高。向脈絡膜上皮細胞系Z310加入錳，可使鐵調(diào)節(jié)蛋白（Iron-Regulatory Protein，IRP）與DMT1mRNA穩(wěn)定結(jié)合，DMT1表達增加。錳暴露后，通過易化DMT1對鐵的運輸，使穿過血-腦屏障進入腦內(nèi)的鐵增多，可能是Mn誘導的退行性神經(jīng)性疾病——帕金森綜合癥的重要原因[8]。

4.2 其它因素對DMT1表達的調(diào)控

DMT1基因表達的調(diào)控因素還有很多，除以上因素外，炎癥介質(zhì)、TNF-α、IFN-γ、蛋白激酶C、發(fā)育階段等因素均參與調(diào)控。Ludwiczek等已證明致炎因子和脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）能影響巨噬細胞DMT1表達上調(diào)[9]。在培養(yǎng)基中添加TNF-α，IFN-γ和LPS后BEAS-2B細胞向細胞內(nèi)運輸鐵增多。我們推斷致炎因子和LPS可增強在體實驗和體外培養(yǎng)的呼吸道上皮細胞DMT1mRNA的表達以及DMT1蛋白的合成[10]。

5.DMT1參與疾病發(fā)生的可能機制

5.1 DMT1參與低色素性小紅細胞貧血的可能機制

DMT1突變是導致低色素性小紅細胞貧血的重要原因，也可能是不同人群對鐵缺乏具有不同易感性的可能原因。研究發(fā)現(xiàn)，在先天性低色素小紅細胞貧血mk小鼠和Belgrade大鼠體內(nèi)，DMT1蛋白TM4區(qū)185位甘氨酸突變?yōu)樘於彼?。在mk/mk小鼠的腎中可檢測的DMT1G185R蛋白的水平與mk/+對照組相比劇烈地下降。該突變(G185R)導致了DMT1生理功能喪失，引起小腸上皮細胞攝取鐵障礙，進而造成鐵代謝紊亂[11]。

5.2 DMT1與神經(jīng)元變性類疾病的可能關(guān)系

腦內(nèi)鐵失控在一些神經(jīng)元變性疾病的神經(jīng)元死亡中起一定的作用，如：阿爾茲海默氏病、帕金森氏病、亨廷頓病和哈-斯二氏綜合征。而DMT1作為重要的金屬離子轉(zhuǎn)運體可能是腦內(nèi)鐵離子超負荷以及其它金屬離子紊亂的原因之一。鐵在機體內(nèi)能夠通過氧化還原反應參與多種代謝過程，可以在亞鐵和高鐵狀態(tài)間互變。鐵提供和接受電子的特性在這些反應中不僅僅起到了它在生理學關(guān)鍵作用，當過剩的鐵存在時，腦內(nèi)的鐵還能通過產(chǎn)生自由基介導顯著的氧化損傷。鐵介導的氧化損傷與帕金森氏病和阿爾茲海默氏病相關(guān)，然而尚不明確兩病的病因是鐵蓄積還是氧化應激，或許鐵蓄積和氧化應激也只是疾病條件下的結(jié)果[12]。

6. DMT1的研究展望

從DMT1的臨床意義來講,小紅細胞貧血和神經(jīng)變性病變存在顯著的鐵分布異常和代謝紊亂,而DMT1在機體內(nèi)呈廣泛而特定的分布，所以進一步了解和認識生理和病理條件下,DMT1對鐵等離子在各組織內(nèi)的功能、分布和調(diào)節(jié),將為小紅細胞貧血、中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病和多種金屬代謝性疾病的預防和治療提供依據(jù)。

參考文獻

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