铁是机体内最基本元素，参与机体氧运输、细胞呼吸、DNA复制等，铁代谢紊乱与多种疾病相关，包括贫血性疾病(缺铁性贫血、慢性贫血)和铁过载相关疾病(血色素沉着症)等。铁调素是由肝合成的小分子多肽类激素，对机体铁代谢起负向调控作用，对维持机体铁稳态尤为重要。铁调素由Hamp基因编码，其表达由BMP、STAT等多条信号通路调控，白细胞介素(IL)-6、跨膜丝氨酸蛋白酶(TMPRSS)6等信号分子亦在铁调素的调节中发挥重要作用。笔者现就铁调素的分子结构、作用，以及目前针对铁调素、Hamp基因及其相关信号通路的调节药物的研究进展进行综述。
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铁调素是肝细胞生成的一种由25个氨基酸结构组成的肽类激素，由Hamp基因编码，与肠上皮细胞、肝细胞、巨噬细胞膜表面的膜铁转运蛋白(ferroportin，FPN)结合后，使后者内化和降解，从而导致肠上皮细胞铁吸收及巨噬细胞铁释放减少，血清铁浓度减低。铁过载时，机体通过上调铁调素合成以限制铁摄入，而铁缺乏时，又通过下调铁调素合成增加铁的摄入。而铁调素发挥该作用主要是通过作用于其唯一的受体FPN实现。铁代谢紊乱是由铁调素/FPN失调所致，而纠正铁调素/FPN失调将是铁代谢紊乱相关疾病的治疗策略。此外，铁调素及其相关基因缺陷还会引起难治性贫血等疾病，炎症因素等亦会通过影响铁调素表达而引起慢性贫血等疾病。因此，对铁调素调控机制的研究对铁代谢紊乱相关疾病的诊断和治疗具有深刻的临床意义。笔者现就铁调素及其基因的分子结构、作用，以及目前国、内外针对铁调素、Hamp基因及其相关信号通路的调节药物的研究进展进行综述。
铁调素是肝细胞合成并分泌的富含半胱氨酸的抗菌多肽。铁调素由84个氨基酸的前多肽原连续分解产生，前多肽原又分解为：①1个具有24个氨基酸并含1个N末端的序列，其是内质网的靶向信号分子；②1个具有35个氨基酸的前导肽(prohepcidin)，位于成熟蛋白末端，引导蛋白穿膜，有抗菌活性；③1个具有25个氨基酸的铁调素，其是调节铁代谢的主要形式。人类铁调素编码基因即Hamp基因，位于19号染色体上，基因片段包含有3个外显子和2个内含子，第3个外显子负责编码成熟的铁调素。Hamp基因含2条β链，这2条β链通过特殊的二硫键稳固相连形成结构高度保守的阶梯状构型。
由于缺乏铁的排泄机制，人体主要通过调节铁的摄入来实现铁的平衡，铁调素作为人体内铁代谢的负向调节激素，在维持机体铁稳态过程中发挥重要作用。研究结果显示，Hamp基因缺陷小鼠表现出严重的铁过载，与之相反，Hamp基因过表达则可导致铁缺乏[1]。上述结果提示，由Hamp基因编码的铁调素在调节机体铁稳态中可能发挥重要作用。FPN是动物铁利用的唯一运载体，是由细胞向血液中运输铁的唯一途径，存在于十二指肠、肝门静脉周围的肝kupffer细胞、脾巨噬细胞、胎盘合体滋养层细胞表面。铁调素通过与FPN1结合发挥维持机体铁稳态的作用，其与FPN1结合后，使FPN内化降解，而FPN数量的减少会导致铁从十二指肠的吸收和肝kupffer细胞、脾巨噬细胞的释放减少，从而导致血清铁浓度下降。这一过程在FPN1基因敲除小鼠中亦被证实[2]。
高浓度的铁调素是导致机体铁缺乏的主要原因之一。铁调素由Hamp基因编码，后者表达水平增高，则铁调素浓度增高。而白细胞介素(interleukin，IL)-6等炎症因子是某些肿瘤细胞等多种细胞分泌的细胞因子，可通过STAT信号通路，促进Hamp基因表达，使铁调素浓度增高，继而使血清铁浓度降低。因此，直接靶向Hamp基因mRNA和相关蛋白，或IL-6、IL-6受体等上游调控因子的铁调素拮抗剂，如反义寡核苷酸，铁调素抗体，小干扰RNA(small interfering RNA，SiRNA)等，可调节铁调素浓度。
NOX-H94亦称Lexaptepid，是一种左旋寡核苷酸，与Hamp基因mRNA有较强的亲和力。对IL-6导致贫血的短尾猴应用NOX-H94的研究结果显示，应用NOX-H94后，短尾猴的血清铁调素浓度减低，同时血红蛋白水平增高[3]。这表示，NOX-H94可阻断IL-6诱导的高铁调素血症，并缓解贫血症状。Ⅰ/Ⅱ期临床研究结果亦显示，NOX-H94可以通过与Hamp基因mRNA结合，下调铁调素浓度，该药物表现出很强的增加血清铁浓度和转铁蛋白(transferrin，Tf)饱和度的能力，并且该能力呈剂量依赖性[4]。
mAb2.7是人工合成的抗铁调素单克隆抗体。在炎症性贫血小鼠模型中，mAb2.7与商陆皂苷甲(esculentoside，ESA)合用，可拮抗铁调素生成，逆转铁的释放受限，防止贫血进展[5]。Ab12B9m是另一种人工合成的铁调素单克隆抗体，在正常猴模型上进行的药物动力学实验结果提示，其可有效降低铁调素浓度[6]。PRS-080是一种载脂蛋白，对人类铁调素具有很高的亲和力，研究显示，在注射人铁调素造成的贫血小鼠模型中，一定剂量的PRS-080能完全逆转短期血清铁浓度降低[7]。
siRNA分子可以直接靶向Hamp基因mRNA或相关蛋白，调节铁调素浓度。siRNA分子被包裹在脂质纳米颗粒(lipid nanoparticle RNA，LNP-RNAi)中，其显著诱导Hamp基因的表达，并且可改善血色病(hemochromatosis，HFE)基因表型。此外，经LNP-RNAi治疗可减少继发性铁超载的发生，甚至可减少α-珠蛋白的表达。
Hamp基因突变时会导致严重的铁过载，Hamp基因过表达或应用铁调素类似物会导致血清铁浓度减低。因此，增加铁调素的水平能够改善地中海贫血和溶血性贫血等疾病所致的铁过载[8]。由于天然铁调素半衰期很短，因此通过采用铁调素类似物和诱导剂以替代天然铁调素，可发挥调节铁过载作用。
Mini-hepcidin(亦称PR65)是以铁调素/FPN结构和功能为基础的铁调素类似物。Karlsson等[9]对Hamp基因敲除小鼠模型研究结果显示，应用mini-hepcidin可以降低Hamp基因敲除小鼠的血清铁浓度。亦有研究显示，mini-hepcidin应用2周后，小鼠组织铁可发生有效重新分布[10]。上述结果提示，铁调素类似物可成为一种降低机体血清铁浓度的药物用于铁过载相关疾病的治疗。
体外实验结果证实，染料木素在Hep G2细胞中有诱导铁调素表达的作用，其铁调素诱导活性是通过促进Hamp基因表达的Smad和STAT3信号通路介导的[11]。这表明，染料木素作为铁调素诱导剂，可能作为改善机体铁过载的有效治疗方法。
血清中Fe3＋与Tf结合后被称为血清铁，其被转运到骨髓等处供组织利用。血清铁浓度的变化可通过调节肝细胞中Hamp基因的表达，反向调节铁调素浓度。组织细胞铁需求增高或者铁供应不足(缺铁)条件下，FPN首先与铁转运蛋白受体(transferrin receptor，TFR) 1结合，下调铁调素浓度，增强机体对铁的吸收；组织细胞铁需求降低或铁供应充足(铁充足或过载)时，FPN与TFR2结合，再与HFE蛋白相互作用形成复合体，该复合体与铁调素调节蛋白(hemojuvelin，HJV)相互作用，并通过Smad1/5/8信号通路促进Hamp基因表达，使铁调素合成增加，抑制铁的吸收及储铁细胞对铁的释放，降低血清铁浓度[12]。因此，通过使用外源性铁制剂使机体铁供应充足，促使FPN由TFRI转向与TFR2结合，从而反向调节体内铁调素浓度，可成为铁调素相关的铁代谢紊乱相关疾病的重要治疗药物。
哺乳动物有近20种骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)，其中BMP2、BMP4、BMP5、BMP6、BMP7和BMP9诱导Hamp基因的表达，而BMP6的作用占主导地位[13]。BMP与BMP受体结合激活Smad1/5/8信号通路，使Smad蛋白发生磷酸化，而磷酸化的Smad与BMP4结合，再共同进入细胞核并与Hamp基因DNA结合，促进其表达[13]。肝素是一类能够显著抑制铁调素表达的糖胺聚糖，其能够与BMP6结合并使其封闭，进而抑制Smad信号通路活性，抑制Hamp基因的表达[14]。但是，由于肝素同时具有抗凝活性，这一特点限制其在铁调素调节中的临床应用。由此，一种被称为乙二醇裂解肝素(gs-hepa rins)的新型肝素应运而生[15]。目前，已合成的乙二醇裂解肝素制剂包括RO-82、RO-68、NAc-91和NAcRO-00，而上述4种药物在体内、外实验均被证实能够抑制Hamp基因的表达[16]。一些中药(如鸡血藤)也能够通过BMP信号通路降低铁调素浓度。姚惠等[17]研究结果显示，鸡血藤能通过抑制BMP信号通路中Smad1/5/8蛋白磷酸化，进而抑制Hamp基因的表达，并且鸡血藤对缺铁性贫血患者表达出较强的Hamp基因抑制作用。激素也能调控BMP信号通路中Hamp基因表达。例如，睾酮通过干扰Smad4调控通路，从而下调肝细胞Hamp基因的表达[18]。同时，睾酮还能够提高血红蛋白水平和组织中的血清铁浓度。
HJV是BMP辅助受体，可参与到BMP信号通路对机体的调控过程。研究结果显示，HJV可通过BNP/Smad信号通路调控Hamp基因的表达。HJV与Ⅰ型BMP受体结合，激活BMP信号通路，进而促进Smad1/5/8磷酸化，促进Hamp基因表达[19]，使铁调素表达水平增高。HJV也受到上游调控因子再生蛋白(neogenin)和跨膜丝氨酸蛋白酶(transmembrane serine protease，TMPRSS)6的调控，研究结果表明，上述二者基因突变会导致Smad1/5/8表达水平降低，影响HJV的裂解而导致铁调素过表达，引起异常缺铁。由于HJV是BMP受体的辅因子，因此其亦是潜在的下调Hamp基因表达的靶点。ABT-207和h5F9-AM8均为人源化单克隆抗体，通过与HJV的高度亲和力发挥铁调素阻断作用，调节BMP/Smad信号通路，下调铁调素浓度[20]。研究结果显示，对小鼠单次应用ABT-207、h5F9-AM8这2种单克隆抗体，小鼠肝和血清铁调素浓度均下降，使用上述抗体几周后，小鼠血清铁浓度增高。该研究提示，ABT-207和h5F9-AM8可能使以高血清铁调素水平为表现的疾病(如慢性疾病贫血)患者获益。对再生蛋白(neogenin)基因突变小鼠研究显示，neogenin基因突变小鼠的Smad1/5/8磷酸化水平降低，铁调素和BMP信号通路表达水平均降低，小鼠肝出现铁过载[21]。也有研究证实，HJV与neogenin近膜区结合，而这种结合对BMP4促进Hamp基因表达是必要的[22]。该结果提示，针对neogenin基因的调节有助于某些缺铁性贫血的治疗。可溶性铁调素调节蛋白(soluble hemojuvelin，sHJV)是HJV经蛋白酶作用后产生的，sHJV和HJV可竞争性与BMP6结合，sHJV的存在使HJV与BMP6结合相对减少，从而对铁调素的表达起抑制作用[22]。
在TMPRSS6基因突变的小鼠体内，铁调素浓度明显增高，相反地，注射TMPRSS6后，铁调素浓度则降低[23]。有研究显示，TMPRSS6参与了蛋白酶诱导sHJV形成的过程，其升高间接抑制了铁调素的表达[22]。Casu等[23]研究发现，TMPRSS6纯合缺失的地中海贫血小鼠，其无效红细胞生成、脾大和铁过载症状获得改善，这一研究表明TMPRSS6是减少铁过载和无效造血的潜在靶点。以该项研究为基础研发的寡核苷酸和SiRNA，可用于对抗TMPRSS6 mRNA[23]。在HFE基因敲除的小鼠中应用寡核苷酸，血清和肝铁浓度显著降低，同时无效造血和脾大症状改善[24]。在地中海贫血的患者应用该寡核苷酸4周后总血清珠蛋白水平较治疗前显著增高[25]。SiRNA被人工组装后形成LNP-RNA，表现出剂量依赖的TMPRSS6抑制活性，可明显增加铁调素浓度。用LNP-RNA联合口服去铁酮治疗地中海贫血小鼠的研究结果显示，联合应用的治疗效果较二者中任何1种单药应用效果更好[26,27]。上述结果提示，TMPRSS6可以通过调节铁调素浓度，使铁过载相关疾病患者临床受益。
Hamp基因的启动子中包含有磷酸化的STAT3的结合位点[28,29]，IL-6与肝细胞膜IL-6受体结合，可使STAT3磷酸化，大量磷酸化的STAT3进入细胞核，作用于Hamp基因启动子区域的IL-6反应元件，由此促使Hamp基因发生转录。有研究结果表明，Hamp基因启动子含有STAT3结构域，而STAT3基因敲除可显著抑制Hamp基因的表达[30,31]。这提示，STAT3信号通路活化可促进Hamp基因表达及增高铁调素浓度。
托珠单抗是一种重组人类IL-6受体单克隆抗体。有研究证实，应用托珠单抗1周能够使有关节炎贫血短尾猴的Hamp基因表达减低[31]。亦有研究结果表明，在淋巴增生性疾病患者中应用托珠单抗后会导致铁调素浓度显著降低，而长期应用该药物甚至能使铁稳态恢复正常。上述结果提示，针对IL-6及其受体成为治疗铁代谢紊乱相关疾病的潜在靶点。此外，BMP/Smad信号通路与STAT信号通路存在协同作用，转录激活剂P300可能在其中起到桥梁作用[31]。
转化生长因子-β家族是属于一组调节细胞生长、分化的超家族。该家族包括生长分化因子(growth differentiation factor，GDF)，活化素，抑制素和BMP。有研究发现GDF15，骨形成蛋白信号调节因子(bone morphogenetic protein signal regulato，TWSG1)可参与Hamp基因的表达调控。体内、外实验中均证实，GDF15可抑制肝细胞Hamp基因的表达[32,33]。TWSG1是骨髓结合蛋白，由骨髓早期红细胞分泌，是潜在的铁调素调节因子。地中海贫血小鼠的骨髓、肝、脾巨噬细胞中TWSG1表达上调[32]，其通过Smad1/5/8信号通路诱导Hamp基因表达。
雌激素通过Hamp基因启动子上面的1个雌激素受体反应元件下调铁调素浓度。作为铁调素负向调节因子，雌二醇降低HuH7、HePG2细胞株的Hamp基因的表达，使铁调素浓度降低，而该作用能够被雌激素受体拮抗剂ICI182780阻断[33]。
综上所述，多种信号通路参与铁调素调节过程，这些通路主要包括HJV/BMP/Smad信号通路、STAT信号通路等。随着以铁调素及其相关信号通路作为靶点的新型制剂相继问世，针对铁调素/FPN失调的治疗成为调控铁代谢紊乱相关疾病的新方向，有望更有效治疗各种铁代谢异常相关疾病。
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