铁调素是由肝合成并分泌的富含半胱氨酸的抗菌多肽，在机体内铁平衡调节中发挥负向调节作用。同时，铁调素在免疫过程中大量表达，参与机体免疫反应。铁调素表达受机体的炎症、缺氧状态，以及信号转导因子等多种因素影响。铁调素基因表达主要通过JAK/STAT、BMP/Smad、TLRs/MyD88、PI3K/AKT等信号通路调节。笔者拟就铁代谢、铁调素与铁代谢的关系，以及其调节机制的最新研究进展进行综述。
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铁调素(hepcidin)最初是作为一种具有抗菌活性的肽被发现，其首先由Krause等[1]从人血液中分离纯化，再由Park等[2]从尿液中分离，并且将其命名为铁调素。铁调素分子是由8个半胱氨酸残基形成的含有4个二硫键的单一发夹结构，其氨基酸序列在不同哺乳动物中呈高度保守，具有25和20个氨基酸残基2种形式。目前，已发现的铁调素类型包括铁调素25、20、22，前二者是铁调素的主要存在形式。其中，铁调素25存在于人血液和尿液中，尿液中铁调素22、20较铁调素25的N末端少3或5个氨基酸，因此前二者亦可能是铁调素25的降解产物。铁调素可抑制小肠中铁的吸收、巨噬细胞释放再生铁及铁在胎盘中的运输，对机体铁平衡起负向调节作用[3]。笔者拟就铁代谢、铁调素与铁代谢的关系，以及其调节机制的最新研究进展进行综述。
人体中铁主要分为2个部分：一部分是功能铁，主要包括血红蛋白(hemoglobin, Hb)铁，肌红蛋白铁，转运铁蛋白铁，乳铁蛋白，酶和辅因子结合铁；另一部分是贮存铁，包括铁蛋白和含铁血黄素。大部分的人体铁元素来源于衰老的红细胞被巨噬细胞吞噬后的血红素铁的再循环，一小部分的铁元素则来源于食物铁的吸收。铁的吸收部位主要位于十二指肠及空肠上段。食物中的铁元素以Fe2＋形式通过二价金属转运体(divalent metal-ion transporter，DMT) 1吸收至十二指肠黏膜上皮细胞，在膜铁转运蛋白(ferroportin，FPN)1和膜铁转运辅助蛋白(hephaestin，Hp)的共同作用下，穿过肠上皮细胞基底膜，释放入血液，并且经铜蓝蛋白氧化形成Fe3＋。Fe3＋与转运铁蛋白结合后转运到组织，或者通过幼红细胞膜转运铁蛋白受体(transferrin receptor, TfR)胞饮入细胞内，再与转运铁蛋白分离并还原成Fe2＋，参与Hb的形成。
铁调素可以与FPN1结合，促进后者内化和降解，从而间接调节铁稳态。当机体铁过载时，铁调素基因表达增强，使肝合成分泌铁调素增多，从而加速FPN1的降解，关闭铁向血液中转运的出口，进而减少小肠上皮细胞和巨噬细胞向血液中输送的铁；当机体铁缺乏时，上述过程发生相反的改变，从而维持铁稳态。此外，铁调素还能抑制十二指肠中肠细胞、巨噬细胞向外周血循环中释放铁[4]。
编码人铁调素的基因HAMP基因定位于第19号染色体，在肝细胞中呈高表达，其表达受多种刺激的严格调控，如氧化应激、红细胞生成、炎症、糖异生、激素或药物等刺激可使铁调素的表达增加，致使机体内铁稳态失衡。铁调素的表达水平随着铁负荷的增加而增高，而体内铁含量的增加，则可刺激肝分泌铁调素，从而进一步限制铁的吸收[5]。铁调素缺乏是遗传性血色素沉着症和继发性铁负荷性贫血患者发生铁过载的原因，而其过度表达与炎症性贫血、慢性疾病性贫血及缺铁性贫血(iron deficiency anemia，IDA)有关[6]。铁调素表达的调节主要通过Janus激酶/信号转导与转录激活子(Janus kinase/signal transducer and activator of tran-ions, JAK/STAT)，骨形态发生蛋白(bone morphogenic proleins，BMP)/Smad, Toll样受体(Toll-like receptors, TLR)/髓样分化因子(myeloid differentiation factor 88，MyD88)，PI3K/AKT等信号通路介导。
JAK/STAT3信号通路是机体内的重要信号传导通路，广泛参与生长发育、细胞间信号传导调控等多个环节[7]。肿瘤细胞和免疫细胞释放的各种炎症因子，尤其是白细胞介素(interleukin，IL)-6，主要通过JAK/STAT3信号通路对铁调素的调节发挥重要作用[8]。IL-6与细胞表面IL-6受体(gp130蛋白受体复合物)结合，刺激JAK介导的转录因子STAT3磷酸化。活化的STAT3转位至细胞核，与HAMP基因近端启动子上游(5′侧翼序列，0.6 kb片段)的STAT3应答元件结合，从而增强HAMP基因的转录活性。采用不同浓度的IL-6诱导Hep G2细胞的研究结果显示，高IL-6浓度组HepG2细胞的HAMP mRNA、磷酸化STAT3表达，均较低IL-6浓度明显增加(P<0.05)，并且HAMP mRNA表达水平随着IL-6浓度上升呈增高趋势[9]。还有研究结果表明，与周围非肿瘤组织相比，肿瘤组织中的IL-6 mRNA表达水平明显升高(P<0.05)，gp130 mRNA和蛋白表达水平亦升高(P<0.05)，JAK/STAT3信号通路与HAMP基因启动子的亲合力显著增强，铁调素表达亦明显升高[10]。
铁调素与FPN1结合，致FPN1泛素化，随后内化在细胞中，在溶酶体中被降解。有研究对脂多糖处理的BALB/c小鼠进行研究，将其分为脂多糖组(注射脂多糖)、IL-10组(注射脂多糖与IL-10)和空白对照组，结果显示，脂多糖组小鼠的Hb值、血细胞比容、平均红细胞体积、铁含量均较对照组低(P<0.05)，铁调素、IL-6、TfR2、STAT3表达水平均较空白对照组升高(P<0.05)；IL-10组小鼠红细胞数量、Hb值、血细胞比容、平均红细胞体积、铁含量、铁调素、IL-6、TfR2、STAT3表达水平均较脂多糖组降低(P<0.05)[11]。该研究结果提示，IL-10可通过抑制炎症因子、调节STAT3信号通路、下调铁调素表达、抑制TfR表达等途径，改善铁代谢，减轻贫血。
BMP/HJV/Smad信号通路主要参与调节多种细胞的生长、增殖、迁移和胚胎干细胞的自我更新[12]。经典BMP信号通路的激活是由BMP与细胞表面的BMP受体复合物活化素受体样激酶(activin receptor-like kinase，ALK)2或ALK3结合后启动[13]。该过程启动后，Smad蛋白发生磷酸化，并且与Smad4形成转录因子复合物，向细胞核内转移，诱导HAMP基因等靶基因的表达。小鼠实验结果显示，特异性破坏小鼠肝BMP受体或Smad4，可显著降低铁调素的表达，导致铁过载[14]。
BMP由肝窦内皮细胞产生，在哺乳动物中有多种表达形式。研究表明，BMP-6信号通路是提小鼠肝细胞中铁调素的中心调节剂[15]。研究结果显示，BMP-6基因敲除可降低机体内铁调素的表达，导致严重铁过载发生，并且通过其他BMP亦无法维持铁平衡[16]。上述结果表明，BMP-6在铁稳态中发挥关键作用。在小鼠中，肝细胞特异性ALK2缺乏可导致中度铁超载，铁主要聚集在门静脉周围；而ALK3特异性缺乏则致肝小叶中心严重铁过载，并且铁调素水平下降更明显[17]。铁调素激活剂在信号传导、炎症或转录中发挥作用，并通过BMP反应元件影响铁调素的转录。在人肝癌细胞中，通过BMPⅠ型受体抑制剂LDN-193189或BMP配体拮抗剂Noggin和ALK3-Fc，可以抑制IL-6诱导的铁调素表达[18]。
Arosio[19]建立包含近20 000个人类基因的小型干扰RNA库，并将其应用于高通量筛选系统中，以调控铁调素启动子的荧光素酶报告基因系统活性。该研究结果显示，大多数基因需要功能性BMP/Smad反应元件调控铁调素启动子，而并无任何一个基因受到IL-6反应元件失活的影响[19]。因此，BMP/Smad信号通路是铁调素调节的核心。
动物实验结果显示，野生型小鼠肝细胞中的HAMP mRNA、BMP-6 mRNA及Smad，均较HJV基因敲除组明显增高(P<0.05)[20]。还有研究结果表明，HJV基因缺失并未直接影响IL-6/STAT3信号通路，而是严重损害BMP-6/Smad信号通路[21]。上述研究结果表明，HJV基因缺失对铁调素表达及Smad信号通路发挥抑制作用。HJV基因可有效抑制铁调素表达，提高铁调素过表达引起的炎症和非炎症状态下的Hb水平，因此HJV抗体可能是慢性病性贫血(anemia in chronic disease，ACD)和难治性缺铁性贫血(refractory iron deficiency anemia，IRIDA)的治疗提供新方法[22]。
HJV基因突变是遗传性血色素沉着症的病因之一。Latour等[23]对HJV和BMP-6基因交叉敲除小鼠的研究结果证实，BMP-6和HJV可以单独刺激铁调素表达；在F2子代小鼠中，BMP-6和HJV基因缺失可进一步抑制铁调素；无论雌、雄性小鼠，BMP-6基因缺失可显著抑制HJV－/－小鼠已经减少的铁调素表达。还有研究结果显示，BMP-6基因无需通过HJV基因向铁调素传导信号以发挥细胞内铁调节作用[24]。由此可知，BMP与HJV对铁调素的调节既相互独立，又相互影响。
TLR4/MyD88信号通路是炎症反应过程中的关键通路，广泛存在于各种细胞中。TLR主要在机体免疫应答中发挥作用[25]。TLR4被认为是革兰阳性菌脂多糖的识别受体，是感染性刺激介导的促炎性反应引发的关键受体之一，具有炎症反应放大作用。TLR4由其配体和脂多糖结合蛋白、CD14及骨髓分化蛋白(myeloid differentiated protein，MD)2这3种不同的细胞外蛋白激活，上述蛋白在细胞膜上表达。TLR4复合物活化后，在细胞质中发生寡聚作用，并招募下游适配器蛋白MyD88等。MyD88依赖下游信号分子白细胞介素-1受体相关激酶(interleukin-1 receptor-associated kinase，IRAK)和肿瘤坏死因子受体相关因子(tumor necrosis factor receptor associated factor，TRAF)6激活c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)和激活蛋白(activator protein，AP)-1，从而显著提高铁调素启动子活性[26]。研究发现，TLR-2和TLR-4配体在野生对照组小鼠巨噬细胞中可激活铁调素表达，但是在TLR2－/－、TLR4－/－或MyD88－/－小鼠腹腔巨噬细胞中，均无法发挥该激活作用[27]。Layoun等[28]模拟慢性铁超载研究中，给小鼠喂食富含铁的食物2周，结果显示，MyD88基因敲除组小鼠的铁调素水平较野生型对照组显著降低，并且前者在铁负荷膳食下肝脏中积累的铁显著多于后者(P<0.000 1)。因此，铁调素表达主要通过MyD88参与铁调节。
大量脂多糖可诱导机体激活体内巨噬细胞、单核细胞和内皮细胞释放炎性因子，引发全身炎症反应。TLR4能特异性识别脂多糖并引起免疫应答，细菌清除和宿主炎症反应的关键调控因子。TLR4信号通路的特定抑制剂多粘菌素B，可抑制脂多糖与TLR4结合。Nemeth等[29]在肝细胞体外培养液中加入内毒素脂多糖，发现HAMP mRNA表达水平升高2～3倍。亦有研究采用脂多糖分别处理野生对照组及TLR4基因敲除型小鼠，对照组小鼠肝细胞HAMP mRNA水平明显高于TLR基因敲除型，提示脂多糖是肝细胞中铁调素的有效诱导因子，而肝TLR4是铁调素产生的主要信号受体[30]。
PI3K/AKT信号通路参与细胞代谢、生长、增殖、存活、转录，以及蛋白质合成等功能调控。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)是PI3K/AKT信号通路下游的重要丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，可通过激活核糖体激酶，调节肿瘤细胞增殖、存活和侵袭转移[31]。雷帕霉素作为mTOR信号通路抑制剂，通过与免疫亲和素12.6-kDa FK506结合蛋白(12.6-kDa FK506-binding protein，FKBP12)结合而抑制mTOR，激活肝细胞内铁调素。有研究采用雷帕霉素、索拉非尼分别处理小鼠原发性肝癌细胞，并且检测其HAMP mRNA表达水平，结果显示，雷帕霉素组、索拉非尼组HAMP mRNA表达明显增高[32]，这提示mTOR和Raf抑制剂可诱导HAMP mRNA表达。
接受雷帕霉素治疗的患者可出现轻度贫血和小红细胞症(microcytosis)，这与铁调素过量临床表现一致[33]。还有研究者认为，雷帕霉素激活铁调素的分子机制，是由FKBP12介导的。FKBP12优先结合ALK2，与FKBP12结合受损的ALK2突变体激活BMP/Smad信号通路，并且以不依赖配体的方式在体外增加铁调素表达[34]，因此，FKBP12被认为是一种新的铁调素调控因子。
铁调素作为一种负向调节铁代谢的激素，在铁过载疾病、慢性病性贫血等疾病发病机制中发挥重要作用。铁调素的调节有多种信号通路参与，同时铁调素在多种肿瘤细胞中呈高表达，相关研究者亦认为其与肿瘤细胞具有复杂联系，可作为预测肿瘤细胞的生物标志物，但是其具体机制，仍然有待于进一步探索。
所有作者均声明不存在利益冲突
