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铁蛋白研究进展摘要铁蛋白是广泛存在于生物体的铁贮藏蛋白 ,具有调节铁代谢平衡、 抗氧化胁迫、 消除部分重金属和有毒分子的毒害等功能.随着其结构和功能研究的深入 ,铁蛋白渐成为相关领域研究的热点之一.铁蛋白在基因研究、 与疾病的关系、 生物反应器、 分离与纯化、 含量测定方法、 铁释放动力学、 纳米材料和抗体制备等方面都有了很大的进展.关键词:铁蛋白;功能;研究现状;转基因;疾病铁蛋白(ferritin)于 1937 年由Laufberge 从脊椎动物马的脾脏中纯化分离出来1,具有耐稀酸 p H = 2. 1、 耐稀碱 p H =12. 1和耐较高温度 7075 不变性等特性2.铁蛋白分子质量 450 kD ,外形结构呈球形 ,由蛋白壳和铁核两部分组成.蛋白壳由 24 个亚基组成高度对称性的结构 ,厚度约 22. 5 nm ,外径1113 nm ,内径89 nm.铁核位于蛋白壳中心 ,由数千氢氧化铁分子和数百磷酸盐分子组成非均匀的结构 ,直径约 78 nm.哺乳动物铁蛋白由 H 和L 两种亚基以不同比例组成 ,植物、原核生物以及非脊椎肝铁蛋白由相同亚基组成2.动物铁蛋白大部分分布在肝、 脾、 骨髓、 骨骼肌和肠粘膜中3.植物中主要分布在低光合活性的非绿色质体如前质体、 白色质体、 有色体、 造粉体以及种子、 幼苗、 根的顶部4和豆科植物年幼的根瘤中5.目前有关铁蛋白的研究越来越多 ,本文简单介绍了铁蛋白的主要功能 ,对其国内外研究现状进行了详细的综述.1 铁蛋白的主要功能1. 1 调节铁代谢平衡铁在细胞内的浓度需要严格控制1,一方面 ,机体缺铁会引起很多生理上的变化 ,也会引发某些疾病 ,最常见的是缺铁性贫血;另一方面 ,铁又不可过量 ,否则可发生铁中毒 ,引起胃肠道出血 ,大量铁积聚在肝脏等重要脏器 ,引起肝功能损害等疾病3.铁蛋白主要在释放和储存上对铁代谢进行调控1.当体内铁含量过高时 ,铁以 Fe2 +的形式贮存于铁蛋白中3,铁蛋白贮存铁的过程包括二价铁氧化、 铁离子移动和矿质铁心的形成和生长6.在出血或其他需要铁的情况下 ,贮存的铁可以释放 ,参与造血或其他含铁化合物的合成31. 2 抗氧化胁迫过量铁会导致氧化性胁迫 ,称为 Fenton 反应( Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH - + OH) .二价铁能活化 H2O2 ,形成羟自由基( OH) ,它具有很强的氧化能力 ,能改变细胞的成分 ,导致细胞完整性的损失 ,甚至导致细胞死亡.铁蛋白通过截获细胞间铁 ,从而阻止铁参与 Fenton反应 ,避免产生具有很强活性的 OH,从而保护细胞免受因各种环境胁迫而导致的细胞氧化性损伤1.1. 3 消除部分重金属和一些有毒分子的毒害铁蛋白不仅可捕获各种重金属和劳氏紫等有机小分子7,也适合于捕获有机磷农药8.除上述功能外 ,铁蛋白在体外还有吸氢及直接从金属电极上接受电子等功能9.2 铁蛋白基因研究现状2. 1 植物铁蛋白基因研究由于植物性食物的铁含量低 ,且存在吸收率低的问题 ,使得人类铁营养主要依耐于动物食品.在以谷物等食物为主要来源的人们中 ,尤其是发展中国家存在严重的缺铁问题1.近年来铁蛋白基因作为提高植物铁含量的候选基因而倍受关注10,原因是: (1)铁蛋白贮存铁的能力高于其它蛋白; (2)铁蛋白由特殊酶亚基形成 ,无需导入任何其它基因诱导产生翻译产物; (3)铁蛋白在单、 双子叶植物中都存在; (4)铁蛋白中铁以生物可以利用形式存在.克隆其基因并导入经济作物 ,实现稳定而高效的表达 ,将会提高植物的铁营养成分.植物中有关铁结合蛋白基因的分离和克隆已涉及大豆、 豌豆、 豇豆、 苜蓿、 玉米、 油菜、 拟南芥、 马铃薯、 兰花等植物1.迄今 ,运用转基因技术将外源铁蛋白基因导入经济作物中已有许多成功报道. Goto 等11将由 35S启动子驱动的大豆铁蛋白基因 ,通过农杆菌转入莴苣后 ,发现含铁量明显提高.据报道12,日本东京大学的专家用中介体把大豆基因注入水稻中 ,发现这种稻米的含铁量十分丰富 ,每天食用 200 g左右就可满足人体需要的铁.2. 2 动物铁蛋白基因研究动物转基因技术相对于植物转基因技术而言转化效率低、 操作困难 ,目前动物铁蛋白的研究主要集中在基因的分离和克隆上.易新元等13利用未成熟卵免疫的兔血清筛选日本血吸虫铁蛋白 cDNA 文库获得日本血吸虫铁蛋白基因. Min2Sun等14从腹蛙输卵管cDNA 文库中克隆了两个铁蛋白重链 ,均表现出较高的同源性.在转基因方面的研究则较少 ,袁鑫等15根据 GenBank日本血吸虫铁蛋白基因的序列设计 1 对特异性引物 ,利用 PCR 从cDNA 文库中扩增该基因 ,获得转化植株 ,表明该基因可在油菜中正确表达.2. 3 微生物铁蛋白基因研究目前国内有关微生物铁蛋白基因的研究很少 ,国外相对多一些.细菌中已经发现三种特征铁蛋白: (1)典型铁蛋白( Ft-nA) ,在真核生物( H 链)中也有发现; (2)血包含细菌铁蛋白(Bf r) , 广泛存在于细菌中; (3) DNA 结合铁蛋白(Dp s) ,存在于细菌和古细菌中16. Andrews等17发现 E. col i铁蛋白基因由 474 bp 的碱基组成 ,其顺序编码一种 158 个氨基酸的多肽.3 铁蛋白与疾病的研究现状3. 1 心脑血管疾病随着经济的迅猛发展和人们生活方式的改变 ,心脑血管疾病已成为威胁人们健康的头号杀手.自 1981 年 Sullivan 提出铁假说以来 ,铁贮藏量与心脑血管疾病的关系已成为大量讨论的论题18 ,19.许多研究表明 ,血清铁蛋白(Serum ferritin , SF)与动脉粥样硬化、 冠心病、 急性脑梗死等心脑血管疾病的形成有关.大多数研究用 SF 水平评估铁假说 ,未来的研究是辨别铁蛋白水平升高究竟是病因 ,还是疾病过程副产物19. 3. 2 肝脏疾病肝脏是体内铁代谢的重要器官 ,当肝细胞内铁过度沉着 ,会引起肝细胞受损、 肝硬化乃至肝癌. SF含量的检测能够反映肝脏的载铁量 ,许多研究已经证实了这一点.刘俊峰等20选择确诊肝炎、 肝硬化各 30 例 ,原发性肝癌 11 例 ,测定 SF 含量 ,结果说明其不受体内铁贮存状态影响 ,与肝细胞损伤程度密切相关 ,能真实反映肝脏功能状况.赵花等21对肝炎患者与健康者的SF检测对照进行比较 ,得到的结论是肝炎患者定期测定 SF 含量 ,可协助临床医生及时观察肝脏受损程度 ,降低肝硬化和肝肿瘤的发生率.3. 3 肿瘤肿瘤标志物检测是近年研究较多的肿瘤诊断方法. Ricolleau等22在寻找乳腺癌相关的新型生物标志物时 ,发现铁蛋白或许可以作为乳腺癌的诊断性标志物.李静等23对 45 例初发期急性白血病(acute leukemia , AL) 、 30 例完全缓解期 AL 及 15例复发期 AL ,15 例难治性 AL 患者进行了 SF的检测 ,发现 SF水平随着病情控制逐渐降低 ,复发后再次升高.3. 4 2 型糖尿病2004 年 ,美国哈佛大学24公布了一个有关体内铁含量与 型糖尿病发病关系的前瞻性研究 ,提示铁代谢异常可能在 型糖尿病发病中有重要作用.目前 型糖尿病的发病机制尚未明确 ,铁超负荷可能是通过胰岛素抵抗途径参与糖尿病的发生 ,也可能只是 型糖尿病发病众多因素之一.若能确认铁蛋白增加是糖尿病的一个重要的生物标志 ,在 型糖尿病众多的环境因素和遗传背景中 ,铁蛋白就可能作为一个潜在的新的候选诊断指标25.3. 5 缺铁性贫血目前 ,缺铁性贫血以妇女、 学龄前儿童和老人最严重1.已有较多文献报道了对孕妇贫血的研究 ,并公认 SF 水平能较好反映体内铁储备状态.张红岩等26对 240 例妊娠期妇女不同孕期 SF含量进行测定 ,结果显示 SF的含量随孕期增长而降低 ,测定妊娠期 SF可以确定孕妇有无缺铁性贫血 ,以及时补充铁剂 ,预防和治疗孕妇贫血.3. 6 其他疾病除上述疾病外 ,还有研究显示铁蛋白水平异常与艾滋病、 代谢综合征、 成人斯蒂尔病、 早产、 胸水等相关27 - 31.4 其他方面研究现状4. 1 铁蛋白结构研究近十几年来 ,在铁蛋白生理功能和铁代谢途径方面的研究获得一系列具有科学价值的理论和应用成果 ,在蛋白壳的结构方面更为显著32. Hempstead P D等33在 1. 9 埃的高分辨率下研究了重组人 H 链和马 L 链同源多聚体的三维结构 ,发现二者结构非常相似. Park等34用高分辨率双向凝胶电泳技术分离人类铁蛋白轻链亚基 ,用胰蛋白酶消化技术和 MALDI2TOF质谱技术研究该轻链亚基的肽指纹图谱 ,用于轻链亚基的部分一级结构分析.4. 2 铁蛋白分离纯化研究自首次从脊椎动物中纯化到铁蛋白后 ,又从无脊椎动物、 植物和微生物中纯化或鉴定到铁蛋白.相对于动物铁蛋白来说 ,植物铁蛋白分离纯化的研究起步晚1.袁小红等1将干豌豆种子粗提物经 MgCl2 盐析、 AcA22凝胶过滤和 DEAE - 纤维素阴离子交换柱层析等方法进行纯化 ,获得纯铁蛋白.陈旭等35采用硫酸铵分级盐析、 DEAE阴离子交换层析、 Sephacryl S - 300凝胶层析技术分离纯化鲨鱼肝铁蛋白和魟鱼肝铁蛋白.4. 3 铁蛋白释放铁动力学研究迄今为止 ,虽对铁蛋白释放铁动力学进行了详细的研究 ,但对铁蛋白释放铁的规律和特性仍持有争议.黄河清36采用差示法研究铁蛋白释放铁的动力学规律和反应级数的转换.结果表明:马脾铁蛋白释放铁的速率及相数与还原剂 Na2S2O4 浓度及铁还原速率无关 ,与该蛋白蛋白壳的调节速率有关.黄琳等37制备了质谱纯棕色固氮菌细菌铁蛋白 ,并采用释放铁动力学和肽质量指纹图谱技术分别对其进行鉴定 ,结果表明铁蛋白亚基之间的相互作用强度差异性可能是铁蛋白参与释放铁、 储存铁和捕获有机小分子另一种新途径与过程.4. 4 铁蛋白反应器研究近年来生物监测和卫星遥感技术在水体污染评价中的应用愈来愈广泛.遥感技术要真正实现大范围的连续监测 ,必须结合能准确反映水体污染程度的生物反应监测器7.黄河清等在这方面做了大量的研究工作 ,1999 年36模拟海水流动水体系 ,研究马脾铁蛋白反应器储存有毒金属离子的能力及规律;随后构建了硒 - 铁蛋白电化学反应器8,改造后的硒 - 铁蛋白不仅引起蛋白的构象变化 ,而且适当地拓宽了隧道宽度 ,加速了对有机磷农药的储存;2008 年7构建鲨鱼肝铁蛋白反应器 ,推断有机磷分子的储存位点位于表层 ,储存能力受控于含高磷铁比的铁核表层结构和储存有机磷的场所 ,并与介质中有机磷分子浓度有关.此外 ,在铁蛋抗体的制备38、 铁蛋白纳米材料的研制39、 铁蛋白含量测定方法40等方面也有所研究.5 小结铁蛋白转基因研究已取得了一定的进展 ,已在实验室中获得了转大豆铁蛋白基因水稻、 转菜豆铁蛋白基因苹果等含铁量较2高的作物 ,说明铁蛋白为缓解全球铁营养缺乏病是可能的.今后的研究将集中在对铁蛋白转基因技术进行改进 ,寻找更加快捷、 高转化率的转基因方法.当然 ,要把转铁蛋白作物从实验室推广到农田 ,还有一段长的路要走.随着铁蛋白与疾病相互关系的不断研究 ,越来越多的研究显示铁蛋白水平异常与许多疾病(如心脑血管疾病、肿瘤、2 型糖尿病等)相关 ,说明铁蛋白将可以作为这些疾病诊断和治疗的辅助手段.由于铁蛋白结构的特殊性 ,可利用它构建多种反应器 ,用于监测流动水域的水体污染;此外 ,还可利用铁蛋白构建纳米材料 ,在生物医药方面将有着广泛的应用价值.铁蛋白在应用上各种研究的深入 ,促进了其结构、分离纯化、 含量测定、释放铁动力学、抗体制备等方面的发展.随着分子生物学、医学、蛋白质组学、现代分析技术的发展以及对铁蛋白的进一步研究 ,铁蛋白将在许多行业以及人们的日常生活中起着越来越重要的作用.参考文献 1 袁小红,杨星勇,罗小英,等.豌豆铁蛋白的纯化及其抗血清的制备J .中国生物化学与分子生物学学报,2002 (5) :614 - 618. 2 王群力,孔波,黄河清.铁蛋白纳米蛋白壳结构与功能研究新进展J .化学进展,2004 ,16 (4) :5162519. 3 朱王飞,钱胜峰.铁与人体健康J .膳食指南,2004 (3) :47249. 4 Lescure A M , Proudhon D , Pesey H , et al . 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