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1、铁对基因表达的调控摘要：铁作为动物生长发育及生产所需要的重要营养成分，既可作为代谢过程的底物和辅助 因子，又可对许多编码基因的表达进行直接或间接的调控，本文综述了铁对基因表达的调控 方式及途径，介绍铁对部分基因表达的主要影响。关键词：铁；基因表达；调控各种营养物质作为外部因子与基因表达相互作用，它们的关系表现在两个方面：一方面 养分的摄入量影响基因表达；另一方面基因表达的结果影响养分的代谢途径和代谢效率，并 决定动物的营养需要量。随着分子生物学理论和技术的快速发展，微量元素铁调控基因表达 的方式、途径、机制得以不断揭示，其重要性得到了重视。1铁的生理功能铁对动物有多种功能，主要表现在：铁是构成
2、血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素和多种氧 化酶的重要成分，作为氧的载体，保证体组织内氧的正常输送；血红蛋白中的铁对于维持机 体每个器官和每种组织的正常生理作用是不可缺少的；铁在胎盘中是以转铁蛋白的形式存 在；以乳铁蛋白的形式存在于哺乳动物乳汁-胰液-泪液及白细胞胞浆；以铁蛋白和血红素形 式存在于肝中；在禽卵和爬行类卵蛋白中存在的卵转铁蛋白；并且铁也是构成机体内许多代 谢酶的活性成分，如：铁硫蛋白、细胞色素、细胞色素氧化酶、过氧化物酶等；铁与某些酶 的活性有密切的关系，如乙酰辅酶A，琥珀酸脱氢酶，黄嘌吟氧化酶，细胞色素还原酶，是 激活这些碳水化合物代谢酶的不可缺少的活化因子1。在细胞生物氧化过程中发
3、挥着重要作 用。现代研究证明：铁与能量代谢密切相关，因为三羧循环中有一半以上的酶和因子含铁或 者只有铁存在时才能发挥其生化作用，完成生理功能#铁还影响动物体内的蛋白质合成和免 疫机能。缺铁或铁的利用不良，将导致氧的运输、贮存，二氧化碳的运输及氧化还原等代谢过程紊乱， 影响生长发育甚至发生贫血等各种疾病。机体若贮铁或摄铁不足，或因寄生虫感染缺铁，或 红细胞分解速度大于合成速度则出现缺铁性贫血，贫血可发生于生长的任何阶段需要人工 补铁。2铁对基因表达调控的主要机制2.1在转录水平上的调控基因表达是指动物体内的DNA转录成几股信使RNA(mRNA),再以mRNA为模板合成蛋白质的过 程.基因的表达要
4、受到转录水平,转录后、mRNA翻译、翻译后等过程的调节。.研究表明，营 养物质在每一步都可对基因的表达产生影响，但主要是在转录水平的调控，这种调控的主要 内容是对RNA聚合酶活性及正确起始位点的调节，这种调节主要是由DNA分子上所谓的启动 子部位来完成，这一部位可与RNA聚合酶II以及许多转录因子相结合.启动子位于同一条DNA 链上结构基因5侧翼区上游,被称为顺式作用元件，通常位于距转录起始点40-200碱基对 的位置.反式作用元件是由那些影响转录的其他基因所产生的因子，主要包括一些蛋白质或 肽类激素，类固醇-受体蛋白复合物，维生素-受体蛋白质,矿物质或矿物质-蛋白质复合物。2.2 RNA转录
5、后水平的调控基因表达的转录后调控是控制许多基因表达的第二阶段，主要包括:mRNA前体(hmRNA) 加工成熟的调节,即加帽，加尾，剪接，碱基修饰和编辑等,mRNA稳定性的调节，与DNA和其 他RNA相比,mRNA的半衰期非常短.如果mRNA的半衰期缩短或延长，可影响蛋白质合成的量， 通过调节某些mRNA的稳定性(由mRNA合成速度和降解速度共同决定)使蛋白质合成量受到一 定程度的控制.2.3 mRNA翻译的调控研究表明，经过转录后加工的RNA只有5 %离开细胞核,离开细胞核的mRNA并不是都是 翻译成蛋白质，细胞质中存的成熟mRNA有3条去路:一是被激活并翻译成相应的蛋白质，二是 被钝化以非翻
6、译的形式存在，三是被降解.在真核生物中mRNA不但包含可翻译序列，为蛋白 质的编码序列，而且也包含非翻译序列，它位于编码区的5和3末段,分别叫5和3非 翻译区(UTR) .许多营养素或激素都可与5或3UTR调节互作来实现基因表达的调节.如铁 对转铁蛋白受体及铁蛋白基因的调控，硒对含硒蛋白基因调控等.2.4翻译后水平的调控对于一些特殊蛋白质还要经过翻译后修饰，才能转化为活性蛋白，如凝血酶原蛋白质的 激活需要Ca2+和其他一些凝血酶因子.3铁对基因表达的调控3铁在动物体内主要以Fe3+或Fe2+形式存在,是组成血红素、细胞色素及许多酶的必需成分.目 前，对基因表达调控的典型代表是转铁蛋白和铁蛋白，
7、Bremner等(1990)报道，铁通过控制 RNA的稳定性和翻译来调节转铁蛋白和铁蛋白的水平.Mcknight等(1980)在肉鸡试验中发现, 日粮中缺铁将导致血液中转铁蛋白含量迅速增加，肝脏中转铁蛋白的基因mRNA含量增加到 正常水平的2. 5倍;当饲料中补铁后，转铁蛋白基因的mRNA含量和转铁蛋白基因的含量在3 d内恢复到正常水平，鸡肝脏中的贮存量也同时增加.研究证明，由于铁缺乏引起的转铁蛋白 基因表达的加强，是通过提高转录水平来实现的铁对铁蛋白基因表达的调控与对转铁蛋白 基因表达控制不同，当铁存在时，它能与反应要素结合，导致暴露翻译起始位点，使细胞中很 快合成铁蛋白，而且铁的含量越高，
8、铁蛋白基因的表达就越强，当铁的供给不足，起始位点被 铁反应要素覆盖，铁蛋白的合成就快速停止4H5。铁对基因表达的调控比较复杂，在对铁代谢相关蛋白基因表达的调节中，IRE-IRP依赖 型转录后调控模式是最重要的一种调控机制。TfR1和DMT1( +IRE)mRNA 3端非翻译区含有 IRE,而铁蛋白和eALASmRNA 5端非翻译区也含有IRE，通过铁调节蛋白，这些不同基因对 细胞中铁浓度变化作出应答反应，产生统一的调节。此外，有些受铁调节的基因，其mRNA 上不含有IRE，如TfR2, DMT1 ( -IRE ),SFT和hepcidin ,所以铁对这些基因表达的调控 不遵循I RE-旧尸型调
9、控模式。下面具体阐明介绍铁对基因表达的IRE-IRP依赖型转录后调 控模式。铁调节蛋白(IRP)可作用于靶基因上的IRE，进而调节基因表达。铁调节蛋白有两种， IRP-1和IRP-2,前者起主要作用。IRP-1是一种存在于胞浆中的顺乌头酸酶，当细胞铁充足 时，IRP-1含有一个4Fe-4S簇结构，并与3个半肤氨酸残基结合，此时IRP-1具有顺乌头 酸酶活性，不能结合IRE,即无铁调节蛋白活性;当细胞内铁缺乏时，IRP-1则失去4Fe-4S 簇结构，形成无铁一硫簇的脱辅基蛋白，此时无顺乌头酸酶活性，却具有铁调节蛋白活性， 可与IRE结合。无铁硫簇时，可使蛋白构象发生变化，使IRP-1暴露IRE结
10、合位点。铁浓度变化对基因表达的调节机制:在铁缺乏的情况下，IRP就会结合到DMT1(+IRE)和 TfR1 mRNA的3非翻译区的IRE上，以便保护mRNA，防止被核糖核酸酶降解，从而使mRNA 的稳定性增强、增加由mRNA翻译成蛋白的数量，即DMT1(IRE)和TfR 1数量增加，小肠吸收 上皮细胞对食物中铁的吸收增加，外周组织需铁细胞对铁的摄入增加;在铁充足的情况下， 由于IRP形成铁一硫簇结构，失去了与【RE结合能力，因此IRP就会从DMT1 (+IRE)和TfR 1 mRNA上离开，mRNA就会被核糖核酸酶降解，从而降低了 mRNA的翻译，降低了 DMT1 (+IRE) 和TfR 1的
11、合成，最终降低了机体对铁的吸收和细胞对铁的摄入。应该指出的是，上述铁对 TfR1 mRNA表达的调控机制只适用于非红细胞，而红细胞内铁水平对红细胞中TfR1 mRNA的 表达无重要影响。红细胞分化时TfR 1表达是在转录水平向上调节，铁反应元件和铁调节蛋 白反馈机制不参与TfR 1表达的调控，而是其它的转录因子促进分化时期TfRi基因的高转录 速率。同时应该指出的是，肝脏在维持机体铁稳态中有其特殊作用，不同铁状态下肝细胞中 DMT1和Tf R的表达与一般细胞不同。铁过量情况下，肝脏是最先受累也是铁蓄积最重的一 个器官，虽然肝细胞TfRi的表达下降，但肝细胞对铁的摄取仍不断增加，这时起作用的主
12、要是 TfR2 和 DMT1 (-IRE)。铁浓度的变化也会对铁蛋白和eALAS基因的表达产生影响。在铁缺乏的情况下，IRP就 会结合到铁蛋白基因mRNA5端非翻译区的IRE上，阻止mRNA与核糖体结合，因而抑制翻 译的起动，从而减少铁蛋白的表达，减少铁的贮存。进一步铁缺乏时，IRP也会以同样的方 式结合到eALAS基因mRNA 5端非翻译区的IRE上，减少eALAS基因的表达血红素合成下 降。在铁充足的情况下，IRP就会从mRNA离开并启动这 两种mRNA的翻译，使eALAS表达 增加，血红素合成增加，红细胞系铁的利用增加。铁蛋白也增加，并增加铁的贮存。4铁对基因表达的主要影响细胞利用多种顺
13、式作用RNA元件(IRE)和一种或两种反式作用蛋白(IRF)来调节与细胞内铁 代谢有关的两种基因，即调节编码铁蛋白(ferritinFn)的mRNA翻译和编码运铁蛋白受体 (transferrin receptor TfR)的 mRNA 降解。研究发现，运铁蛋白受体(transferrin receptorTfR)的mRNA3端不译区具有5份不完全一样的铁反应元件(IRE)。IRE和一种铁反 应因子(IRF)结合，使mRNA趋于稳定。当加入铁离子则IRF失活,运铁蛋白受体mRNA降解(Dix 等，1993)。而铁蛋白(ferritin Fn)的mRNA5端有28个核苷酸的IRE，其中3处各有1
14、-2 个核苷酸可以配对。此IRE的5和3侧翼也各有3个核苷酸可以配对。IRE和一种IRE 结合蛋白(IRF)相互作用。无铁离子时，不能翻译;有铁离子或血红素时,IRE结合蛋白降解， 翻译得以进行。破坏IRE5和3侧翼3对碱基，降低铁离子的调节能力;3对碱基恢复配对， 可回到野生型的调节水平;增加配对碱基数并不提高调节能力(Dowd等,1994)。IRF是一种 分子量为98 kDa的蛋白质,480-623氨基酸残基片段有RNA特异结合位点。人与大鼠的IRF 有92%的一致性，与其它种属(猪等)比较也有至少32%的保守片段。而IRF具有双重功能和共 调节作用,其双重功能是指基因表达调控功能与顺乌头
15、酸酶催化功能。结构上IRF的化学本 质是脱辅基的顺乌头酸酶，该酶在线粒体中催化柠檬酸转变为异柠檬酸(在胞浆中该酶作用 不详)IRF的构型和功能由所结合的Fe-S簇中Fe含量决定。当细胞内铁含量充足时，形 成4Fe-4S,IRF具有酶活性而无RNA结合活性;铁含量下降时，转为3Fe-4S,IRF分子变构 失去酶活性而具有RNA结合活性。IRF的共调节作用是指IRF对铁蛋白mRNA和运铁蛋白受 体mRNA同时进行作用相反的调节。当细胞内铁耗竭时,IRF结合铁蛋白mRNA5端非翻译区IRE,形成有效抑制转录子翻译起始的高度稳定的茎环结构，使原来为翻译正调元件的区域变 为翻译负调元件。同时,IRF结合
16、运铁蛋白受体mRNA3端IRE，增加其转录子稳定性，减缓 mR-NA 降解(Felicia 等，1987;Guo 等，1994;Hinneb-usch,1990)卬。此夕卜，还发现了一种 分子量为105 kDa的IRF2,有抑制铁蛋白翻译的活性,没有顺乌头酸酶活性，这个IRF2需要 更为深入的研究(Kimel等，1992)两。5受铁调节的基因的结构和功能5.1转铁蛋白受体转铁蛋白受体(transferrin receptor, TfR)有两种，转铁蛋白受体，(TfR1)和转铁 蛋白受体2 (TfR2 )。TfRi1由TfR 1基因编码，后者产生一种重要的5kb mRNA,它有异常 大的3端非翻译区，大约含2500个核昔酸，此区有5个聚集在一起的铁反应元件(iron responsive element, IRE)，每一个IRE都能结合一个细胞质铁调节蛋白(iron regulatory pr
