CC BY
653
УДК:577.11:612+616
Н.Е. Тарасова, Е.Д. Теплякова
ФЕРРОКИНЕТИКА И МЕХАНИЗМЫ ЕЁ РЕГУЛЯЦИИ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Ростовский государственный медицинский университет, кафедра поликлинической педиатрии
За последние годы произошел значительный прогресс в понимании ранее мало изученных звеньев регуляции обмена железа. Благодаря новым технологиям раскрыты процессы всасывания железа и взаимодействия факторов, влияющих на его метаболизм в норме и патологии. Метаболизм железа является уникальным процессом и осуществляется целым рядом белков. К белкам, участвующим в абсорбции и регуляции гомеостаза железа в энтероцитах, относятся ферропортин, дивалентный металлотранспортер или дуоденальный металлотранспортер (ДМТ1), дуоденальный транспортер — цитохром В (DcytB), гефестин, железо-чувствительные элементы (IRE), железо-регуляторный белок (IRP), а также регуляторный пептид — гепсидин. Особое внимание уделено гепсидину, который признан ключевым железо-регуляторным гормоном, влияющим и на абсорбцию пищевого железа и на высвобождение железа из макрофагов при его рециркуляции из стареющих эритроцитов. Гепсидин является медиатором развития так называемой анемии хронических воспалительных процессов и связующим звеном метаболизма железа и иммунного ответа. Приводятся сведения о взаимосвязи гепсидина с другими железо-регуляторными протеинами и гипоксией индуцированным фактором (HIF-1), о механизмах некоторых форм железодефицитных состояний и перегрузки организма железом.
Ключевые слова: метаболизм железа, гепсидин, железосвязывающие белки, цитокины.
N.E. Tarasova, E.D. Teplyakovа
FERROKINETICS AND THE MECHANISMS OF ITS REGULATION IN HUMAN ORGANISM
Rostov State Medical University, Department of Polyclinic Pediatrics
Our knowledge of poorly studied aspects of iron metabolism has greatly expanded recently. The new techniques allowed to reveal and study iron absorption and interaction of factors, influencing its metabolism in both healthy and ill individuals. Iron metabolism is a unique process and is regulated by a number of proteins. The proteins involved in the absorption and regulation of homeostasis of iron in enterocytes are ferroportin, divalent metallotransporter or duodenal metallotransporter (DMT1), duodenal transporter — cytochrome B (DcytV), gefestin, iron-responsible elements (IRE), iron-regulatory protein (IRP) as well as regulatory peptides hepsidin. The particular attention is devoted to hepsidin, a key iron-regulating hormone, that can control both the total body iron by modulating intestinal iron absorption as well as promote iron release from the macrophages by recycling it from effete red blood cells. Hepsidin is the mediator of the development of the so called anemia of the chronic inflammatory processes and the linking part of iron metabolism and immune response. Data concerning the interaction of hepcidin with other iron-regulating proteins and hypoxia induced factor (HIF-1), as well as pathogenesis of some iron deficiency and iron overload are presented in the article.
Key words: iron metabolism, hepsidin, transporters of iron, cytokins.
Железо является необходимым компонентом для функционирования, роста и деления клеток [1]. Исключительная роль железа определяется важными биологическими функциями белков, в состав которых входит этот биометалл: гемоглобина и миоглобина; ферментов, участвующих в окислительном фосфорилировании, детоксикации ксенобиотиков и продуктов эндогенного распада, а также биосинтезе ДНК и делении клеток [1,2]. Железо — это переходный металл, легко отдающий электрон, в силу этого способный запускать цепные свободнорадикальные реакции, приводящие к образованию большого количества высокоактивных радикалов кислорода, которые могут повреждать клеточные мембраны, нуклеиновые кислоты, а также влиять на продукцию цитокинов, вызывая процесс фиброзообразования. Мишенями токсического воздействия железа являются в первую очередь паренхиматозные органы (печень и эндокринная система) и миокард. Как дефицит железа, так и его избыток ведут к крайне неблагоприятным последствиям для организма [3,4,5].
В организме здорового человека содержится около 3—5 г железа (большая часть железа содержится в клетках крови и костного мозга, до 1 г содержит печень, 600 мг входит в состав макрофагов, на долю остальных клеток приходится 400 мг железа) [6]. Гомеостаз железа поддерживается за счет регуляции процессов всасывания в кишечнике, возвращения в циркуляцию железа, освободившегося из стареющих эритроцитов, и депонирования. При этом практически все железо находится в связанном с белками виде, свободные ионы металла присутствуют в организме в крайне низких концентрациях. На сегодняшний день известно около 20 видов белков, участвующих в метаболизме железа.
Трансферрин (ТФ) — белок плазмы крови, предназначенный для транспорта внеклеточного железа. В случае если все емкости трансферрина заполнены железом, в плазме крови находится железо, связанное с другими белками плазмы, прежде всего с альбумином (NTBI — nontransferrin-bound iron; не связанное с трансферрином железо). Эти связи нестабильны и таят опасность образования свободных ионов железа. Нагруженный железом трансферрин связывается с трансферриновым рецептором на поверхности клетки и таким образом попадает внутрь клетки-мишени. Внутри клетки комплекс распадается, трансферриновый рецептор выходит на поверхность клетки, часть железа используется для синтеза гемоглобина и других же-лезосодержащихся белков, а часть депонируется в нетоксичной форме в составе ферритина [7].
Поддержание равновесия железа у человека требует механизмов контроля потребления и мобилизации из запасов, поэтому связь между клетками, потребляющими железо и депонирующими его, должна строго регулироваться [8].
Железо, поступающее с пищей, подвергается всасыванию в тонком кишечнике, которое регулируется белками энтероцитов. К ним относятся ферропортин, переносчик двухвалентных катионов (ДМТ1), дуоденальная ферриредуктаза — ци-тохром В (DcytB), гефестин, Fe-чувствительные
элементы (iron-responsive-elements — IRE), Fe-регуляторный белок (iron-regulator-protein — IRP), а также регуляторный пептид — гепсидин [9].
Для гомеостаза железа наиболее важными являются клетки, находящиеся в эпителиальном слое дуоденального отдела кишечника — энтероциты, которые являются высокоспециализированными клетками, координирующими абсорбцию и транспорт железа ворсинками. Регуляция абсорбции железа происходит в двух слоях внутреннего эпителия: на апикальной и базолатеральной мембранах. При этом апикальная мембрана специализирована для транспорта гема и Fe2+. Железо, поступившее с пищей, находится в окисленной форме Fe+3. Оно захватывается апикальной поверхностью эн-тероцита и при помощи DcytB, обладающего фер-рооксидазной активностью, восстанавливается в Fe+2 и переносится к базолатеральной поверхности энтероцита с помощью ДМТ1. Гем абсорбируется рецептором гем-переносящего протеина-1 (HCP-1) и освобождается от железа гемоксигеназой-1 (HO-1) [10]. ДМТ1 — это интегральный мембранный гликопротеин с выраженными гидрофобными свойствами, который обладает способностью переносить множество двухвалентных ионов, в том числе и токсичные металлы, и, таким образом, не является специфичным транспортером только для железа. Базолатеральная мембрана является ключевым элементом для перехода железа во внутренние эпителиальные клетки для дальнейшего его использования организмом. Синтез белков, ответственных за захват железа и его транспорт из энтероцита в кровоток, зависит от уровня запасов железа и содержания железа в «лабильном» пуле.
Механизмы, тонко улавливающие это состояние, основаны на IRP и Fe-чувствительных элементах IRE. Посредством взаимодействия IRP с IRE происходит увеличение экспрессии трансфер-риновых рецепторов в дуоденальной крипте и, соответственно, увеличивается всасывание железа в кишечнике при низких его запасах или, напротив, при высоких запасах — IRP не связывается с IRE, синтез трансферриновых рецепторов уменьшается и, соответственно, железо не всасывается. В соответствии с современным пониманием этой проблемы высокий «лабильный» пул железа вызывает повышенную экспрессию гена гепсидина в печени, что приводит к повышению его концентрации в плазме, а это, в свою очередь, подавляет синтез ДМТ1, уменьшая степень абсорбции железа клетками крипты. Будучи в клетке, железо хранится в ферритине, и в случае высокой его потребности высвобождается в плазму при помощи клеточного экспортера — ферропортина. Железо, которое не экспортируется в плазму, теряется при слущивании внутреннего эпителия [9].
Важным белком, ответственным за ограничение абсорбции железа в кишечнике, является HFE — трансмембранный белок семейства главного комплекса гистосовместимости класса 1. HFE связывает трансферриновые рецепторы с высокой аффинностью, близкой к трансферрину, тем самым блокируя возможность соединения трансферрина с трансферриновым рецептором, что, естественно,
препятствует возможности доставки железа тканям. Локализован HFE на эндосомах, на базальной стороне клеток крипты — предшественников энте-роцитов. Важное значение HFE в гомеостазе железа подтверждено мутацией этого белка (Cys 282 — Туг и His 63 — Asp), которая приводит к тяжелой перегрузке железа и гемохроматозу вследствие неограниченного взаимодействия трансферрина с трансферриновым рецептором и постоянного накопления железа в тканях [9,11].
Таким образом, регуляция абсорбции железа происходит на уровне клеток-предшественниц эн-тероцитов, благодаря белкам ДМТ1, HFE, IRE и IRP, которые предотвращают неконтролируемое всасывание железа.
По мере созревания энтероцита, как уже упоминалось, железо перемещается к базолатераль-ной поверхности, где транспортируется ферро-портином через мембрану в плазму. Ферропортин является экспортером железа, необходимым для выхода железа из энтероцитов, макрофагов, а также других экспортирующих клеток, включая плацентарные синцитиотрофобласты и гепатоциты [12]. Ферропортин может взаимодействовать лишь с Fe+2, а трансферрин связывает железо лишь в 3-валентном состоянии. После окисления одной из нескольких феррооксидаз Fe+3 способно соединяться с трансферрином, который и доставляет его тканям и клеткам. [13]. Ферропортин - уникальный белок, так как является не только эффектором клеточного экспорта железа, но и рецептором для гепсидина, основного регулятора. Гепсидин связывается с ферропортином, присутствующим на поверхности клетки, индуцирует фосфорилирова-ние аминокислот, находящихся на внутриклеточной петле ферропортина, запуская интернализа-цию комплекса гепсидин-ферропортин, ведущей к убиквитинизации ферропортина и лизосомальной деградации обоих белков [14]. Дефицит гепсиди-на ведет к сохранению ферропортина на мембране клетки и развитию перегрузки железом [15], тогда как применение синтетического гепсидина ведет к быстрому, устойчивому снижению железа в сыворотке (гипоферремия) вследствие интернализации экспрессированного макрофагами ферропортина и ингибирования кишечного всасывания железа [16].
Поскольку с трансферрином может связываться лишь Fe+3, то Fe+2, соединенное с ферропорти-ном, окисляется гефестином до Fe+3. Гефестин — белок, находящийся на базолатеральной поверхности энтероцита, во многом сходен с церуло-плазмином, растворимым плазменным аналогом гефестина. Эти белки обладают феррооксидаз-ной активностью. В отличие от церулоплазмина, С-терминальная часть гефестина имеет мембран-но-связанный домен, который осуществляет направленное феррооксидазное действие на поверхности клеток или в просвете везикул, тем самым регулируя концентрацию экспортируемого железа из клетки в плазму [17]. Церулоплазмин ответственен за насыщение апотрансферрина железом и превращение его в трансферрин.
Большая часть железа для нужд организма поступает из старых эритроцитов: после их фагоци-
тоза макрофагами железо попадает в фагосомы, откуда рециркулируется обратно в кровяное русло. Досконально этот процесс до сих пор не известен, например, не ясно, как железо входит в цитоплазму макрофагов, однако установлено, что это происходит при участии ферропортина и обеспечивается феррооксидазной активностью церулоплазмина и гемоксидазы (ГО). Кроме того, макрофаги содержат белки-транспортеры — ДМТ1, интегрин-мобилферриновый протеин (integrin-mobilferrin protein—IMP) и белки-регуляторы — HFE, другие Fe-регуляторные белки. Схематически данную картину можно представить следующим образом:
1) Освобождение железа в макрофагах из пор-фиринового кольца с помощью ГО;
2) Поступление железа в фагосомы макрофагов (в этом процессе участвуют ферропортин и церулоплазмин, обладающие восстановительной способностью);
3) Связывание железа в эндосомах с белками-транспортерами — ДМТ1 и IMP; и
4) Передача железа на апотрансферрин.
Таким образом, железо стареющих эритроцитов через ряд последовательных взаимодействий с соответствующими белками почти полностью возвращается в кровоток, соединяясь с трансферри-ном. Активность всех белков, участвующих в метаболизме железа, строго регулируется, что и дает возможность поддерживать гомеостаз железа в организме. Существует три основных уровня регуляции: пищевой, накопления и эритропоэтический. Пищевой уровень регуляции влияет на экспрессию ДМТ1, регулятор накопления чувствителен к запасам железа в организме, а эритропоэтический регулятор не зависит от уровеня железа в организме, но модулирует абсорбцию железа в ответ на потребности в эритропоэзе (к примеру, при высокой активности процессов гемопоэза способен резко повышать уровень абсорбции железа) [9]. По современным представлениям все три регулятора зависимы от пептидного гормона гепсидина [16].
Гепсидин является универсальным регулятором метаболизма железа, который влияет и на абсорбцию пищевого железа, и на высвобождение железа из макрофагов при его рециркуляции из стареющих эритроцитов. Гепсидин — 25-аминокислотный пептид, вырабатываемый гепатоцитами [16, 18]. Также гепсидин может синтезироваться макрофагами, жировыми клетками и кардиомиоцитами [19]. Он циркулирует в плазме, фильтруется почками и аккумулируется в моче.
Структурно молекула гепсидина представляет собой «шпильку», у которой две «руки» связаны дисульфидными мостиками в лестницеподобной конфигурации. Характерной чертой является наличие дисульфидной связи между двумя соседними цистеинами вблизи поворота шпильки, что является признаком стрессовой ситуации и может иметь высокую химическую реактивность. К настоящему моменту установлено, что гепсидин является отрицательным регулятором метаболизма железа, обладающим блокирующим эффектом на транспорт железа в самых различных местах, включая плаценту, внутренний эпителий, макрофаги [15]. Увеличение
количества железа в организме ведет к стимуляции синтеза гепсидина, что снижает абсорбцию железа в кишечнике и уменьшает его транспорт в циркуляцию. В свою очередь, уменьшение абсорбции железа в кишечнике ведет к угнетению синтеза геп-сидина в печени и, по принципу обратной связи, восстановлению захвата железа из кишечника.
В настоящее время выделяют четыре пути, регулирующих синтез гепсидина печенью: (I) связанный с накоплением железа, (II) управляемый активностью эритропоэза, (III) связанный с воспалением, а также (IV) сигнальный путь [20—25].
Регуляция гепсидина в ответ на запасы железа
При исследовании регуляторного физиологического пути выделения избытка железа из организма установлены гомеостатические механизмы, контролирующие общий запас железа в организме, переключающие регуляцию кишечного всасывания железа. Совокупность регуляторных систем, вносящих вклад в эти эффекты, называется «регуляторами запасов».
Известно, что в организме гепатоциты реагируют на перегрузку железом повышением секреции гепсидина. Истинное значение гепсидина в метаболизме железа выяснилось после разрушения определенных генетических локусов у мышей, что привело к случайному открытию - подавление экспрессии гепсидина ведет к быстрой, серьезной перегрузке железом.
Регуляция гепсидина посредством сигналов
морфогенетических белков костного мозга (BMP)
При изучении патогенеза ювенильного гемох-роматоза из-за мутаций гепсидина было выявлено, что полная потеря гепсидина приводит к безудержной экспрессии ферропортина на клеточной поверхности, вызывающей нерегулируемое всасывание железа в кишечнике. Изначально неясный патогенез ювенильного гемахроматоза, вызванного мутацией гемоювелина (HJV), которая составляет ~ 95% случаев этого заболевания, в итоге привел к расшифровке молекулярного контроля клеточной экспрессии гепсидина.
Гемоювелин является глюкозофосфоинозит-связанным белком клеточной поверхности и синтезируется скелетной мускулатурой и сердечной мышцей, а также гепатоцитами. Он гомологичен нескольким белкам, экспрессируемым в центральной нервной системе, которые оказывают влияние на рост нейронов, выступают в качестве ко-рецепторов BMP. BMP — цитокины из семейства ТФР-ß, растворимые аутокринные или паракрин-ные факторы, передающие сигналы через гетеро-мультимерные рецепторы клеточной поверхности. Фосфорилирование рецептора BMP запускает внутриклеточный сигнальный каскад, включая фос-форилирование SMAD белков (SMADs 1/5/8), их последовательное связывание с ко-SMAD, SMAD4 и транслокацией этих комплексов в ядро, где они активируют транскрипцию генов, связываясь с ДНК-чувствительными элементами BMP (BREs).
Последние исследования показали, что гемою-велин — это ко-рецептор BMP, который способствует передаче сигналов и вызывает экспрессию гепсидина различными BMPs в гепатоцитах [26, 27, 28]. Лабораторные эксперименты показывают, что введение BMP мышам стимулирует экспрессию мРНК гепсидина и ведет к снижению содержания железа в крови, что позволяет сделать вывод о значимости этого пути в естественных условиях [27]. Кроме того, гемоювелин также существует в плазме в растворимой форме (sHJV), которая образуется в процессе протеолиза фурином или иной про-белковой конвертазой с аналогичной специфичностью [29, 30]. В экспериментальных условиях выявлено, что растворимый гемоювелин может блокировать передачу сигнала путем связывания BMP так, что на поверхности клетки связь с гете-ромерными рецепторами I/II типа BMP не происходит [27]. Этому процессу сопутствует потеря гемоювелина с поверхности клетки, которая также может вносить вклад в ослабление ответной реакции BMP.
Экспрессия гепсидина в ответ на воспаление: интерлейкин-6 (ИЛ-6) и STATS-зависимые пути
Изначально гепсидин был впервые описан как мочевой антимикробный пептид, но его бактериальная и грибковая цитотоксическая роль спорна. Однако ген гепсидина ответствен за воспаление, в связи с этим его можно рассматривать в качестве посредника примитивного иммунного пути, ограничивающего использование железа инвазивными организмами. Эта реакция является характерным ответом на инфекцию. В других же случаях, таких как неинфекционные воспалительные состояния (например, аутоиммунные), индукция гепсидина посредством воспаления может рассматриваться как неадекватная.
Анемия воспаления
Анемия хронического заболевании (АХЗ) является нормохромной, нормоцитозной, связанной с ненормальной утилизацией железа, низким ответом эритропоэтина, сниженной выживаемостью эритроцитов. Повышение уровня ферритина сыворотки (показатель повышения запасов железа в макрофагах) и снижение степени насыщения сыворотки железом/трансферрином при этом заболевании вызвано избытком гепсидина [31, 32]. И действительно, гепсидин заметно повышается у пациентов с анемией хронического заболевания и регулируется воспалительными медиаторами, активирующими продукцию гепсидина у мышей и/ или у людей, такими как интерлейкин-6 (ИЛ-6) и бактериальный липополисахарид (ЛПС). В лабораторных экспериментах на животных показано, что хронические стерильные или септические абсцессы вызывают экспрессию гепсидина и приводят к снижению содержания железа в сыворотке крови [33-37].
Доминирующим активатором экспрессии гепси-дина является ИЛ-6. К тому же установлено, что в
организме гепатоциты, продуцирующие ИЛ-6, ответственны за повышение синтеза мРНК гепсидина [27, 28]. Уровень, на который гепсидин может быть повышен другими воспалительными агентами, такими как ЛПС, интерлейкин-1 (ИЛ-1) или фактор некроза опухоли-а, вероятно, зависит от их способности ко вторичной активизации экспрессии ИЛ-6.
Инфекционные агенты, опухолевые клетки, образующиеся в организме, или аутоиммунные нарушения приводят к активации CD3+-лимфоцитов и моноцитов. Активированные лимфоциты продуцируют интерферон-у, а моноциты и макрофаги — ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-10 и фактор некроза опухоли. И интерферон-у, и липополисахарид повышают экспрессию трансмембранного переносчика железа DMT-1 на макрофагах, стимулируя тем самым захват Fe2+. Противовоспалительный цитокин ИЛ-10, усиливая экспрессию трансферринового рецептора на поверхности моноцитов, увеличивает поглощение ими трансферринсвязанного железа. Помимо этого, под влиянием фактора некроза опухоли-а активизируется фагоцитоз и разрушение «стареющих» эритроцитов макрофагами. Липополисахарид и интерферон-у снижают экспрессию переносчика железа ферропортина-1, тем самым ингибируя экспорт железа из макрофагов, так же как и гепсидин. Одновременно фактор некроза опухоли-а, ИЛ-1, ИЛ-6 и ИЛ-10 индуцируют синтез ферритина и стимулируют процессы накопления и сохранения железа внутри макрофагов. В итоге эти процессы приводят к снижению сывороточного железа, тем самым вызывая дефицит железа для эритроидных клеток. Фактор некроза опухоли-а и интерферон-у приводят к снижению продукции эритропоэтина в почках. Интерферон-у, фактор некроза опухоли-а и ИЛ-1 прямо ингибируют дифференцировку и пролиферацию эритроидных клеток-предшественников. Помимо этого, ограниченная доступность железа для эритроидных клеток и неадекватно низкая продукция эритропоэтина приводят к нарушению эритропоэза и развитию анемии.
Аналогично многим другим цитокинам, ИЛ-6, связываясь с рецепторами, стимулирует сигнальный путь, что ведет к активации транскрипционных элементов семейства STAT (преобразователя сигнала и активации транскрипции). Несколько исследовательских групп независимо установили, что STAT3 — STAT, вовлеченный в ИЛ-6-зависимое преобразование сигнала, активирует транскрипцию гена гепсидина, связываясь с нуклеотидной последовательностью ДНК проксимального промотора гена гепсидина [38, 39]. Это объясняет связь между воспалением и гепсидином. Но очевидно и то, что возрастание уровня гепсидина в ответ на ИЛ-6 может обеспечиваться также участием BMP. В пользу этого свидетельствуют факты отрицательного влияния растворимого гемоювелина, химического ингибитора передачи сигналов BMP, и гепатоцит-специфичного SMAD4 на транскрипционный ответ гена гепсидина на ИЛ-6 [27, 28].
Системный обмен железа и эритропоэз
У взрослого человека ежедневно образуется более чем 200х109 эритроцитов, требующих более чем 20 мг элементарного железа. Гораздо большее количество этого железа поступает из рециркулиру-ющих стареющих эритроцитов при помощи макрофагов ретикулоэндотелиальной системы. Только 1-2 мг ежедневно поступающего железа всасывается в кишечнике, что достаточно только лишь для замещения потерь (в норме не превышающих 2 мг и происходящих за счет слущивания эпителия и незначительной кровопотери (около 1 мл в сутки). Так как эритроидные клетки-предшественники имеют большие потребности в железе, они однозначно находятся под воздействием трансферрино-вого цикла. При отсутствии достаточного уровня трансфферина, эритропоэз быстро становится железо-ограниченным, т.е. ведущим к анемии, и проявляется как дефецит железа или хроническое воспаление. В настоящее время очевидно, что главным физиологическим регулятором хранения железа в организме и доступности железа сыворотки является гормоноподобный пептид гепсидин [40].
Регуляция гепсидина в ответ на анемию, эритропоэз и гипоксию
Известно, что типичным физиологическим ответом на анемию, ускоряющую эритропоэз, и гипоксию является усиление абсорбции железа. Это особый вид анемий, характеризующийся преимущественно неэффективным эритропоэзом — распадом незрелых ядросодержащих эритроидных клеток в костном мозге, например, при талассемии, мегалобластной анемии, сидеробластной анемии. Напротив, путь абсорбции железа главным образом не включается при анемиях, связанных с гемолизом — периферическим разрушением зрелых лишенных ядра эритроидных клеток, например, при врожденном сфероцитозе. Способы, которыми костный мозг обычно связывает внутримозговое железо и механизмы рециркуляции поглощенного железа, называются «эритроидным регулятором» [11].
Ответ гепсидина на анемию и эритропоэз
Механизм, регулирующий синтез гепсидина в зависимости от интенсивности эритропоэза в печени, до сих пор не известен. Рецептор сывороточного трансферрина связан с эритроцитами и реагирует на дефицит железа, но перегрузка ре -цептора сывороточного трансферрина не изменяет метаболизм железа у мышей, поэтому он не может являться этим механизмом [41]. Несмотря на это, определена активность индуцированной талассеми-ческой сыворотки, которая подавляет экспрессию гепсидина гепатоцитами [42, 43]. Использование транскрипционного анализа показало, что дифференцирующий фактор 15 (GDF15) (член суперсемейства трансформирующего ростового фактора-р (TGFp) в лабораторных условиях может подавлять экспрессию гепсидина в ходе эритропоэза [43]. Со-
всем недавно в экспериментальных условиях было определено, что сигналы эритропоэтина снижают экспрессию гепсидина через механизм, вовлекающий транскрипционный фактор C/EBPa, который связывается со специфичными участками ДНК на промоторе гепсидина [44]. Эти и другие факторы, продуцируемые эритропоэтическими клетками в ответ на анемию или гипоксию, вносят непосредственный вклад в супрессию гепсидина в естественных условиях.
Ответ гепсидина на гипоксию
Гипоксия может подавлять экспрессию гепсиди-на в гепатоцитах напрямую, без посредников, поскольку гепатоциты, подвергшиеся гипоксическим состояниям, снижают продукцию гепсидина. Возможно, что гипоксия индуцируемый фактор/фактор Хиппель-Линдау (HIF/VHL) являются посредниками ответной реакции гепсидина на гипоксию. В нормоксических, железодостаточных условиях, кислород и железо-зависимая пролилгидроксилаза видоизменяет регуляторную часть HIF - HIF-1a, которая в свою очередь взаимодействует с VHL белком, что способствует разрушению HIF-a части. При гипоксии и дефиците железа гидроксила-зы неактивны, что позволяет регуляторной части накапливаться, перемещаться в ядро, ассоциироваться с важными экспрессируемыми частями HIF, HIF-1 ß, что ведет к повышению транскрипции его генов-мишеней, кодирующих VEGF, эритропоэ-тин, транспортеры глюкозы, гликолитические энзимы и др. В клетках с инактивированным VHL наблюдается перманентное повышение этих генов, что вызывает понижение их чувствительности к гипоксии и секрецию ими ангиогенных факторов активности [11, 45, 46]. В лабораторных условиях, подавление пролилгидроксилазы, которая способствует разрушению HIF a-субъединицы, отрицательно регулирует транскрипцию гепсидина [47].
Анемия у больных злокачественными опухолями при проведении химиотерапии является частым
явлением. Решение этой проблемы очень актуально, поскольку анемия не только снижает качество жизни больных, но также оказывает негативное влияние на результаты лечения. Патогенез анемии при опухолевых заболеваниях многообразен. С одной стороны, анемизация определяется уменьшением продолжительности жизни эритроцитов со 120 дней до 60—90 дней. С другой стороны, снижается продукция эритроцитов костным мозгом, что происходит из-за уменьшения доступности железа, накопленного в ретикулоэндотелиальной системе, недостаточного повышения уровня эритропоэтина в ответ на анемизацию и выработку ингибирующих эритропоэз цитокинов. Общеизвестно, что анемия является независимым фактором, свидетельствующим о меньшей продолжительности жизни больных по сравнению с больными, имеющими нормальный уровень гемоглобина. Будучи даже умеренной, анемия значительно ухудшает качество жизни пациентов, а также переносимость инфекций и других осложнений. Кроме того, показано, что эффективность химиотерапии и лучевой терапии выше при адекватном кислородном насыщении тканей.
Гемотрансфузии, обычно применяемые для коррекции анемии, также неблагоприятно влияют на результаты лечения, кроме того они несут серьезную опасность риска передачи вирусов гепатита и иммунодефицита человека. Множественные гемотрансфузии вызывают развитие перегрузки железом внутренних органов и оказывают иммуно-депрессивное воздействие.
Известно, что ведущим патогенетическим механизмом токсичности большинства химиопрепаратов признано образование активных форм кислорода (АФК) за счет восстановления железа (способности железа генерировать АФК).
В связи с этим возникает ряд вопросов относительно влияния анемии на развитие осложнений при проведении полихимиотерапии, а также возможности потенцирования токсических эффектов химиопрепаратов перегрузкой железом, их соче-танного влияния на системы организма.
ЛИТЕРАТУРА
1. Frazer D., Anderson G. Iron Imports. Intestinal iron absorption and its regulation. Am. J. Physiol. 2005;289:631-635.
2. Ganz T. Molecular control of iron transport. J. Am. Soc. Nephrol. 2007;18:394-400.
3. Чернышев В.Н. Железодефицитные состояния у детей. Ростов-на-Дону, 2003. -57 с.
4. Финогенова Н.А., Чернов В.М., Морщакова Е.Ф. и др. Анемии у детей. М.:МАКС Пресс, 2004. - 216 с.
5. Румянцева А.Г. и Токарева Ю.Н. Болезни перегрузки железом (гемохроматозы). М: ИД Медпрактика, 2004. - 325 с.
6. Guyton A., Hall J. Red blood cells, anemia and polycythemia. Chapter 32. In: Textbook of medical physiology. 11h edition. Philadelphia: Elsevier, 2006.
7. Орлов Ю.П., Долгих В.Т. Метаболизм железа в биологических системах (Биохимические, патофизиологические и клинические аспекты). Биомедицинская химия. 2007;53(1):25-38.
8. Dunn L.L., Rahmanto Y.S., Richardson D.R. Iron uptake and metabolism in the new millennium. Trends Cell Biol. 2007;17:93-100.
9. Казюкова Т.В., Левина А.А., Цветаева Н.В. и др. Регуляция метаболизма железа. Педиатрия. 2006; 6:94-98.
10. Shayeghi M., Latunde-Dada G.O., Oakhill J.S. et al. Identification of an intestinal heme transporter. Cell. 2005;122:789-801.
11. Павлов А.Д., Морщакова Е.Ф., Румянцев А.Г. Эритропоэз, эритропоэтин, железо. — М. : ГЭОТАР-Медиа, 2011. — 304 с.
12. Donovan A., Lima C.A., Pinkus J.L. et al. The iron exporter ferroportin/Slc40a1 is essential for iron homeostasis. Cell Metab. 2005;1:191-200.
13. De Domenico I., Ward D.M., di Patti M.C. et al. Ferroxidase activity is required for the stability of cell surface ferroportin in cells expressing GPI-ceruloplasmin. EMBO J. 2007; 26:28232831.
14. De Domenico I., Ward D.M., Langelier C. et al. The molecular mechanism of hepcidin-mediated ferroportin downregulation. Mol. Biol. Cell. 2007;18:2569-2578.
15. Lesbordes-Brion J.C., Viatte L., Bennoun M. et al. Targeted disruption of the hepcidin 1 gene results in severe hemochromatosis. Blood. 2006;108:1402-1405.
16. Левина А.А., Казюкова Т.В., Цветаева Н.В. и др. Гепсидин как регулятор гомеостаза железа. Педиатрия. 2008;87(1):67-74.
17. Cherukuri S., Potla R., Nurko S. et al. First Congress of the International Biolron Society, Prague. 2005; 4:35.
18. Маянский Н.А., Семикина Е.Л. Гепцидин: основной регулятор обмена железа и новый диагностический маркер. Вопросы диагностики в педиатрии. 2009;1:18-23.
19. Merle U., Fein E., Gehrke S.G. et al. The iron regulatory peptide hepcidin is expressed in the heart and regulated by hypoxia and inflammation. Endocrinology. 2007;148:2663-2668.
20. Babitt J.L., Huang F.W., Wrighting D.M. et al. Bone morphogenetic protein signaling by hemojuvelin regulates hepcidin expression. Nat. Genet. 2006;38:531-539.
21. Goswami T., Andrews N.C. Hereditary hemochromatosis protein, HFE, interaction with transferring receptor 2 suggests a molecular mechanism for mammalian iron sensing. J. Biol. Chem. 2006;281:28494-28498.
22. Pak M., Lopez M.A., Gabayan V. et al. Suppression of hepcidin during anemia requires erythropoietic activity. Blood. 2006;108:3730-3735.
23. Weizer-Stern O., Adamsky K., Amariglio N. et al. Downregulation of hepcidin and haemojuvelin expression in the hepatocytes cell-line HepG2 induced by thalassaemic sera. Br. J. Haematol. 2006;135:129-138.
24. Wrighting D.M., Andrews N.C. Interleukin-6 induces hepcidin expression through STAT3. Blood. 2006;108:3204-3209.
25. Verga Falzacappa M.V., Spasic M.V., Kessler R. et al. STAT-3 mediates hepatic hepcidin expression and its inflammatory stimulation. Blood. 2007;109:353-358.
26. Truksa J., Peng H., Lee P. et al. Bone orphogenetic proteins 2, 4, and 9 stimulate murine hepcidin 1 expression independently of Hfe, transferrin receptor 2 (Tfr2), and IL-6. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2006;103:10289-10293.
27. Babitt J.L., Huang F.W., Xia Y. et al. Modulation of bone morphogenetic protein signaling in vivo regulates systemic iron balance. J. Clin. Invest. 2007;117:1933-1939.
28. Yu P.B., Hong C.C., Sachidanandan C. et al. Dorsomorphin inhibits BMP signals required for embryogenesis and iron metabolism. Nat. Chem. Biol. 2008;4:33-41.
29. Silvestri L., Pagani A., Camaschella C. Furin-mediated release of soluble hemojuvelin: a new link between hypoxia and iron homeostasis. Blood. 2008;111:924-931.
30. Lin L., Nemeth E., Goodnough J.B. et al. Soluble hemojuvelin is released by proprotein convertase-mediated cleavage at a conserved polybasic RNRR site. Blood Cells Mol. Dis. 2008;40:122-131.
31. Roy C.N., Mak H.H., Akpan I. et al. Hepcidin antimicrobial
peptide transgenic mice exhibit features of the anemia of inflammation. Blood. 2007;109:4038-4044.
32. Viatte L., Nicolas G., Lou D.Q. et al. Chronic hepcidin induction causes hyposideremia and alters the pattern of cellular iron accumulation in hemochromatotic mice. Blood. 2006;107:2952-2958.
33. Folgueras A.R., Martin de Lara F., Pendas A.M. et al. The membrane-bound serine protease matriptase-2 (Tmprss6) is an essential regulator of iron homeostasis. Blood. 2008;112(6):2539-2545.
34. Du X., She E., Gelbart T. et al. The serine protease TMPRSS6 is required to sense iron deficiency. Science. 2008;320:1088-1092;
35. Finberg KE, Heeney MM, Campagna DR, et al. Mutations in TMPRSS6 cause iron-refractory iron deficiency anemia (IRIDA). Nat. Genet. 2008;40:569-571;
36. Melis M.A., Cau M., Congiu R. et al. A mutation in the TMPRSS6 gene, encoding a transmembrane serine protease that suppresses hepcidin production, in familial iron deficiency anemia refractory to oral iron. Haematologica. 2008;93:1473-1479.
37. Guillem F., Lawson S., Kannengiesser C., et al. Two nonsense mutations in the TMPRSS6 gene in a patient with microcytic anemia and iron deficiency. Blood. 2008;112(5):2089-20.
38. Wrighting D.M., Andrews N.C. Interleukin-6 induces hepcidin expression through STAT3. Blood. 2006;108:3204-3209.
39. Truksa J., Lee P., Beutler E. The role of STAT, AP-1, E-box and TIEG motifs in the regulation of hepcidin by IL-6 and BMP-9: lessons from human HAMP and murine Hamp1 and Hamp2 gene promoters. Blood Cells Mol. Dis. 2007;39:255-262.
40. Румянцев А. Г., Морщакова Е.Ф., Павлов А.Д. Эритропоэ-тин: Биологические свойства, возрастная регуляция эри-тропоэза, клиническое применение ГЭОТАР-Медиа, 2002. - 400 с.
41. Flanagan J.M., Peng H., Wang L. et al. Soluble transferring receptor-1 levels in mice do not affect iron absorption. Acta Haematol. 2006;116:249-254.
42. Weizer-Stern O., Adamsky K., Amariglio N. et al. Downregulation of hepcidin and haemojuvelin expression in the hepatocyte cell-line HepG2 induced by thalassaemic sera. Br. J. Haematol. 2006;135:129-138.
43. Tanno T, Bhanu NV, Oneal PA, et al. High levels of GDF15 in thalassemia suppress expression of the iron regulatory protein hepcidin. Nat. Med. 2007;13:1096-1101.
44. Pinto JP, Ribeiro S, Pontes H, et al. Erythropoietin mediates hepcidin expression in hepatocytes through EPOR signaling and regulation of C/EBPalpha. Blood. 2008;111:5727-5733.
45. Peyssonnaux C., Nizet V., Johnson R.S. Role of the hypoxia inducible factors HIF in iron metabolism. Cell Cycle. 2008;7:28-32.
46. Левина А. А., Макешова А. Б., Мамукова Ю. И. И др. Фактор, индуцированный гипоксией (HIF) и его значение в гомео-стазе кислорода. Педиатрия. 2009;87(4):92-97.
47. Braliou G.G., Verga Falzacappa M.V., Chachami G. et al. 2-Oxoglutarate-dependent oxygenases control hepcidin gene expression. J. Hepatol. 2008;48:801-810.
