-
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<
/p>
,
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：
铁是构成血红蛋白、<
/p>
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，黄嘌呤氧化酶，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]
。
< br>在细胞生物氧化过程中发挥着重要作
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
#<
/p>
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<
/p>
为模板合成蛋白质的过
程
.
基因的表达要受到转录水平
,
转录后、
mRNA
翻译、翻译后等过程的调节
[2]
。
.
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
转录后水平的调控
<
/p>
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
:
①
mRNA
前体
(hmRNA)
加工成熟的调节<
/p>
,
即加帽
,
加尾
,
剪接
,
碱基
修饰和编辑等
,
②
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
< br>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
< br>′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
3
′
UTR
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
Ca
2+
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
Fe
3+
或
Fe
2+
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
, Bre
mner
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
,
< br>转铁蛋白基因的
mRNA
含量和转铁蛋白基因的含量在<
/p>
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
,
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
[4][5]
。
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
eALASmRN
A 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-
旧尸型调控模式。下面具体阐明介绍铁对基因表达的
IR
E-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
IR
E
，
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
< br>结合。无铁硫簇时，可使蛋白构象发生变化，使
IRP-1
暴露
IRE
结合位点。
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
TfR
1
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
TfR1
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
I
RE
结合能力，
因此
IRP
就会从
DMT1
(+IRE)
和
TfR
1
mRNA
上离开，
mRNA
< br>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
TfR1
的合成，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 mRN
A
的
表达无重要影响。红细胞分化时
T
fR1
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
TfR1
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
要是
TfR2
和
< br>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
e
ALAS
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
<
/p>
细胞利用多种顺式作用
RNA
元件
(IRE)
和一种或两种反式作用蛋白
(IR
F)
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
T
fR)
的
mRNA
降
< br>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)
< br>。
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<
/p>
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
1-2
个核苷酸可以配对。此
IRE
< br>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)
[6]
。
IRF
是一种
分子量为
98 kDa
的蛋白质
< br>,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<
/p>
[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
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