УДК 612.386+577.128

Биохимическая характеристика поступления пищевого железа в энтероциты: роль транспортёра ионов двухвалентных металлов-1 и ферропонтина

Осит Анастасия Сергеевна – студентка Педиатрического факультета Омского государственного медицинского университета Минздрава России.

Ефременко Евгений Сергеевич – кандидат медицинских наук, доцент, заведующий кафедрой Биохимии Омского государственного медицинского университета Минздрава России.

Аннотация: Статья содержит информацию о роли изоформ транспортера ионов двухвалентных металлов-1 и белка ферропонтина в механизмах поступления пищевого железа в организм. Отмечены особенности функционирования данных белков в энтероцитах. Проанализированы данные литературы, посвященные рассмотрению молекулярных механизмов абсорбции ионов железа в пищеварительном тракте.

Ключевые слова: железо, биохимия, абсорбция, всасывание, транспорт, транспортер ионов двухвалентных металлов, ферропонтин.

Введение. Актуальность работы связана с высокой распространенностью нозологических форм, сопряженных с нарушениями обмена железа. Кроме того, любой патологии пищеварительного тракта сопутствуют повреждения клеток, участвующих в поглощении пищевого железа, что может определять развитие нарушений обмена данного металла в организме человека. Результирующим метаболическим последствием указанных изменений будет являться формирование энергодефицита во всех клетках организма, поскольку ионы железа непосредственно участвуют в механизме образования аденозинтрифосфата в митохондриальной дыхательной цепи. В связи с этим, рассмотрение молекулярных механизмов поступления железа в организм необходимо для понимания патогенеза заболеваний пищеварительного тракта, формирования клинических признаков заболеваний, а также для адекватного использования и интерпретации диагностических сведений в аспекте таргетного лечебного воздействия.

Цель исследования. Анализ литературных сведений о роли транспортера ионов двухвалентных металлов-1 и ферропонтина в процессе абсорбции железа в пищеварительном тракте для формирования современных представлений о молекулярных механизмах поступления пищевого железа в организм человека.

Материалы и методы. С использованием метода контент-анализа был осуществлен поиск и анализ результатов научных исследований, посвященных изучению молекулярных процессов, сопряженных с поступлением ионов пищевого железа в энтероциты.

Результаты и их обсуждение. Согласно современным представлениям, транспортер ионов двухвалентных металлов-1 (DMT-1, divalent metal transporter-1) является сложным белком – гликопротеином. Осуществляет рН-зависимый перенос различных видов двухвалентных металлов с однонаправленным транспортом протона [14].

Характерной чертой пространственной организации DMT-1 считается наличие двенадцати трансмембранных доменов с ориентацией N- и C-концевых областей в цитоплазму клетки [13]. DMT-1 человека и его гомолог белок NRAMP1 (natural resistance-associated macrophage protein-1) высоко консервативны у представителей всех царств и, таким образом, вероятно, имеют общие транспортные механизмы. Так, прокариотические члены семейства NRAMP1/DMT-1 Staphylococcus capitis (ScoDMT) и Eremococcus coleocola (EcoDMT) на 30% идентичны человеческому DMT-1. Предполагается, что DMT-1 проявляет псевдосимметричные взаимоотношения между областями, ограниченными доменами 1-5 и 6-10. Области имеют противоположную направленность внутри плазматической мембраны. Имеются основания говорить о связывании металлов с остатками доменов 6-10, что вызывает их конформационные изменения для эффективного транспорта. Выражается мнение о центральной роли гистидина, расположенного в трансмембранном домене 6 в механизме транспортировки [4].

Отмечается существование четырех изоформ DMT-1: А-I, A-II, B-I, B-II. Предполагается, что их формирование связано со следующими механизмами:

а) наличие варианта мРНК DMT-1, который нечувствителен к концентрации Fe2+. Его альтернативный сплайсинг в С-концевом регионе приводит к образованию двух разных форм DMT-1 – I и II. Различия в структуре формируемых белков заключаются в том, что изоформа I содержит в области С-конца участок, состоящий из 18 аминокислот, а изоформа II – участок из 25 аминокислотных остатков; б) альтернативное участие промоторов 5/- нетранслируемой области и следующих за ними экзонов 1А и 1В дают два варианта белка - DMT-1А и DMT-1В – отличие которых заключается в присутствии дополнительных 29 аминокислот в DMT-1А.

Важной особенностью строения всех изоформ, необходимой для правильного формирования пространственной конфигурации DMT-1, является присутствие двух остатков аспарагина. Указанные аминокислотные остатки функционально характеризуются в качестве участков N-гликозилирования, происходящего в комплексе Гольджи и эндоплазматическом ретикулуме, и определяют образование экстрацеллюлярной петли между седьмым и восьмым трансмембранными доменами [9].

Изоформы DMT-1 имеют различную внутриклеточную локализацию, что связано с механизмами их распределения, которые: а) для DMT1А-I изоформы опосредованы наличием лейцина в положении 16 N-терминальной цитоплазматической области, что определяет ее «заякоривание» в апикальной мембране энтероцитов; б) для других трех изоформ осуществляются посредством клатриновой системы белков [10]. Данный механизм, в свою очередь, сопряжен с присутствием в С-концевой цитоплазматической области специфической аминокислотной последовательности, представленной в виде – X-лей-мет-Y, где: Х – гидрофобная аминокислота, Y - любая аминокислота. Описанный мотив необходим для связывания DMT-1А/В-II с ретромерным комплексом белков.

Ретромер обеспечивает процесс рециркуляции трансмембранных рецепторов из эндосом в аппарат Гольджи. В своем составе он содержит тример из белков Vps (vascular protein sorting): Vps-26, 29, 35, который напрямую связывается с изоформами DMT-1А/В-II и распределяет их в эндосомы, содержащие рецептор трансферрина-1.

Таким образом, представляется, что последовательность X-лей-мет-Y – это своеобразный управляющий сигнал рециркуляции рецепторов. Впоследствии, рецептор трасферрина-1 и DMT-1А/В-II возвращаются обратно в цитоплазматическую мембрану [1, 8].

Кроме того, структура ретромера представлена некоторыми членами семейства белков нексинов. Указанные белки участвуют в процессах везикулярного траффика между внутриклеточными компартментами и обозначаются как SNXs (sorting nexins). Их димеры содержат домены, связывающие фосфатидилинозитол-3-фосфат, и нексин-специфический С-терминальный домен. Данные домены определяют возможность связывания ретромера с эндосомой. Изложенные процессы отражают распределение изоформ DMT-1 интрацеллюлярно следующим образом: изоформа АI имеет локализацию в плазматической мембране; А-II, В-II – в рециркулирующих эндосомах; В-I - в зрелых эндосомах. Также полагают, что имеется различие в уровне экспрессии различных изоформ DMT-1 в различных тканях (тканеспецифическая экспрессия). Так, изоформа DMT-1А-I высоко экспрессирована в двенадцатиперстной кишке и почках; DMT-1В-I обнаруживается в значительном количестве в клетках ретикулоэндотелиальной системы; DMT-1А-II также обнаружена в дуоденальном отделе кишечника, но уровень ее экспрессии достаточно низкий по сравнению с другими изоформами; DMT-1В-II проявляет свою активность во многих периферических тканях [12].

Существует определённая клеточная специфика в механизмах поступления железа внутрь клетки. В первую очередь это касается поступления пищевого железа в энтероциты. Как известно, у млекопитающих пищевое железо представлено двумя формами: гемовое и негемовое. В аспекте абсорбции негемового железа установлено, что двухвалентное железо усваивается более эффективно, чем трехвалентное. Показана возможность восстановления железа при участии фермента – дуоденального цитохрома b (DcytB), который синтезируется на поверхности щеточной каймы энтероцитов и обладает редуктазной активностью в отношении Fe3+. Взаимодействие данного энзима с DMT1 обеспечивает поглощение пищевого железа форме Fe2+ в цитозоль энтероцита [7].

Гемовое железо поступает в организм в составе продуктов животного происхождения, содержащих мышечную ткань животных, где находится в структуре белков – гемоглобина и миоглобина. Высокая кислотность содержимого желудка и протеолитические ферменты обеспечивают высвобождение гема из гемопротеинов. Гем обладает низкой растворимостью. Однако, образую растворимые комплексы с другими пищевыми компонентами, попадает в энтероцит, где происходит высвобождение железа из его структуры. Вероятный механизм поглощения гема – рецептор-опосредованный эндоцитоз.

Таким образом, в цитозоле энтероцитов происходит накопление двухвалентного железа. Дальнейший переход железа через базолатеральную мембрану обеспечивает белок ферропонтин.

Ферропонтин синтезируется клетками, связанными с транспортом железа в организме: энтероциты двенадцатиперстной кишки, клетки Купфера, макрофаги селезенки, перипортальные гепатоциты, синтициотрофобласт.

Для описания структуры ферропонтина используется модель, предложенная Lui X. et al. (2005), предполагающая наличие 12 трансмембранных доменов, аналогичных DMT1. Домены организованы в две спирали по шесть доменов, связанных большой цитоплазматической петлей между шестым и седьмым трансмембранными доменами [5]. Путем экспериментов с использованием информации об инсерции цистеина в соответствующие домены, было доказано наличие внутриклеточных и внеклеточных частей белка. Предполагается, что аминотерминальный и карбокситерминальный участки молекулы локализованы в цитозоле. Однако эти данные продолжают уточняться [15].

Другой обсуждаемой проблемой является решение вопроса о количестве субъединиц, входящих в структуру ферропонтина. Так, имеются данные Wallace D. et al. (2010) о том, что изучаемый белок является мономером. В тоже время De Domenico I. et al. (2007) представлены сведения о димерности ферропонтина. Показано, что мутантные формы протеина могут проявлять свойства мультимерного комплекса. Информация генетических исследований поддерживает димерную модель строения ферропонтина.

В экспериментах на различных типах клеток путем измерения запасов железа по ферритину был показан ферропонтин-опосредованный транспорт железа из клеток. Инкубация клеток в среде, богатой ионами железа, с последующим ее удалением приводит к снижению уровня ферритина и экспорту железа из клетки [2, 6, 11]. Считается, что механизм переноса железа через базолатеральную мембрану энтероцитов сопряжен с изменением конформации доменов белка. Описывается принцип работы транспортера по типу кулисного переключателя, когда «открытая внутрь» молекула пропускает ион, а «открытая наружу» конформация обеспечивает экспорт железа из клетки.

В дальнейшем ферропонтин взаимодействует с гепсидином, что приводит к его убиквитинированию его цитоплазматической соединяющей петли и эндоцитозу ферропонтина с последующей деградацией. Действие гефестина определяет переход железа в форму Fe3+ для транспорта по крови [3].

Заключение. Таким образом, следует отметить, что: 1) начальные этапы поступления пищевого железа в энтероциты связаны с деятельностью транспортера ионов двухвалентных металлов-1, имеющего определенные особенности строения; 2) экспорт, выведение ионов железа из энтероцитов осуществляется белком ферропонтином, который, на данный момент, считается единственным соединением, выполняющим указанную функцию в организме; 3) для эффективного поступления железа в клетки необходимо адекватное количество белков в пищевом рационе, поскольку требуется значительное количество аминокислот для синтеза белков, участвующих в абсорбции и транспортирующих железо.

Список литературы

  1. Bleil D., Bretscher M. Transferrin receptor and its recycling in HeLa cells // EMBO J. – 1982. – Vol. 1. – P. 351 – 355.
  2. De Domenico I. Evidence for the multimeric structure of ferroportin / De Domenico I., Ward D., Musci G., Kaplan J. // Blood. – 2007. – Vol. 109 (5). – P. 2205 – 2209.
  3. Drakesmith H. Ironing out ferroportin / Drakesmith H., Nemeth E., Ganz T. // Cell Metab. – 2015. – Vol. 22 (5). – P. 777 – 787.
  4. Ehrnstorfer I. Structural and mechanistic basis of proton-coupled metal ion transport in the SLC11/NRAMP family / Ehrnstorfer I., Manatschal C., Arnold F., Laederach J., Dutzler R. // Nat. Commun. – 2017. – Vol. 8. – P. 1 – 11.
  5. Liu X. Functional consequences of ferroportin 1 mutations / Liu X., Yang F., Haile D. // Blood Cells Mol. Dis. – 2005. – Vol. 35 (1). – P. 33 – 46.
  6. McGregor J. Impaired iron transport activity of ferroportin 1 in hereditary iron overload / McGregor J., Shayeghi M., Vulpe C., Anderson G., Pietrangelo A., Simpson R., McKie A. // J. Membr. Biol. – 2005. – Vol. 206 (1). – P. 3 – 7.
  7. Santiago P. Ferrous versus ferric oral iron formulations for the treatment of iron deficiency: a clinical overview / Sci. World J. – 2012. – Vol. 2012. – P. 1 – 5.
  8. Seaman M. Endosome to Golgi retrieval of the vacuolar protein sorting receptor, Vps10p, requires the function of the VPS29, VPS30, and VPS35 gene products / Seaman M., Marcusson E., Cereghino J., Emr S. // J. Cell Biol. – 1997. – Vol. 137. – P. 79 – 92.
  9. Tabuchi M. Human NRAMP2/DMT1, which mediates iron transport across endosomal membranes, is localized to late endosomes and lysosomes in HEp-2 cells / Tabuchi M., Yoshimori T., Yamaguchi K., Yoshida T., Kishi F. // J. Biol. Chem. – 2000. – Vol. 275. – P. 22220 – 22228.
  10. Touret N. Dynamic traffic through the recycling compartment couples the metal transporter Nramp2 (DMT1) with the transferrin receptor / Touret N., Furuya W., Forbes J., Gros P., Grinstein S. // J. Biol. Chem. – 2003. – Vol. 278. – P. 25548 – 25557.
  11. Wallace D. Functional analysis and theoretical modeling of ferroportin reveals clustering of mutations according to phenotype / Wallace D., Harris J., Subramaniam V. // Am. J. Physiol. Cell Physiol. – 2010. – Vol. 298 (1). – P. C75 – C84.
  12. Wassmer T. The retromer coat complex coordinates endosomal sorting and dynein-mediated transport, with carrier recognition by the trans-Golgi network / Wassmer T., Attar N., Harterink M., van Weering J., Traer C., Oakley J., Goud B., Stephens D., Verkade P., Korswagen H., Cullen P. // Dev. Cell. – 2009. – Vol. 17. – P. 110 – 122.
  13. Yanatori I. Chaperone protein involved in transmembrane transport of iron / Yanatori I., Yasui Y., Tabuchi M., Kishi F. // J. – 2014. – № 462. – Р. 25 – 37.
  14. Yanatori I. Heme and non-heme iron transporters in non-polarized and polarized cells / Yanatori I., Tabuchi M., Kawai Y., Yasui Y., Akagi R., Kishi F. // BMC Cell Biol. – 2010. – № 11. – Р. 39.
  15. Yeh K. Interactions between ferroportin and hephaestin in rat enterocytes are reduced after iron ingestion / Yeh K., Yeh M., Glass J. // Gastroenterology. – 2011. – Vol. 141 (1). – P. 292 – 299.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail