Klinické a molekulární aspekty poruch metabolismu železa seminář Martin Vokurka duben 2005

1. Klinické a molekulární aspekty poruch metabolismu železa seminář Martin Vokurka duben 2005 Zkrácená internetová verze

2. Železo je 4. nejhojnější prvek kůry zemské Využívají ho všechny živé organismy

3. Železo Jako součásthemovýchinehemovýchproteinů plní důležité funkce: Proces tvorby energie * transport kyslíku (hemoglobin) * transport elektronů (cytochromy) Transformace a detoxikace látek (cyt. P450) Množení buněk, proliferace tkání Imunitní děje, likvidace patogenů

4. Schopnost železa existovat ve 2 redoxních stavech(Fe2+, Fe3+) umožňuje jeho využití v katalytických centrech základních biochemických reakcí. I během transportních dějů prodělává železo přechod mezi oběma stavy: ferrireduktáza(Fe3+Fe2+) ferroxidáza(Fe2+ Fe3+)

5. Musí disponovat mechanismy, jak železo získat * anorganicky * „organické“ – jeden z druhého Mohou o železo kompetovat průběh infekce je trochu i „bojem o železo“ Musí se před železem chránit * regulovat jeho příjem a distribuci * neponechávat jej ve „volné“ formě

6. Stejné vlastnosti, pro které je železo užitečné v každé z těchto reakcí, z něj dělají i potenciálně toxický prvek. Fentonova reakce: Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH* + OH-

7. Železo Katalyzuje tvorbu kyslíkových radikálů – poškození orgánů Nadbytek železa, zejména volného, je pro buňkytoxický + likvidace patogenů...

8. Železo - hlavní orgány Kostní dřeň – erytropoeza Játra – zásobárna + regulace Makrofágy (RES) – zpracování hemu a zásoby Duodenum – resorpce

9. LABORATORNÍ VYŠETŘENÍ • KO • - S-Fe • - saturace Tf • - TIBC (celková vazebná kapacita) • - sérový feritin • - solubilní sérový transferinový receptor (sTfR) • - protoporfyrin v erytrocytech • - vyšetření kostní dřeně

10. Množství železa v organismu i buňkách a jeho distribuce jsouregulovány. Poruchy těchto regulací jsou spojenys některýmichorobnými stavy.

11. Hlavní poruchy - snížené množství železa v organismu – sideropenie * ztráty (krvácení) * špatná výživa a resorpce (GIT onemocnění) * zvýšená potřeba (těhotenství…) - zvýšené množství 1) primárně – hereditární hemochromatóza (HH) 2) sekundárně – hemosideróza (např. opakované transfuze u útlumu kostní dřeně) - porušená distribuce a kinetika anémie chronických chorob

12. Sideropenie sideropenie a sideropenická anemie: mikrocytární, hypochromní další projevy - únava, změny na sliznicích, kůži, nehtech atd. Resorpce Fese zvyšuje

13. anémie Manifestní Latentníiron deficiency erythropoiesis sérové železo saturace Tf protoporf. v ery Prelatentnívyčerpání zásob sérový feritin TIBC železo v kost. dřeni

14. Těhotenství • potřeba cca 1000 mg železa • 300 mg plod • 50-75 mg placenta • 450 mg zvýšená erytropoeza • 200 mg porod • Ženy mají nižší zásoby železa než muži

15. 4 000 mg Železo - kinetika • resorpce železa • recyklace železa 62,5 % erytron 25 % zásobárny 0,1 % plasma Denní obrat několikanásobek množství v plasmě

16. Železo - vstřebávání enterocyty v duodenu 3 “typy” železa + 3 cesty resorpce - dvojmocné železo nehemové * DMT1 * ferrireduktáza (Dcytb) - hemové železo (endosomální proces ??) - trojmocné železo 3 integrin-mobilferrin - 1/3 ž. v potravě, ale2/3 ž. vstřebaného - v buňce uvolněno hemoxygenázou - značnou část v potravě (až 2/3), nevstřebatelné při pH>3 - vliv ostat. složek potravy nasolubilitu - následná redukce v cytosolu komplexem tzv.paraferritinu

17. DMT1 (divalent metal transporter, též DCT1 či Nramp2), může transportovat i jiné divalentní kationy (kovy)exprese se zvyšuje při nedostatku železa – má 3’IREuvnitř buněk se podílí i na endosomálním transportu jednořetězcový transmembránový glykoprotein (90,000, 12q13) Redukce trojmocného železa 1) potrava - např. askorbová kyselina 2) Dcytb (ferrireduktáza) – duodenální cytochrom redukuje železo, v apikální membráně enterocytů, je indukovatelná hypoxií a nedostatkem železa;

18. Výstup železa z enterocytů/buněk Ferroportin1 (Ireg1, MTP1) – transportní molekula přenášející železo z buňky (enterocytů, hepatocytů, makrofágů, Kupfferových buněk aj.) jednořetězcový transmembránový glykoprotein (62,000, 2. chromozom), regulován 5’IRE a reaguje na hypoxii Hephaestin – transmembránový protein blízký ceruloplasminu (155,000, Xq11-12), druh ferroxidázy (oxidace Fe při výstupu z enterocytu) Ceruloplasmin –slouží k oxidaci železa (ferroxidáza),jednořetězcový glykoprotein (132,000, 3q21-24) s 6 atomy mědi

19. Železo - transport Transferin – jednořetězový glykoprotein (79,500, 1 globulin) s dvěma homologními vazebnými místy pro železo v trojmocné formě za fyziol. podmínek je saturován asi z 30 %

20. Železo - vstup do buněk Transferinový receptor (TfR) – vazba Tf se železem dva typy - TfR1 a TfR2 TfR1 (CD71, 3q21) hojnější v orgánech s výj. jater, regulován prostřednictvím IRE na 3’ konci, transmembr.glykoprotein, tvořen 2 identickými řetězci; 185,000 TfR2 (7q22) je hojnější v játrech, nemá IRE a jeho přesná regulace není dosud známa; 215,000

21. Železo - využití v buňce DMT1 – transport z endosomu Feritin – sférický protein (440,000), heteropolymer 24 podjednotek 2 typů – H a L s rozdílou lokalizací na chromozomech,váže a skladuje trojmocné železo (až 4500 atomů), H podjednotka oxiduje železo, regulován 5’ IRE Ferrochelatáza – mitochondriální enzym katalyzující vložení Fe2+ do tetrapyrolu – protoporfyrinu IX (vzniká hem)

22. * vázána na obsah železa * vázána na potřebu železa Železo - regulace resorpce železa enterocyty ORGANISMUS transkripční:hypoxie posttranskripční: IRE/IRP buňky molekuly transferinový receptor (TfR) feritin aj. (dle typu buňky)

23. Málo Fe Hodně Fe IRP1 c-akonitáza IRP2 degradován vazba na IRE IRP – iron responsive proteins IRE – iron responsive elements: vlásenkové struktury na UTR regionech mRNA

24. Málo Fe IRP1 IRP2 vazba na IRE syntéza TfR1 3’ stabilizace (TfR1) 5’ není translace (feritin)

25. Hodně Fe Málo Fe IRP1 c-akonitáza IRP2 degradován není vazba na IRE 3’ degradace (TfR1) syntéza feritinu 5’ stabilizace – translace

26. Regulační molekuly v kinetice železa • hepcidin • HFE • transferinový receptor 2 (TfR2) • hemojuvelin • Hlavní orgány • *játra • *střevo

27. Hepcidin (HAMP = hepatic antimicrobial peptide) * peptid 20, 22, 25 aminokyselin se 4 cystinovými můstky * produkovaný v játrech (hepatocytech) * antimikrobiální účinky

28. Ovlivnění kinetiky železa: • - snižuje resorpci železa enterocyty • působí sekvestraci železa v makrofázích • Předpokládá se i účast v regulaci transplacentárníhotransportu

29. Exprese hepcidinu je regulována/zvýšena: - železem - zánětem (LPS, IL-6)

30. Důsledky nedostatku a nadbytku hepcidinu zvýšená resorpce v GIT nadbytek železa v makrofázích málo železa snížená resorpce v GIT nedostatek železa sekvestrace k makrofázích hereditární anémie chronickýchhemochromatóza (HH)chorob

31. Shrnutí významu hepcidinu v patologii lidských onemocnění 1. mutace hepcidinu jako vzácná příčina juvenilní hemochromatózy 2. dysregulace hepcidinu jako patogenetický faktor u ostatních forem hereditární hemochromatózy 3. nadprodukce hepcidinu jako patogenetický mechanismus změny kinetiky železa při anémii chronických chorob

32. HEPCIDINJE PRAVDĚPODOBNĚ HORMONEM REGULACE ŽELEZAV ORGANISMU

33. HFE membránový proteinMHC třídy I (dř. HLA-H), 6p21, váže 2-mikroglobulin. Kontaktem s TfR1 ovlivňuje (snižuje) resorpci železa (v jakém bodu?). Ovlivňuje celkovou regulace železa v organismu.Mutace HFE způsobuje většinu případů HH.

34. Hereditární (genetická) hemochromatóza (HH) AR dědičné onemocnění (až 0,3%ní výskyt, ale s neúplnou penetrancí) nadměrná resorpce železa ve střevě hromadění železa v játrech, pankreatu, srdci, hypofýze, gonádách a dalších orgánech  pestré klinické příznaky

35. Hlavní typy HH a regulační proteiny HFE- 1996 Hemojuvelin(HJV) - 2003 Hepcidin- 2000, 2001 TfR2- 1999 Ferroportin– 1999, 2001 Jejich mutace jsou zodpovědné za jednotlivé typyhereditární hemochromatózy typ 1juven. HH – typ 2Ajuven. HH – typ 2Btyp 3 typ 4 Nepřiměřeně nízká exprese hepcidinu byla prokázána u typů 1-3 HH

36. Hepcidin – předpokládaná regulace Současné hypotézy předpokládají, že exprese hepcidinu by mohla být regulována přes saturaci transferinu a stabilizaci TfR2 na úrovni proteinu v kooperaci s HFE a modifikována pomocí HJV (zatím zcela neznámým mechanismem). Tyto regulační závislosti nejsou zřetelné na úrovni změn množství mRNA těchto genů

37. HEREDITÁRNÍ HEMOCHROMATÓZA Tf-Fe TfR1 TfR2 HFE hemojuvelin HEPATOCYT HEPCIDIN

38. Anémie chronických chorob (ACD) • Anémie provázející zánětlivá a nádorováonemocnění • Druhá nejčastější anemie • chronické infekce • chronické neinfekční záněty • autoimunitní choroby • malignity • traumata, pooperační stavy • obv. normocytární, normochromní, později může být hypochromní až mikrocytární

39. Anémie chronických chorob * Produkce zánětových cytokinů ovlivňujících erytropoezu * Typické změny kinetiky železa: - snížená sérová koncentrace Fe - nesnížená saturace transferinu - zvýšený obsah železa v Mo-Ma systému - zvýšená sérová koncentrace feritinu V kostní dřeni úbytek sideroblastů a současně je dost železa v makrofázích

40. sTfR hepcidin ?? stav tkáňových zásob + reaktant akutní fáze

41. ŽELEZO A INFEKCE 1. Nezbytné pro bakterie 2. Nezbytné pro imunitní děje * likvidace bakterií (kyslíkové radikály) * stav sliznic apod. * množení imunitních buněk

42. Kompetice o železo mezi bakteriemi a organismem Lidský organismus i bakterie Fe potřebují Získat Fe je pro organismy relativně složitý proces Bakterie mají siderofory – sloučeniny s vysokou afinitou k železu Organismus má mechanismy, jak železo před bakteriemi sekvestrovat

43. siderocalin/NGAL siderofory Fe laktoferin hepcidin – změna distribuce Fe (snížení resorpce, sekvestrace v M)

44. Hepcidin Předpokládá se, že hraje roli v patogenezi ACD, resp. ve změně kinetiky železa tuto anémii provázející

45. ZÁVĚRY Železo plní v organismu klíčové role nutné pro metabolismus, buněčnou proliferaci, hojení detoxikaci aj. Železo je důležité pro správný průběh imunitních dějů a likvidaci patogenů Nedostatek železa je spojen s poruchami těhotenství a vývoje plodu Nadbytek železa je pro organismus toxický, zvyšuje riziko některých infekcí Železo je důležité i pro invadující mikroorganismy

46. ZÁVĚRY Některé infekce probíhají v přítomnosti (většího množství) železa snadněji. Těžší nedostatek železa však obranyschopnost rovněž snižuje.

47. ZÁVĚRY V metabolismus železa se uplatňuje řada nových proteinů a transportérů Hlavní regulátorem metabolismu železa v organismu (hormonem) je peptid hepcidin Organismus disponuje různými mechanismy, jimiž se snaží železo před bakteriemi sekvestrovat Některé děje v metabolismu železa, jeho regulaci a patogenezi jeho poruch nejsou dosud zcela objasněny

48. KONEC