Введение

Ферритин – универсальный внутриклеточный белок, который запасает железо и высвобождает его контролируемым образом. Этот белок продуцируется почти всеми живыми организмами, включая археи, бактерии, водоросли, высшие растения и животных. Он является основным внутриклеточным белком хранения железа как у прокариот, так и у эукариот, поддерживая железо в растворимой и нетоксичной форме. У человека ферритин служит буфером против дефицита и перегрузки железом. Он содержится в большинстве тканей в виде цитозольного белка, но небольшое количество секретируется в сыворотку, где функционирует как переносчик железа. Плазменный ферритин также является косвенным показателем общего количества железа, запасенного в организме, поэтому ферритин сыворотки используется в качестве диагностического теста при железодефицитной анемии. Агрегированный ферритин превращается в токсичную форму железа, называемую гемосидерином. Ферритин представляет собой глобулярный белковый комплекс, состоящий из 24 белковых субъединиц, формирующих полый наноклет с множественными металл-белковыми взаимодействиями. Ферритин, не связанный с железом, называется апоферритином.

Ген

Гены ферритина высоко консервативны у разных видов. Все гены ферритина позвоночных содержат три интрона и четыре экзона. У человека интроны расположены между аминокислотными остатками 14 и 15, 34 и 35, и 82 и 83; кроме того, на обоих концах объединенных экзонов имеется от одного до двухсот нетранслируемых оснований.

Структура белка

Ферритин представляет собой полый глобулярный белок массой 474 кДа, состоящий из 24 субъединиц. Обычно его внутренний и внешний диаметры составляют около 8 и 12 нм соответственно. Природа этих субъединиц варьируется в зависимости от класса организма: у позвоночных субъединицы двух типов – легкие (L) и тяжелые (H), с видимой молекулярной массой 19 и 21 кДа соответственно; их последовательности гомологичны (около 50% идентичны). У паразита Schistosoma присутствуют два типа: один у самцов, другой у самок. Митохондриальный ферритин человека, MtF, экспрессируется в виде про-белка. При попадании в митохондрию он подвергается процессингу и превращается в зрелый белок, подобный ферритинам, обнаруженным в цитоплазме, который затем собирается в функциональные ферритиновые оболочки. В отличие от других человеческих ферритинов, он, по-видимому, не содержит интронов в своем генетическом коде. Рентгенодифракционный анализ показал, что его диаметр составляет 1,70 ангстрема (0,17 нм), он содержит 182 аминокислотных остатка и на 67% состоит из альфа-спиралей. Диаграмма Рамачандрана митохондриального ферритина показывает, что его структура преимущественно альфа-спиральная, с небольшим количеством бета-листов.

Хранение железа

Ферритин присутствует в каждом типе клеток. Функция и структура экспрессированного белка ферритина варьируются в разных типах клеток. Это контролируется главным образом количеством и стабильностью матричной РНК (мРНК), но также изменениями в способах хранения мРНК и эффективности ее транскрипции. Одним из основных стимулов для производства многих ферритинов является само присутствие железа; следовательно, у позвоночных имеется сложный набор защитных механизмов для связывания железа в различных тканевых компартментах. Внутри клеток железо хранится в белковом комплексе в виде ферритина или родственного комплекса гемосидерина. Апоферритин связывает свободное железо (II) и хранит его в форме железа (III). По мере накопления ферритина в клетках ретикулоэндотелиальной системы образуются белковые агрегаты в виде гемосидерина. Железо в ферритине или гемосидерине может быть извлечено для высвобождения RE-клетками, хотя гемосидерин менее доступен. В условиях равновесия уровень ферритина в сыворотке крови коррелирует с общими запасами железа в организме; таким образом, ферритин сыворотки FR5Rl является наиболее удобным лабораторным тестом для оценки запасов железа. Поскольку железо является важным минералом в процессах минерализации, ферритин используется в раковинах организмов, таких как моллюски, для контроля концентрации и распределения железа, тем самым формируя морфологию и окраску раковины. Он также играет роль в гемолимфе многопластинчатых, где служит для быстрой транспортировки железа к минерализующейся радуле. Железо высвобождается из ферритина в результате деградации ферритина, которая осуществляется главным образом лизосомами.

Активность ферроксидазы

Ферритин позвоночных состоит из двух или трех субъединиц, которые классифицируются по молекулярной массе: L – "легкая", H – "тяжелая" и M – "средняя" субъединицы. Субъединица M была обнаружена только у американских бычьих лягушек. У бактерий и архей ферритин состоит из одного типа субъединиц. H и M субъединицы эукариотического ферритина, а также все субъединицы бактериального и археального ферритина, относятся к H-типу и обладают ферроксидазной активностью, заключающейся в окислении железа из двухвалентной (Fe2+) в трехвалентную (Fe3+) форму. Это ограничивает деструктивное взаимодействие между двухвалентным железом и перекисью водорода, известное как реакция Фентона, в результате которой образуется высокотоксичный гидроксильный радикал. Ферроксидазная активность протекает в центре связывания дижелеза, расположенном в середине каждой субъединицы H-типа. После окисления Fe(II), продукт Fe(III) временно удерживается в ферроксидазном центре и замещается Fe(II) – механизм, который, по-видимому, характерен для ферритинов всех трех доменов жизни.

Иммунный ответ

Концентрация ферритина резко возрастает при инфекции или раке. Эндотоксины стимулируют экспрессию гена, кодирующего ферритин, что приводит к повышению его концентрации. Однако, такие организмы, как Pseudomonas, несмотря на наличие эндотоксина, вызывают значительное снижение уровня ферритина в плазме в течение первых 48 часов после заражения. Таким образом, инфекционному агенту лишают запасы железа в зараженном организме, что замедляет его метаболизм.

Реакция на стресс

Концентрация ферритина повышается в ответ на стрессовые факторы, такие как аноксия, что позволяет предположить, что он является белком острой фазы.

Митохондрии

Митохондриальный ферритин выполняет множество функций, связанных с молекулярной деятельностью. Он участвует в ферроксидазной активности, связывании, связывании ионов железа, оксидоредуктазной активности, связывании ионов железа (III), связывании ионов металлов, а также связывании переходных металлов. В области биологических процессов он участвует в окислительно-восстановительных реакциях, транспорте ионов железа через мембраны и поддержании клеточного гомеостаза железа.

Желток

У некоторых улиток основным белком яичного желтка является ферритин. Это ферритин, отличный от соматического ферритина, с другой генетической последовательностью. Он производится в средних кишок железах и секретируется в гемолимфу, откуда транспортируется к яйцам. В руководстве Всемирной организации здравоохранения 2020 года указано, что ферритин свидетельствует о дефиците железа при показателе ниже 12 нг/мл у внешне здоровых детей до 5 лет и ниже 15 нг/мл у внешне здоровых людей старше 5 лет. Некоторые исследования показывают, что у женщин с усталостью и уровнем ферритина ниже 50 нг/мл наблюдается уменьшение усталости после приема препаратов железа. При анемии низкий уровень ферритина в сыворотке является наиболее специфичным лабораторным признаком железодефицитной анемии. Однако он менее чувствителен, поскольку уровень ферритина в крови может повышаться при инфекциях или любом виде хронического воспаления, и эти состояния могут изменить низкий уровень ферритина, обусловленный дефицитом железа, до значений в пределах нормы. Поэтому низкие уровни ферритина несут больше информации, чем уровни в пределах нормы. Ложно заниженный уровень ферритина в крови (эквивалентный ложноположительному результату) встречается крайне редко.

Низкий ферритин также может указывать на гипотиреоз, дефицит витамина С или целиакию. Низкие уровни ферритина в сыворотке крови наблюдаются у некоторых пациентов с синдромом беспокойных ног, не обязательно связанным с анемией, но, возможно, из-за истощения запасов железа, недостаточного для развития анемии. Согласно позиции Американской диетологической ассоциации, принятой в 2009 году, вегетарианство не является причиной низкого уровня ферритина в сыворотке крови: «Распространенность железодефицитной анемии среди вегетарианцев сопоставима с распространенностью среди невегетарианцев. Хотя запасы железа у взрослых вегетарианцев ниже, чем у невегетарианцев, уровень ферритина в их сыворотке обычно находится в пределах нормы».

Избыток

Если ферритин повышен, это может указывать на избыток железа или на острую воспалительную реакцию, при которой ферритин мобилизуется без избытка железа. Например, ферритин может быть высоким при инфекции, не сигнализируя о перегрузке железом в организме. Ферритин также используется в качестве маркера заболеваний, связанных с перегрузкой железом, таких как гемохроматоз или гемосидероз. Болезнь Стилла с началом у взрослых, некоторые порфирии и гемофагоцитарный лимфогистиоцитоз/синдром активации макрофагов – это заболевания, при которых уровень ферритина может быть аномально повышен. Поскольку ферритин также является белком острой фазы, он часто повышается в ходе заболевания. Нормальный уровень C-реактивного белка может быть использован для исключения повышения ферритина, вызванного реакциями острой фазы. Показано, что ферритин повышен в некоторых случаях COVID-19 и может коррелировать с более тяжелым клиническим исходом. Ферритин и IL-6 рассматриваются как возможные иммунологические биомаркеры тяжелых и летальных случаев COVID-19. Ферритин и C-реактивный белок могут быть потенциальными инструментами скрининга для ранней диагностики синдрома системной воспалительной реакции при COVID-19. Согласно исследованию пациентов с нервной анорексией, ферритин может быть повышен в периоды острого недоедания, возможно, из-за депонирования железа в сосудистом русле и, как следствие, снижения количества эритроцитов. Другое исследование предполагает, что из-за катаболической природы нервной анорексии могут высвобождаться изоферритины. Кроме того, ферритин выполняет важные функции в организме, не связанные с хранением железа, например, защиту от окислительного повреждения. Повышение уровня этих изоферритинов может способствовать общему увеличению концентрации ферритина. Определение ферритина иммуноаналитическими или иммунотурбидиметрическими методами также может выявлять эти изоферритины, что не всегда точно отражает статус запасов железа. Исследования показывают, что насыщение трансферрина (концентрация железа в сыворотке крови, деленная на общую железосвязывающую способность) более 60% у мужчин и более 50% у женщин с точностью около 95% позволяет выявить нарушения метаболизма железа (наследственный гемохроматоз, гетерозиготы и гомозиготы). Эта находка помогает в ранней диагностике наследственного гемохроматоза, особенно когда уровень сывороточного ферритина все еще остается низким. При наследственном гемохроматозе избыточное железо в основном откладывается в паренхимальных клетках, а накопление в ретикулоэндотелиальных клетках происходит на поздних стадиях заболевания. Это отличается от перегрузки железом при переливаниях крови, когда отложение железа происходит сначала в ретикулоэндотелиальных клетках, а затем в паренхимальных клетках. Это объясняет, почему при наследственном гемохроматозе уровень ферритина остается относительно низким, в то время как насыщение трансферрина высокое.

При хронических заболеваниях печени

Гематологические аномалии часто сопутствуют хроническим заболеваниям печени. Как перегрузка железом, так и железодефицитная анемия наблюдаются у пациентов с циррозом печени. Первая в основном обусловлена снижением уровня гепцидина, вызванным уменьшением синтетической функции печени, а вторая – острым и хроническим кровотечением, вызванным портальной гипертензией. Воспаление также присутствует у пациентов с выраженным хроническим заболеванием печени. Как следствие, при хронических заболеваниях печени постоянно отмечаются повышенные уровни ферритина в печени и сыворотке крови. Исследования показали связь между высоким уровнем ферритина в сыворотке крови и повышенным риском краткосрочной смертности у пациентов с циррозом печени с острой декомпенсацией и острой на хронической печеночной недостаточности. Другое исследование выявило связь между высоким уровнем ферритина в сыворотке крови и повышенным риском долгосрочной смертности у пациентов с компенсированным и стабильно декомпенсированным циррозом. То же исследование продемонстрировало, что повышенный уровень ферритина в сыворотке крови может предсказывать развитие бактериальной инфекции у пациентов со стабильно декомпенсированным циррозом, в то время как у пациентов с компенсированным циррозом появление первого эпизода острой декомпенсации наблюдалось чаще у пациентов с низким уровнем ферритина в сыворотке крови. Это последнее наблюдение объясняется связью между хроническим кровотечением и повышенным давлением в портальной вене. Белковые оболочки использовались в качестве матрицы для ограничения роста частиц и покрытия для предотвращения коагуляции/агрегации между наночастицами (НЧ). Используя белковые оболочки различных размеров, можно легко синтезировать НЧ различных размеров для химических, физических и биомедицинских применений. Были разработаны экспериментальные вакцины против COVID-19, представляющие рецептор-связывающий домен шипового белка на поверхности наночастиц ферритина.