用Thy-Cre-ERT2+/-Hephfl/fl脑基因敲除小鼠研究Hephaestin在脑内铁氧化代谢功能

铁作为一种必需的营养元素，在动物及人体的发育和正常生理过程中起着重要作用。体内缺铁在儿童中会引起严重的，不可逆的神经系统疾病；而铁过负荷，又会引起脑内氧化应激反应性损伤和退行性疾病等。小肠是调节肠铁吸收、释放，维持机体铁稳定状态的重要部位。我们最近的研究表明Hephaestin，一个多铜亚铁氧化酶，与Ferroportin协同作用，将二价铁从肠细胞内转运到胞外并将其氧化成三价铁后进入循环。肠道内Hephaestin的缺损会引起肠细胞铁的氧化转运发生障碍。有趣的是，Hephaestin同时在脑组织中也有多量分布，其意义不甚明确。近年的研究表明，铁元素的动态平衡对于正常脑的功能，特别是学习、记忆功能十分重要。为了研究铁在脑内的代谢是否与其在小肠中有着相似的机制，我们拟建立Hephaestin脑特异性敲除小鼠，并在此模型基础上揭示铁的脑内代谢机制。我们的研究在指导儿童营养健康上有着重要的意义。

铁在中枢神经系统中的沉积可以引发多种神经退行性疾病，到目前为止，国内外对铁在中枢神经系统中沉积的原因仍不十分清楚。铁从细胞内通过膜铁转运蛋白（Fpn1）以亚铁为基质向细胞外转运二价铁，这种有毒的二价铁离子可以迅速的被亚铁氧化酶氧化成无毒的三价铁离子。目前这些多铜亚铁氧化酶从细胞中释放铁的机理知之甚少。我们建立了一组亚铁氧化酶（Cp、Hp等）基因敲除小鼠模型，首次在国际上使用这些模型展开生理和病理条件下脑中铁的分布、代谢以及相关的分子机理研究。我们发现，铁在小鼠脑组织的沉积是一个渐进性的过程，而各型小鼠模型在铁沉积的神经退行性疾病的研究的最佳年龄段为1.5-2岁之间。我们的数据提示：在6-9个月龄的HpKO、CpKO小鼠小脑的DMT1的mRNA都有20倍以上的增高，FPN1的mRNA有3-5倍以上的增高, HpKO小鼠小脑中 Cp的mRNA水平有一个20倍的代偿性增高并伴有铁蛋白在小脑的堆积，CpKO小鼠小脑中Hp的mRNA水平有一个14倍的代偿性增高, 而小脑铁蛋白代谢却未见异常，这表明虽然小脑的Hp与Cp在mRNA水平有一个相互代偿功能，但就蛋白代谢水平而言，增高的Cp并不能替代Hp的膜铁转运辅助蛋白作用。亚铁氧化酶在脑铁代谢平衡中起着一个重要的作用，一旦其失代偿，可引起脑铁沉积。我们的实验结果，将对这个分野的研究提供一个极大的帮助。我们的数据还显示亚铁氧化酶缺失的小鼠的脑组织中的氧化还原损伤非常有限, 这对常规的用铁调节的氧化应激机制解释神经损伤和神经退行性变的理论提出了挑战。目前已知Cp主要在星形胶质细胞表达，Hp主要集中在小胶质细胞，我们推测脑组织神经损伤和神经退行性变可能是相关星形胶质细胞和小胶质细胞铁过载情况下神经铁缺乏的作用所致。神经细胞保护的不同机制很有可能是由星形胶质细胞和小胶质细胞提供的，一旦这些细胞受损或失代偿，神经细胞的生存就受到威胁。脑组织不同细胞亚铁氧化酶的互补机制，可以用来维持脑铁代谢稳定状态；当脑组织的亚铁氧化酶缺失或老化所致的功能减退，这些细胞内铁转运机制失控时，可导致铁在中枢神经系统的堆积，进而发生细胞铁过载情况下的神经营养性铁缺乏的退行性病变。更详细的代谢机理，仍需进一步进行体内、外的分子生物学水平的实验研究，给与解明。