新创动物模型的铁调控图谱及分子机理研究

Abstract: The control of tissue iron export is critical to the distribution of iron during health and disease. We propose a comprehensive approach to ascertain the respective roles of the four major ferroxidases that enable iron export that have been identified to date - the multicopper ferroxidases ceruloplasmin (Cp), hephaestin (Hp) and zyklopen (Zp), and the beta-amyloid precursor protein (APP) in iron metabolism. We will take advantage of unique global and tissue specific knockout mouse models to systematically assess the effects of individual and combined ablation of these ferroxidases on systemic iron metabolism. Those are (1) different ferroxidases play distinct roles in iron metabolism and distribution; (2) specific iron requirements determine the utilization of ferroxidases in different tissues and cell types; (3) ferroxidases play an important role in the adaptation of tissue iron homeostasis to physiological stressors. Our work will provide a detailed understanding map of a key process involved in appropriate tissue distribution of iron in health and mal-distribution in disease.

铁是人体必需的金属元素，但过量又可对机体产生毒性反应。因此，细胞和体内必须严格维持铁浓度的稳定。肠道铁的吸收和转运依赖于亚铁氧化酶将亚铁（Fe2+）催化氧化成三价铁（Fe3+）。这些氧化酶可以有效地控制机体对铁的吸收。目前已确认的体内四大亚铁氧化酶是：铜蓝蛋白，膜铁转运辅助蛋白，Zyklopen蛋白和淀粉样前体蛋白。至今为止，尚未有一个完整的对四种相似的亚铁氧化酶的功能和机制评估的报道。本研究目的是利用我们新创建的一系列小鼠突变体-四种亚铁氧化酶基因敲除小鼠：（1）评估全身亚铁氧化酶基因敲除的表型效应以及多种亚铁氧化酶对各组织的影响；（2）明确各种亚铁氧化酶所承担的角色和功能；（3）当机体处于氧化应急状态时，每个亚铁氧化酶为保持铁的稳定状况所承担的重要作用。我们的研究将在分子生物学水平上提供一幅详细的体内铁代谢平衡/失衡调控图谱，为预防和治疗相对应的疾病提供一个重要的信息。

摘要:铁是人体必需的微量元素，但过量又可对机体产生毒性反应。因此，细胞和体内必须严格控制铁稳态。肠道铁的吸收和转运依赖于亚铁氧化酶将亚铁（Fe2+）氧化成三价铁（Fe3+）。多铜亚铁氧化酶（MCFs）可以有效地调控机体对铁的吸收和转运。尽管MCFs对机体铁稳态如此重要，但人们对其作用机理尚知之甚少。为了评估MCFs中Heph和Cp在机体铁稳态中的作用，我们建立了Heph, Cp单基因、Heph/Cp双基因敲除小鼠模型，并希望利用这些小鼠模型，完成一个新创动物模型的铁调控图谱及分子机理研究的工作。..首先，我们通过对6-9个月龄雄性小鼠血液学基本数据分析评价各种基因型小鼠的铁营养状况。Heph /Cp 及Heph KO小鼠表现出小细胞低色素贫血，Heph /Cp 较Heph KO更为严重；Heph KO小鼠小肠铁染色和铁蛋白表达阳性，Heph /Cp小鼠则为强阳性，而Cp KO小鼠血液学检查结果与正常野生对照组无差异，小肠铁染色和铁蛋白的表达阴性，但是血清铁较正常对照组明显降低、而肝脏铁浓度和铁蛋白较正常对照小鼠明显增高；与Heph KO小鼠的全身铁缺乏不同的是Heph /Cp KO小鼠虽然有一个类似Heph KO的小细胞低色素贫血、小鼠肠道铁的吸收受阻、小肠铁染色和铁蛋白的表达强阳性特质外，还兼有Cp KO小鼠的特点，即Heph /Cp KO小鼠肝脏铁转运受阻，出现肝铁浓度和铁蛋白升高，血清中铁浓度降低的改变。Heph /Cp KO小鼠的主要表型为：（1）较Heph KO更严重的小细胞低色素贫血；（2）肠、脑、心、肝、胰、肾等脏器铁染色和铁蛋白的表达强阳性；（3）脾脏及血清铁浓度极低、脾脏铁染色阴性；（4）脑、肝、胰、肾等脏器氧化应激检测呈强阳性反应；（5）并发认知行为障碍、二型糖尿病、蛋白尿等临床症状。..我们的研究结果显示HP和CP在机体各脏器中有相互代偿的功能，两个MCFs基因同时缺失时会引起各器官严重的铁堆积，导致小鼠脑、肝、胰、肾等脏器的氧化应激损伤，进一步导致多器官的功能障碍。这个研究提示MCFs可以保护机体各脏器免受铁过载导致的氧化应激损伤以及降低食物中铁含量可以避免机体铁过载导致的伤害。