SLC11A1基因剪接体在微量元素稳态代谢中的作用及分子机制研究

Homeostasis of trace element is very essential for maintaining normal physiological function. Solute carrier family 11 A1 (SLC11A1) is a kind of conserved divalent metal ion transporters. Lots of reports have revealed that SLC11A1 can transport iron. Recently, by high-throughput screening the cDNA library of transporters, we discovered a novel short spliced isoform of SLC11A1, SLC11A1-s, which is found only expressed extensively in human multiple tissues and cells. Over-expression SLC11A1-s can strikingly increase cell viability under high zinc environment. SLC11A1-s is derived from alternative splicing of SLC11A1, and has been considered to be a nonsensical transcript. Using a variety of frontier biological techniques, we will comprehensively study the alternative splicing mechanism of SLC11A1 and the functions of SLC11A1-s in regulating zinc and iron homeostasis. Our subject is strongly interdisciplinary and the achievements will further extend the theory of zinc and iron metabolism, as well as provide a theoretical basis for the prevention and treatment of diseases related to zinc and iron homeostasis.

微量元素稳态平衡对维持机体正常生理功能至关重要。SLC11A1是在进化中高度保守的二价金属离子转运蛋白，大量研究揭示SLC11A1可以转运铁离子。近期，我们通过高通量筛选转运蛋白表达文库意外发现SLC11A1基因存在一种仅163个氨基酸的N端短肽剪接体SLC11A1-s。高表达SLC11A1-s可显著提高细胞在高浓度锌离子环境下的生存能力。进一步分析发现，该短肽剪接体是SLC11A1基因的可变剪接产物，之前被认为是没有生物学功能的剪接体，特异高度表达在人体多种组织中，小鼠中未见表达。我们将运用多种前沿生物学技术，对SLC11A1基因的剪接产物在微量元素稳态代谢中的重要功能及其可变剪接调控机制进行系统的研究，全面揭示SLC11A1-s转运铁和锌的生物学规律。本项目具有很强的学科交叉性，研究成果将进一步丰富微量元素代谢理论，为阐明微量元素稳态调控机制及相关疾病的防治提供理论依据和治疗靶点。

铁和锌是机体必需的微量元素，参与机体多种活性酶和蛋白质的组成。锌铁稳态平衡对维持机体正常生理功能至关重要。可变剪接是增加转录组和蛋白质组多样性的主要机制，尤其是在哺乳动物中。SLC11A1是在进化过程中高度保守的一类二价金属离子转运蛋白，我们通过对转运蛋白cDNA文库进行高通量筛选，得到了SLC11A1的一个新的短肽剪切体SLC11A1-s，并且只在人多种组织中表达。这种短肽产物一直被认为是没有功能的，而我们的研究首次发现了该短肽同时具有转运铁和锌两种金属离子的生物学功能，SLC11A1-s在细胞中可能参与向胞外转运锌离子的过程，并且在高锌环境中，SLC11A1-s起主要调控作用。我们还发现SLC11A1-s在肺结核病人组织中高表达，提示SLC11A1-s调控的锌铁代谢可能与肺结核的易感和预后相关。我们还研究了另一个溶质转运蛋白家族成员SLC7A11在铁代谢中的功能，铁死亡（Ferroptosis）是近年发现以 “铁依赖性”为主要特征的新型细胞死亡方式，SLC7A11是细胞膜上胱氨酸/谷氨酸转运二聚体的一个亚基，我们制备并引进了包括Slc7a11基因敲除小鼠在内的多种Ferroptosis小鼠模型，联合铁代谢基因敲除小鼠模型，研究铁稳态代谢失衡与Ferroptosis的关系，结果发现，铁能显著上调Slc7a11的表达，苯肼（PHZ）所诱导的溶血性贫血以及腹腔注射葡聚糖铁都能显著上调肝脾Slc7a11表达，并且PHZ处理下，Slc7a11敲除小鼠造血系统的氧化应激水平低于和野生型小鼠，表明是Slc7a11是Ferroptosis的抑制因素，SLC7A11可能是联通铁代谢和Ferroptosis的“桥梁”，是调控Ferroptosis的关键基因。我们的研究结果丰富了微量元素代谢理论，为阐明微量元素稳态调控机制及相关疾病的防治提供理论依据和治疗靶点。