Ferritin H调控心脏铁死亡的生理效应及机制研究

Ferroptosis is a newly identified iron-dependent, non-apoptotic cell death. Recently, we functionally characterized a novel regulatory mechanism of ferroptosis plays a major role in both doxorubicin- and ischemia/reperfusion- induced cardiomyopathy (PNAS 2019, first author). Interestingly, we found a significant up-regulation of ferritin in both murine models. Together with our preliminary observations made in conditional ferritin knockout mice, we hypothesize that ferritin might be involved in the process of cardiac ferroptosis. This proposal is designed to further investigate the in vivo protective effect of ferritin on iron overload induced ferroptosis in the murine heart. We generated cardiomyocyte-specific ferritin H (Fth) gene deficient mice. Our preliminary study revealed that cardiac Fth null mice presented cardiac iron dyshomeostasis, high-iron diet-induced ferroptosis, and hypertrophic cardiomyopathy. Therefore, this proposal aims at systematically study the function and potential molecular mechanisms of Fth-mediated ferroptosis in the heart using cardiac specific Fth knockout mice as well as transgenic mice. The findings of this proposal could uncover underlying molecular mechanisms of cardiac iron homeostasis and the role of ferritin in ferroptosis-induced heart disease, which might provide protective strategies to effectively manage cardiomyopathy.

铁死亡（Ferroptosis）是新发现的一种铁依赖的非凋亡新型细胞死亡方式。申请人前期研究发现铁死亡是阿霉素心肌病和缺血再灌注损伤等心脏疾病的重要病理机制，并揭示了铁过载诱发心脏铁死亡过程中的重要调控新机制（PNAS 2019，第一作者）。这两种心脏疾病模型中，铁蛋白基因显著上调，提示这种储铁蛋白在心脏铁死亡中可能发挥关键作用。为了进一步深入研究铁蛋白抑制心脏铁死亡的生理效应及机制，我们制备了铁蛋白重链（Ferritin H, Fth）心脏特异性敲除小鼠，发现其出现心脏铁代谢紊乱，在高铁负荷下发生明显的铁死亡和肥厚型心肌病。结合Fth转基因过表达小鼠，本项目旨在明确铁过载状态下Fth抑制心脏铁死亡的体内生理效应并探究其调控铁死亡的分子机制。本项目的研究成果将为阐明心脏铁死亡的分子调控机制提供理论依据，为铁死亡相关心脏疾病的防治提供新的靶点和策略。

作为机体必需微量元素，铁稳态代谢的维持对于心脏功能正常至关重要。铁缺乏和铁过载都通过复杂的机制与心肌损伤和心力衰竭有关。虽然铁蛋白通过储存多余的细胞铁在铁代谢中起着核心作用，但我们对心肌细胞中铁蛋白的分子功能长期知之甚少。在本项目资助下，我们发现心肌细胞铁蛋白Fth基因敲除的小鼠虽然心脏总铁含量降低，但氧化应激水平显著升高，导致衰老时轻度心脏损伤。高铁膳食喂养这些小鼠导致严重的心脏损伤和心肌病，主要表现为具有典型的铁死亡（ferroptosis）的分子特征，包括降低谷胱甘肽（GSH）水平和脂质过氧化增加。铁死亡特异性抑制剂Ferrostatin-1 挽救了这种病理表型，支持了铁死亡在心脏中起着病理生理作用的观点。最后，我们发现，缺乏Fth的心肌细胞减少了铁死亡调节蛋白Slc7a11 的表达，在心肌细胞中选择性地过度表达Slc7a11，增加了GSH 水平，防止了心肌铁死亡的发生。.该成果系统阐明了铁蛋白Fth通过调控铁死亡抑制心肌病发生的效应及分子调控机制；利用整体动物模型首次揭示膜蛋白Slc7a11 能通过阻断心肌细胞发生铁死亡而有效逆转铁蛋白缺失导致的心肌病，因而有望成为心脏疾病防治的新靶点。此外，该研究在国际上率先构建了多个心脏铁死亡的遗传小鼠模型，为靶向心肌细胞铁死亡实验研究提供了系列新模型。研究成果发表在Circulation Research （2020，第一作者）。.在完成本项目主要研究内容的基础上，我们在国际学术期刊共发表受资助论文7篇，其中单独一作4篇，单独通讯2篇，共同一作1篇；共申请国家发明专利5项，其中已授权3项。