低氧对细胞铁摄取蛋白的调控和细胞铁稳态的影响

铁在氧传输和利用中发挥重要作用，哺乳动物存在复杂的调控机制维持细胞的铁稳态。低氧会促发一系列基因表达的改变以适应低氧，低氧最终会导致细胞铁稳态的改变。已知和铁代谢相关的低氧反应性基因中，TfR1和DMT1最为特别，它们同时含有铁反应元件（IRE）和低氧反应元件（HRE），故推测低氧下低氧诱导因子（HIF-1）、细胞铁调节蛋白（IRP1）分别在转录和转录后水平调控TfR1、DMT1的表达，TfR1、DMT1与IRP1不仅在转录水平受HIF-1调控，而且它们之间还存在怎样的相互影响均值得作深入探究。本项目拟从低氧环境下HIF-1、IRP1和铁摄取蛋白TfR1和DMT1之间的关系入手，深入研究低氧对铁摄取蛋白及铁稳态的影响。该研究将有助于我们从分子和细胞水平了解低氧应激对细胞铁稳态的作用，揭示低氧调控细胞铁代谢的生理和病理意义，为防治各类缺血/低氧性疾病提供理论依据。

在已知铁代谢相关的低氧反应性蛋白中，TfR1和DMT1最为特别，它们同时含有铁反应元件（IRE）和低氧反应元件（HRE）。低氧下HIF-1和IRP1可分别在转录和转录后水平调控TfR1、DMT1的表达。本项目旨在探讨低氧下HIF-1、IRP1和铁摄取蛋白（TfR1和DMT1）的相互关系，确定低氧下调控细胞铁稳态中起关键作用的蛋白。结果表明：1、三种不同来源的细胞株在低氧下TfR1和DMT1表达增加，且与IRP1表达变化存在一定的负相关联系。2、低氧显著增加HIF-1和TfR1-Luc-HRE、DMT1-Luc-HRE的结合活性，明显减弱IRP1与TfR1-Luc-IRE、DMT1-Luc-IRE的结合活性，说明HIF/HREs系统与IRP/IRE系统均参与低氧调控DMT1和TfR1的表达。3、低氧对不同组织来源的细胞铁稳态影响不同，对SH-SY5Y细胞和HepG2细胞，主要是增加细胞二价铁摄入、铁存储和不稳定铁池，总铁含量增加或不明显；对肠来源细胞，低氧增加细胞二价铁摄入，却减少总铁水平。4、通过增加外源性IRP1表达后发现，低氧下TfR1和DMT1表达虽有所上升，但显著低于对照组，低氧下IRP1稳定DMT1和TfR1 mRNA的能力减弱，即IRP1削弱了低氧诱导的TfR1和DMT1表达，进而减少细胞二价铁吸收、LIP以及胞内总铁的水平增加的趋势。5、干扰IRP1引起的TfR1和DMT1 mRNA表达下调，可被外源性高表达HIF-1α逆转，而由高表达HIF-1α引起的TfR1和DMT1 mRNA表达上调，不会被IRP1敲降逆转。干扰HIF-1α表达后，低氧下DMT1和TfR1蛋白表达明显减少，而干扰IRP1后在低氧下TfR1和DMT1的表达却未有明显变化。综上，本课题揭示了在应对低氧刺激时细胞内铁稳态的调节过程。在低氧影响铁稳态的过程中，HIF-1α可能较IRP1对DMT1和TfR1的表达影响更为主导，即通过促进二者的表达，导致铁摄取增加以满足细胞对铁的需求；IRP1的作用则在于削弱低氧诱导TfR1和DMT1表达的能力，缓解细胞二价铁吸收、LIP以及胞内总铁水平增加的趋势，二者的相互牵制达到低氧下维持细胞内铁稳态的作用。该研究有助于我们从分子水平了解低氧应激对细胞铁稳态的影响，为各类缺血/低氧性疾病、神经退行性疾病以及肿瘤的防治提供了一定的实验依据和策略。