果蝇中发现新型高亲和力和低亲和力铁吸收系统的分子组分及其功能机制研究

本研究针对铁吸收这一生物学难题，在果蝇模型中系统鉴定了高亲和力铁吸收系统Mco4（多铜氧化酶-4）和低亲和力吸收系统Fire/Fire-like（细胞色素b561铁还原酶）与Firewood（细胞色素b5电子供体）。通过多代铁耗竭实验结合RNA-Seq分析，揭示了动物界首个高亲和力铁吸收系统的存在，阐明了细胞色素b5介导的铁还原新机制，为理解铁代谢调控网络提供了重要理论依据。研究成果发表于《Nature Communications》。

　　

铁是生命活动不可或缺的微量元素，但其生物利用度却面临双重挑战：在需氧环境中溶解度低，且过量摄入会导致毒性。尽管已知动物主要依赖二价金属转运蛋白（如DMT1）吸收铁，但面对铁缺乏时的高效捕获机制仍不清楚。有趣的是，酵母在铁饥饿时采用由多铜氧化酶Fet3p介导的高亲和力吸收系统，这一机制是否存在于高等生物中尚未见报道。与此同时，肠道铁还原酶的身份及其电子传递机制也是长期悬而未决的问题。

加拿大阿尔伯塔大学的研究团队通过创新的多代铁耗竭策略，在经典模式生物黑腹果蝇中揭示了铁吸收的分子奥秘。研究人员将果蝇连续五代饲养在含铁螯合剂BPS的培养基中，通过系统监测铁响应基因的表达变化，鉴定出四个关键组分：多铜氧化酶Mco4（酵母Fet3p的同源物）是铁饥饿存活必需因子；细胞色素b561酶Fire（铁还原酶）和Fire-like以及细胞色素b5蛋白Firewood则构成基础条件下的铁吸收系统。这项发表于《Nature Communications》的研究不仅首次在动物中发现高亲和力铁吸收系统，还阐明了蛋白电子供体在铁还原中的作用，革新了人们对铁代谢调控的认知。

研究采用多代铁耗竭结合时序RNA-Seq分析技术，通过比较不同组织（脑-环腺复合体、肠道和全身）在铁补充/耗竭条件下的转录组变化。关键实验包括CRISPR/Cas9基因编辑构建敲除/敲入品系、免疫荧光定位、体外铁氧化酶/还原酶活性检测、酵母互补实验以及同步辐射X射线荧光显微分析等技术。

研究结果部分，"Gut iron response"显示，RNA-Seq鉴定出486个肠道铁响应基因，其中铁蛋白亚基Fer1HCH/Fer2LCH和锌铁转运蛋白Zip99C（Zip13）显著上调，而铁还原酶Fire（CG13078）、Fire-like（CG13077）和电子供体Firewood（CG5157）则成为下调最显著的基因。普鲁士蓝染色证实这些基因确实参与铁储存调控。

"The fire gene complex and firewood"部分通过基因敲除和荧光标记证实，Fire和Fire-like在肠前端和中段呈顶端膜分布，其表达区域与BPS-Fe²⁺沉淀区（BPR）存在空间分离。pH检测揭示BPR位于肠道酸性过渡区，碳酸酐酶抑制剂乙酰唑胺可消除沉淀，证实铁还原实际发生在中性肠段而沉淀于酸性区域。体外实验显示Firewood可通过血红素结合位点（H39/H63）增强Fire/Fire-like的铁还原活性2.5倍。

"Mco4 functions in cellular iron import"部分发现，Mco4在铁缺乏时于环腺体上调100倍，其缺失使铁饥饿存活率降至5%。引人注目的是，过表达Mco4可使果蝇耐受致死剂量BPS（500μM），而携带E267A突变（对应Fet3p铁结合关键位点）则丧失酵母互补能力。铁含量测定显示Mco4敲除幼虫铁水平降低60%，与人类DMT1突变表型相当。

"Discussion"部分指出，该研究解决了铁代谢领域两大谜团：首次在动物中发现由Mco4介导的高亲和力吸收系统，其功能类似于酵母Fet3p-Ftr1系统；揭示Firewood作为蛋白电子供体参与铁还原的新机制，挑战了抗坏血酸作为唯一电子供体的传统认知。这些发现为理解人类铁代谢疾病（如贫血和血色素沉着症）提供了新视角，Mco4可能对应人类尚未表征的第三类铁氧化酶（zyklopen），而Firewood的同源物CYB5b可能在肠道铁吸收中发挥类似作用。

这项研究通过创新的实验设计和多学科技术融合，不仅拓展了对铁代谢调控网络的认识，还为相关疾病的治疗靶点开发提供了重要线索。研究者建立的果蝇铁代谢研究体系将继续作为强有力的工具，助力揭示这一生命必需元素在健康和疾病中的复杂调控机制。