Slc22a17通过调控海马铁稳态主导出生后神经发生

《Nature Communications》：Slc22a17 governs postnatal neurogenesis by maintaining the iron homeostasis in hippocampus

本研究针对铁代谢紊乱如何影响神经发生的科学问题，聚焦铁转运蛋白Slc22a17在海马神经发生中的作用机制。研究人员通过构建条件性基因敲除小鼠模型，结合TurboID邻近标记和免疫共沉淀等技术，发现Slc22a17缺失会导致铁过载，激活p62/Nrf2/HO-1信号轴，引发氧化应激和神经干细胞凋亡，最终导致认知功能障碍。该研究揭示了铁稳态调控神经发生的新机制，为铁代谢相关神经系统疾病的治疗提供了潜在靶点。

　　

大脑如何源源不断地产生新的神经元？这一被称为神经发生的过程对学习记忆至关重要，而海马体则是成年大脑中神经发生最活跃的脑区之一。铁作为多种生物过程必需的微量元素，在神经发生、突触形成和髓鞘形成等大脑发育关键过程中扮演着重要角色。然而，铁代谢失衡如同一把双刃剑：铁缺乏会损害神经发生，而铁过载则会通过催化产生过量活性氧（ROS），引发氧化应激，导致细胞死亡。

在众多铁稳态调控蛋白中，SLC22A17最初被发现是脂质运载蛋白-2（LCN2）的细胞表面受体，能够介导铁离子的流入和流出。虽然SLC22A17在哺乳动物大脑中高表达，但其在神经系统中的具体生理功能和分子机制仍不清楚。

为了揭开这一谜团，来自清华大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们发现Slc22a17通过维持海马铁稳态，在出生后神经发生中发挥着关键作用。

研究人员首先通过转录组分析发现Slc22a17是海马中表达量第二高的铁相关基因，仅次于铁蛋白。免疫印迹和免疫荧光染色证实Slc22a17在脑中高表达，且在海马中随着发育逐渐增加，与神经干细胞内铁含量的变化呈负相关，提示其可能在神经发生中发挥作用。

为了探究Slc22a17的功能，研究团队构建了脑特异性条件敲除（cKO）小鼠。结果发现，cKO小鼠出现早期死亡、严重生长迟缓，海马神经干细胞数量减少约40%，未成熟神经元减少20%。神经元树突复杂度和 spine 密度也显著降低，突触相关蛋白表达下降，表明Slc22a17缺失严重损害了海马神经元发育。

进一步的研究显示，Slc22a17缺失导致神经干细胞增殖和分化能力受损。BrdU标记实验发现cKO小鼠神经干细胞增殖率降低，神经球培养实验也证实cKO神经球数量和直径均减小，分化能力减弱。在成年诱导性敲除（iKO）小鼠中，同样观察到神经发生受损，并伴随空间学习和记忆能力下降。

机制上，研究人员发现cKO小鼠脑内和神经球中铁含量显著升高，而锌、铜、锰等离子无变化，表明Slc22a17特异性调控铁稳态。铁过载导致ROS增加、DNA损伤、脂质过氧化和线粒体功能异常，最终引发细胞凋亡。

通过铁释放实验，研究人员发现Slc22a17促进铁外排。有趣的是，Slc22a17主要定位于内质网，而非细胞膜。过表达Slc22a17可加速铁外排，降低铁蛋白表达。进一步实验表明，Slc22a17与回收内吞体标记物Rab11共定位，参与回收内吞体途径的铁转运。

RNA测序和ATAC测序分析显示，Slc22a17缺失导致氧化应激反应和铁稳态相关基因表达上调，特别是Nrf2/HO-1通路激活。Nrf2核转位增加，其靶基因HO-1表达上调。HO-1催化血红素降解释放铁离子，进一步加剧细胞内铁负荷。

通过TurboID邻近标记和免疫共沉淀，研究团队发现Slc22a17与p62相互作用。在Slc22a17缺失情况下，p62不能与自噬体融合降解，导致p62积聚。p62积累会与Keap1结合，抑制Nrf2的泛素化降解，促进Nrf2核转位和HO-1表达，形成正反馈循环。

最后，研究人员通过干预实验验证了这一机制。低铁饮食或铁螯合剂DFO处理可改善iKO小鼠的认知功能障碍。HO-1抑制剂ZnPP或Nrf2敲除也能挽救神经发生和认知缺陷，表明抑制Nrf2/HO-1通路可缓解Slc22a17缺失引起的异常。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用条件性基因敲除小鼠模型研究Slc22a17在神经发生中的功能；通过免疫荧光染色、Western blot、神经球培养等技术评估神经干细胞增殖分化和神经元形态；采用ICP-MS、非血红素铁测定、Perl's染色等方法检测铁含量；运用RNA测序和ATAC测序分析基因表达和染色质可及性；利用TurboID邻近标记和免疫共沉淀鉴定蛋白相互作用；通过Morris水迷宫和情境恐惧条件反射评估认知功能。

Slc22a17条件敲除（cKO）小鼠表现出产后致死性和神经元发育受损

研究发现Slc22a17在海马铁相关基因中表达量第二高，其表达与神经干细胞内铁含量负相关。cKO小鼠出现80%的产后死亡率，体重显著减轻，海马Nestin⁺神经干细胞减少40%，NeuroD1⁺和Dcx⁺未成熟神经元减少20%。神经元树突复杂度和spine密度降低，突触蛋白表达下降，表明Slc22a17缺失严重损害海马神经元发育。

神经干细胞（NSC）增殖和分化在海马中受损

cKO小鼠海马中Pax6⁺、Sox2⁺神经干细胞和Ki67⁺增殖细胞减少。BrdU标记显示cKO小鼠神经干细胞增殖率降低。神经球培养实验证实cKO神经球数量和直径减小，增殖和分化能力受损。分化实验显示cKO神经球分化为神经元的比例减少，神经元突起长度缩短。

Slc22a17缺陷损害海马成年神经发生和空间学习记忆

诱导性敲除（iKO）小鼠显示tdTomato⁺细胞增加缓慢，Ki67⁺、Sox2⁺和Dcx⁺细胞密度降低。Morris水迷宫实验显示iKO小鼠寻找平台潜伏期延长，目标象限停留时间减少，平台穿越次数减少。情境恐惧条件反射显示iKO小鼠冻结行为减少，表明海马依赖性学习记忆受损。

Slc22a17缺陷诱导铁积累和氧化损伤

ICP-MS显示cKO小鼠脑和海马铁含量升高，而非血红素铁也增加。神经球中铁浓度升高，FerroOrange和Calcein染色证实铁过载。ROS水平升高，8-OHdG标记的DNA损伤和MDA水平增加。细胞凋亡分析显示凋亡细胞比例增加，线粒体膜电位降低，超微结构显示线粒体肿胀和嵴破坏。

Slc22a17促进细胞铁外排应对铁过载

cKO海马中转铁蛋白受体（TfR）和IREB2表达降低，铁蛋白-H和铁蛋白-L表达增加。铁释放实验显示cKO神经元铁外排速率降低。过表达Slc22a17可抵抗FAC引起的铁积累，降低铁蛋白表达。Slc22a17定位于内质网，与Rab11共定位，参与回收内吞体途径的铁转运。

Slc22a17调控Nrf2/HO-1通路激活

RNA测序显示cKO神经球中氧化应激和铁稳态相关基因上调，Nrf2激活基因富集。ATAC测序显示Nfe2l2和Hmox1基因座染色质可及性增加。Western blot证实Nrf2、p-Nrf2、HO-1和p62表达上调，Nrf2核转位增加。Ubiquitination实验显示Nrf2泛素化降低。Slc22a17与p62相互作用，缺失导致p62积聚，激活Nrf2/HO-1通路。

降低铁水平或抑制Nrf2/HO-1信号拯救神经发生和认知缺陷

低铁饮食或DFO处理改善iKO小鼠水迷宫表现。HO-1抑制剂ZnPP或Nrf2敲除也能挽救学习记忆缺陷。双敲除（DKO）小鼠显示神经发生指标改善，表明抑制Nrf2/HO-1通路可缓解Slc22a17缺失引起的异常。

本研究系统阐明了Slc22a17在维持海马铁稳态和调控神经发生中的关键作用。Slc22a17通过p62/Nrf2/HO-1信号轴感知和调控细胞内铁水平，其缺失导致铁过载、氧化应激和神经干细胞凋亡，最终破坏神经发生和认知功能。该研究不仅揭示了铁代谢与神经发生之间的新联系，而且为阿尔茨海默病、帕金森病等铁代谢相关神经系统疾病的治疗提供了新的潜在靶点。值得注意的是，与Lcn2敲除小鼠不同，Slc22a17敲除表现出更严重的表型，表明Slc22a17可能具有独立于Lcn2的功能。此外，研究还发现Nrf2/HO-1通路在Slc22a17缺失背景下的持续激活反而对神经发生有害，这对以Nrf2为靶点的治疗策略提出了重要警示。