Mitochondrial iron chelation ameliorates cigarette smoke–induced bronchitis and emphysema in mice

Edited By：汪巍博士

1.文章简介

文章题目：

Mitochondrial iron chelation ameliorates cigarette smoke–induced bronchitis and emphysema in mice

期刊名:

Nature medicine  IF: 27.36

发表时间：

2016.1.11

单位：

Weill Department of Medicine, New York–Presbyterian Hospital.

实验材料：

Irp2−/− and WT littermate control mice; Sco2ki/ki (C57BL/6), Sco2ki/ko (C57BL/6) and WT (C57BL/6) littermate mice

测序平台：

Illumina HiSeq2000

2.研究背景

慢性阻塞性肺部疾病（Chronic obstructive pulmonary disease, COPD）是一种复杂，削弱肺部功能的疾病，主要临床和病理表现包括从气道炎症（慢性支气管炎），肺组织破坏（肺气肿）小气道重塑等（1,2）。COPD的发病机制至今仍然不明确，但是它涉及到肺部对香烟烟雾（cigarette smoke, CS）的异常炎症和细胞反应失调（1）。目前研究表明吸烟和遗传是COPD最大的危险因素（3）。本文作者之前通过对人类全基因组进行全基因组关联分析（genome-wide association studies， GWAS）确定IRP2（也称为IREB2）是COPD的主要候选基因（4-6），此后作者证明IRP2蛋白在COPD患者的肺部含量增加（4）。已有的研究表明IRP2基因位于人类15q25染色体上，该染色体上还包括编码烟碱乙酰胆碱受体的几个部件的基因。此外 GWAS分析表明15q25还与肺癌，外周动脉疾病和尼古丁成瘾相关（7-10）。铁调节蛋白（The iron-regulatory proteins, IRPs）IRP1和IRP2尤其是IRP2负责调节哺乳动物体内细胞铁离子的平衡（11）。IRPs在十二指肠，脊髓和中枢神经扮演非常重要的生理角色，同时IRPs也可能是肺动脉高压和神经性病变等疾病发病原因（12-15）。在细胞内铁耗尽的情况下，IRPs通过与位于mRNA上铁体内平衡基因的铁反应元件（iron-response elements, IREs）结合，导致其翻译被抑制从而降低铁的储存并同时增加铁摄取（12,15）。但是IRP2在肺部的生理功能以及IRP2的mRNA转录还不是很清楚，同时IRP2在肺部暴露在香烟烟雾中COPD发病的响应机制也不是很明确。因此，作者试图通过将COPD实验中小鼠模型和人COPD数据整合，阐述由香烟烟雾引起的COPD中IRP2的功能。

3.研究方法

研究思路
应用RIP-seq找到野生型小鼠和Irp-/-小鼠的差异表达基因。通过GO分析发现主要的差异基因的在线粒体功能通路上。进一步通过细胞学实验验证Irp基因对线粒体铁积累的影响。从而揭示Irp基因对COPD发病机制的影响。
文章亮点

1. 1. 1. 第一次描述了Irp2基因的功能在COPD发病中的作用。
      2. 通过使用新的实验方法并整合IRP2基因在小鼠肺部和人类COPD的表达数据，我们证明了IRP2在肺部调控线粒体相关途径。我们证明在COPD患者中线粒体基因的差异表达和Irp2基因的表达之间有很强的关联。此外我们还发现在COPD患者中Irp2会导致细胞内线粒体功能障碍进而导致肺部上皮细胞死亡和肺气肿。
      3. 我们的实验表明在COPD患者中IRP2会导致线粒体中铁过量装载。
      4. 因此我们假设IRP2的持续表达，上呼吸道细胞中细胞色素C氧化酶（cytochrome c oxidase, COX）增加可能导致线粒体功能障碍，上皮细胞损伤，炎症和肺气肿等COPD症状。

4.研究成果

1.Irp2缺失小鼠能抵抗COPD病发

研究中我们发现相比在室内空气对照组的小鼠，暴露在香烟烟雾中的小鼠Irp2表达量更高。由于过表达Irp2会导致小鼠死亡（21）因此在实验中我们使用功能丧失方法来研究Irp2基因功能在COPD中的作用。野生型小鼠暴露在香烟烟雾中4-6个月后其chord的长度气腔直径明显增加，而Irp2-/-小鼠暴露在香烟烟雾中chord长度和气腔直径均没有显著变化并且避免了小气道重塑。此外在本研究中我们对支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid, BALF）进行了测量结果表明暴露在香烟烟雾中的Irp2-/-小鼠比野生型更少的IL-6（急性加重慢性阻塞性肺病的肺功能的严重性和下降有关的细胞因子）和IL-3（小鼠肺组织中诱导气道炎的多效细胞因子）。

2.肺中IRP2全新通路的发现

为了全面的认识IRP2的RNA靶标，作者对人上呼吸道Beas2B细胞系进行了去铁铵（deferoxamine, DFO）和刺激处理，随后进行了IRP2-RNA复合物免疫共沉淀和全转录组测序（performed whole-transcriptome sequencing, RIP-seq）。分析结果确定了1,806个IPR2相关的靶基因。其中包括一些已知的IRP2目标基因，例如铁蛋白及转铁蛋白受体（ferritin and the transferrin receptor, TfR）。为了更好的理解IRP2靶基因背后的生物想意义我们使用了功能富积聚类分析，并确定了五个核心功能“群体”和代谢途径。随后通过比对Irp2-/-和野生型小鼠基因表达发现，在Irp2-/-和野生型小鼠中聚类1和聚类2基因表达模式显著不同。GO分析表明聚类2中差异表达的基因主要出现线粒体功能途径中。

3.Irp2-/-小鼠可以抵抗CS诱导的线粒体功能障碍

根据人类和小鼠中RIP-seq和差异表达分析，作者评估IRP2在CS诱导的COPD中线粒体的应答中的作用。作者发现暴露在CS中的小鼠线粒体形态异常，线粒体肿胀。相比之下暴露在CS中的Irp-/-小鼠线粒体形态异常较少。对胞浆色素C氧化酶（COX）进行免疫组织化学染色，发现在野生型小鼠细胞内CS诱导的线粒体损伤主要在肺泡和呼吸道上表皮细胞中，而Irp-/-小鼠的结果显示肺泡和呼吸道上表皮细胞几乎不受影响。

4.IRP2促进CS诱导线粒体铁装载

相对于非暴露在CS中的对照小鼠而言。暴露在CS中的野生型小鼠Irp2表达量更高，其全肺匀浆中非血红素铁含量明显高于对照野生型小鼠。然而暴露在CS中的Irp-/-小鼠全肺匀浆中非血红素铁含量显著低于野生型小鼠。

5.IRP2和CS增加肺部COX的表达和活性

作者发现COPD患者肺部的COX的表达显著高于对照人群。因此作者利用抗体对暴露在CS中的野生型小鼠和Irp-/-小鼠的COX含量进行测量。结果显示暴露在CS中的野生型小鼠COX含量也显著高于Irp-/-小鼠。随后作者对COX活性进行检查，发现暴露在CS中1月的野生型小鼠的COX活性也显著高于Irp-/-小鼠。

原文出处：

Cloonan SM, Glass K, Laucho-Contreras ME, et al. 2016. Mitochondrial iron chelation ameliorates cigarette smoke–induced bronchitis and emphysema in mice.  Nature medicine, 22:163-174.