下丘脑铁积聚通过ROS-FoxO1-AgRP信号轴驱动年龄依赖性肥胖 中文标题 下丘脑铁积聚通过ROS-FoxO1-AgRP信号轴驱动年龄依赖性肥胖的机制研究

　　本研究针对年龄依赖性肥胖及其代谢功能障碍的机制不明问题，研究人员开展了下丘脑铁积累对代谢调控作用的主题研究。发现老年小鼠下丘脑弓状核(ARC)铁水平升高，使用铁螯合剂deferiprone(DFP)鼻内给药或AgRP神经元特异性敲除转铁蛋白受体1(Tfrc)可降低铁含量，通过抑制ROS-FoxO1信号通路减少AgRP表达，从而改善肥胖和代谢异常。该研究揭示了年龄相关性肥胖的新机制，为治疗提供了新靶点。

　　

随着全球人口老龄化的加剧，年龄依赖性肥胖及其引发的代谢性疾病已成为日益严重的公共卫生问题。尽管已知衰老过程中能量消耗下降是导致脂肪堆积和肥胖风险升高的重要因素，但其背后的分子机制仍不甚明了。下丘脑作为能量稳态调节的中枢，其功能障碍与年龄相关的代谢紊乱密切相关，然而科学家们对衰老过程中下丘脑功能失调的具体机制了解有限。

近年来，铁稳态失调与衰老的关联引起了广泛关注。铁作为必需微量元素，在氧气运输、能量代谢、DNA合成等生理过程中发挥关键作用，但铁过载会催化自由基产生，诱导氧化应激，导致组织损伤。研究表明，铁在衰老过程中会在大脑的海马和皮层等区域积聚，促进神经退行性疾病的发生发展。然而，铁是否在下丘脑中积累并参与年龄依赖性肥胖的发生，尚未有报道。

发表在《Molecular Biomedicine》的研究论文“Iron accumulation in hypothalamus promotes age-dependent obesity and metabolic dysfunction of male mice”针对这一科学问题展开了深入探索。该研究由王新宇、熊晓月和宣烨作为共同第一作者，陈卓、张毅、沈伟和胡承作为通讯作者完成。

研究人员采用了多种关键技术方法开展本研究：使用铁测定试剂盒和DAB增强的Perls普鲁士蓝染色检测下丘脑铁水平；通过免疫荧光(IF)染色分析ferritin、c-Fos、Tfrc、FoxO1等蛋白表达和定位；建立铁铵 citrate(FAC)诱导的铁过载细胞模型；构建AgRP神经元特异性Tfrc基因敲除小鼠模型；通过代谢监测系统评估能量消耗(EE)和活动量；进行葡萄糖耐量试验(GTT)和胰岛素耐量试验(ITT)；使用western blot分析蛋白表达；通过RT-qPCR检测基因表达水平。

研究结果

下丘脑铁积聚与衰老相关

研究人员首先观察到，与12周龄年轻小鼠相比，18月龄老年小鼠体重显著增加，脂肪量升高，能量消耗(EE)减少，尽管食物摄入量没有差异。更重要的是，他们发现老年肥胖小鼠下丘脑铁水平显著升高，且与体重、血糖和血清胰岛素水平呈正相关。DAB增强的Perls染色显示，铁积聚特别发生在老年小鼠下丘脑弓状核(ARC)区域。同时，老年小鼠下丘脑中铁存储蛋白ferritin的表达也明显增加。这些结果表明下丘脑铁稳态失调与年龄依赖性肥胖相关。

DFP鼻内给药减轻年龄依赖性肥胖

为验证降低铁水平是否能改善肥胖，研究人员通过鼻内给药方式给予老年小鼠铁螯合剂deferiprone(DFP)，发现这种给药方式能有效降低下丘脑铁含量而不影响全身铁状态。经过30天治疗后，DFP处理的小鼠体重减轻，脂肪量减少，瘦肉量增加。组织学分析显示，DFP处理组小鼠皮下白色脂肪组织(sWAT)和附睾白色脂肪组织(eWAT)中的脂滴变小，小脂肪细胞频率更高。代谢监测表明DFP处理显著增强了能量消耗，而不影响活动量或食物摄入。值得注意的是，在年轻小鼠中DFP处理没有产生这些代谢改善效果，说明铁螯合剂的益处特定于老年小鼠。

DFP改善年龄依赖性代谢功能障碍

研究人员进一步发现，DFP处理还显著降低了老年小鼠血清甘油三酯(TG)水平和肝脏重量。组织学分析显示肝脏脂滴面积减少，分子分析表明DFP处理下调了脂肪生成基因(Srebf1、Hmgcr、Acc1、Acl、Fasn)以及糖原合成(Gsk3b)和糖异生(G6pc)相关基因的表达。在葡萄糖代谢方面，DFP处理显著改善了葡萄糖耐量，但胰岛素敏感性未改变。这些结果表明，通过鼻内DFP降低中枢铁水平对肝脏代谢产生有益影响，特别是改善了肝脏脂肪变性。

铁通过促进线粒体氧化应激调节AgRP表达

为阐明DFP介导代谢改善的机制，研究人员分析了DFP处理老年小鼠下丘脑中Agrp和Pomc基因的表达。发现DFP给药降低了ARC中Agrp mRNA表达，而Pomc mRNA水平没有变化。免疫荧光染色证实，在DFP处理小鼠中，AgRP神经元所在的ARC内侧区域c-Fos阳性神经元数量减少。同时，DFP处理老年小鼠投射到室旁核(PVN)和背内侧下丘脑(DMH)的AgRP纤维表达显著降低，表明AgRP神经元活性和AgRP表达受到抑制。

由于氧化应激与衰老过程密切相关，研究人员假设下丘脑ARC中铁积累会引发氧化应激，导致线粒体功能障碍并最终损害神经元功能。通过dihydroethidium(DHE)染色，他们证实DFP显著降低了老年小鼠ARC中的ROS水平。在AgRP表达的GT1-7细胞中，FAC处理诱导了线粒体铁积累，降低了mtDNA/nDNA比率，引发线粒体去极化，下调了线粒体电子传递链(ETC)复合物I和IV的蛋白水平。这些细胞还表现出ATP产生减少、ROS升高和丙二醛(MDA)水平增加，证实铁过载诱导了线粒体功能障碍和氧化应激。重要的是，FAC处理增加了GT1-7细胞中Agrp mRNA表达，而这种效应可被抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸(NAC)消除。使用线粒体ROS清除剂Mito-TEMPO也得到了类似结果，显著减弱了铁诱导的AgRP表达。这些结果表明，铁积累通过线粒体功能障碍和氧化应激提高AgRP表达。

铁通过ROS-FoxO1信号调节AgRP表达

在明确铁过载通过氧化应激上调AgRP表达后，研究人员进一步研究了铁积累诱导的氧化应激如何影响AgRP神经元功能。FoxO1是一种在AgRP神经元中高表达的转录因子，通过控制Agrp转录来调节能量平衡，且已知可被铁过剩和ROS激活，促进其核转位。免疫荧光染色显示，DFP鼻内给药后，老年小鼠ARC中FoxO1主要保留在细胞质中，表明核活性降低。在GT1-7细胞中，FAC处理增加了FoxO1表达并促进其核积累，而这种效应可被NAC逆转。更重要的是，用AS1842856药理抑制FoxO1显著减弱了FAC诱导的Agrp mRNA水平增加和AgRP蛋白表达。这些发现表明，铁过载触发线粒体ROS产生，从而激活FoxO1表达和核转位以刺激Agrp转录。

AgRP神经元中特异性敲除Tfrc抑制ROS-Foxo1信号

为明确确定铁过载是否介导AgRP神经元功能障碍，研究人员通过删除转铁蛋白受体(Tfrc)基因来遗传性降低AgRP神经元中的铁代谢。他们将AgRP-Cre小鼠与TfrcLoxP/LoxP(TfrcL/L)小鼠杂交，产生在AgRP神经元中特异性敲除Tfrc的小鼠。免疫荧光染色证实了Tfrc在AgRP神经元中的敲除效率，相应地，A、TfrcL/L小鼠AgRP神经元中ferritin表达显著降低，表明铁水平明显降低。此外，A、TfrcL/L小鼠显示AgRP神经元中c-Fos共定位减少和投射到PVN的AgRP纤维密度降低，表明AgRP神经元活性降低。如预期那样，DHE染色显示A、TfrcL/L小鼠AgRP神经元中ROS水平低于对照组。FoxO1的免疫染色也证明，在A、TfrcL/L小鼠的AgRP神经元中，FoxO1的细胞质保留增加(核转位减少)。这些结果表明，AgRP神经元中的铁水平通过ROS和相关FoxO1核转位关键地调节其活性。

AgRP神经元中Tfrc敲除改善年龄依赖性代谢功能障碍

为研究特异性降低神经元中铁水平是否能改善年龄依赖性肥胖和代谢功能障碍，研究人员分析了饲喂普通饮食(CD)至16月龄的A、TfrcL/L小鼠和TfrcL/L小鼠。A、TfrcL/L小鼠体重显著降低，脂肪量减少，而瘦肉量没有变化。eWAT和sWAT的组织学分析显示，与对照组相比，A、TfrcL/L小鼠脂肪细胞大小减小，小脂肪细胞频率更高。代谢监测表明A、TfrcL/L小鼠能量消耗显著增加，食物摄入没有变化。

A、TfrcL/L小鼠还显示出改善的肝脏代谢，包括降低的血清TG水平、减少的肝脏重量和缩小的肝脏脂滴面积。此外，与对照组相比，A、TfrcL/L小鼠葡萄糖耐量和胰岛素耐受性得到改善。这些遗传学实验进一步证实了降低AgRP神经元中的铁水平足以改善年龄依赖性肥胖和代谢功能障碍。

研究结论与意义

本研究系统性地揭示了年龄依赖性肥胖的新机制，发现下丘脑弓状核铁积累是驱动年龄相关性肥胖的关键因素。铁过载通过引起线粒体功能障碍和氧化应激，促进FoxO1核转位，从而上调AgRP表达，破坏能量稳态。通过药理学(DFP鼻内给药)和遗传学(AgRP神经元特异性Tfrc敲除)手段减少下丘脑铁含量，能够有效抑制AgRP神经元活性，增加能量消耗，改善肥胖和代谢功能障碍。

该研究的创新性和重要意义在于：首先，首次揭示了下丘脑铁积聚在年龄依赖性肥胖中的关键作用，扩展了对铁稳态失调在衰老相关病理中广泛影响的认识；其次，阐明了铁-ROS-FoxO1-AgRP这一新的信号轴在能量代谢调节中的作用机制，为理解衰老过程中代谢紊乱提供了新视角；最后，提出了通过鼻内给予铁螯合剂靶向中枢铁代谢的治疗策略，为年龄相关性肥胖的干预提供了潜在临床应用价值。

值得注意的是，铁代谢紊乱是衰老的标志之一，导致铁在多器官包括大脑中积累，并与神经退行性疾病和代谢功能障碍等年龄相关疾病有关。鉴于铁螯合剂在神经退行性疾病中改善结局的已知关联，以及肥胖与神经退行性变之间的相关性，鼻内DFP可能代表了一种针对两种情况的双重用途治疗策略。此外，线粒体功能障碍是衰老的核心标志，与通过ROS介导的损伤密切相关。本研究发现在AgRP神经元中铁过载诱导线粒体氧化应激并增加AgRP表达，揭示了年龄相关性铁积累通过AgRP介导的神经回路诱导线粒体氧化应激从而破坏能量平衡的新机制。

该研究也存在一些局限性：老年小鼠下丘脑铁积累与人类的相关性尚不清楚；所有实验均使用雄性小鼠，而年龄相关性体重增加存在已知的性别差异；由于技术限制，未能特异性消除AgRP神经元中的线粒体铁；虽然AgRP也在肾上腺中表达，但未探索铁在这些细胞中的代谢作用；葡萄糖代谢评估仅依赖GTT和ITT，可能受到体重变化的干扰。

总之，这项研究阐明了下丘脑铁积累在年龄依赖性肥胖中的作用和机制，首次确定了老年小鼠下丘脑ARC中铁的积累，采用药理学和遗传学方法去除下丘脑特别是AgRP神经元中的铁，发现能增加能量消耗并改善年龄依赖性肥胖和代谢功能障碍。机制研究表明，铁过诱导线粒体功能障碍，导致ROS产生增加，过多的ROS促进FoxO1核转位，进而上调AgRP表达，最终导致代谢紊乱。这些发现强调了了下丘脑铁稳态失调在年龄依赖性肥胖中的重要意义，并确定了其作为有前景的新型治疗靶点的潜力。