铁是人体及大脑不可或缺的微量元素，在造血、供氧、发育，以及新陈代谢等方面发挥着至关重要的作用。研究表明，铁代谢失衡与阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）等多种神经退行性疾病与衰老过程密切相关。然而，大脑神经元如何精细调控脑铁平衡的深层次分子机制还不明确。近日，中国科学院大学生命科学学院郎明林教授团队，以果蝇为模型，首次在活体内系统阐明了多铜氧化酶-1（MCO1）在神经系统铁代谢中的核心作用，并精准定位了决定其功能的关键氨基酸残疾——D380。该研究成果以“The D380 residue in MCO1 regulates neural iron homeostasis and fitness in Drosophila”为题发表在生物学国际权威期刊《BMC Biology》上, 为理解大脑衰老机制和开发靶向铁代谢的干预策略提供了全新视角。
脑中“铁卫士”：MCO1响应饮食铁变化，调控脑铁水平研究团队此前体外In vitro实验发现，果蝇MCO1具有亚铁氧化酶和抗坏血酸氧化酶双重催化活性，但其在体In vivo以何种酶活发挥作用还是未知。在本项研究中，他们首先证实，MCO1的表达会响应饮食中的铁含量变化。通过利用泛神经元elav-Gal4驱动子在神经系统特异性操控MCO1表达发现，脑神经MCO1表达水平改变会显著特异影响果蝇头部的铁水平，并随年龄而变化，而对铜、锌水平影响不显著。进一步分析显示，果蝇脑神经MCO1表达水平改变显著影响多个铁代谢关键基因的表达，包括Malvolio（Mvl）和Transferrins（Tsf1、Tsf2、Tsf3）等，表明MCO1深度参与脑铁稳态的分子调控网络，在维持果蝇脑铁稳态中发挥着重要作用。
为验证MCO1的功能，研究团队在酵母细胞中进行了功能互补实验。结果显示，MCO1能够部分弥补酵母△Fet3和△CCC2突变株的铁吸收缺陷，促进细胞铁积累。更重要的是，当MCO1的D380位点发生突变（D380A）时，这种互补能力在铁胁迫条件下完全丧失；而其抗坏血酸氧化酶活性关键位点H374的突变（H374S）则无明显影响。该实验确立了D380残基介导的亚铁氧化酶活性是MCO1促进酵母铁吸收的关键。
接下来，研究团队利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，构建了三种MCO1突变果蝇品系：同时丧失两种酶活性的MCO1ΔExonIV、特异性丧失亚铁氧化酶活性的MCO1 D380A、以及仅丧失抗坏血酸氧化酶活性的MCO1 H374S。
结果令人瞩目：MCO1ΔExonIV和MCO1 D380A果蝇表现出严重的发育缺陷、运动能力下降和寿命显著缩短（中位寿命分别缩短约27.4%和32.3%），且在高铁饮食条件下，这些缺陷进一步加剧。MCO1 H374S果蝇则表现出显著延长的寿命（正常饮食下中位寿命延长约12.9%，高铁饮食下延长约57.6%），且发育和运动能力基本正常。
这些结果一致表明：D380介导的亚铁氧化酶活性是MCO1在果蝇体内功能的核心，而抗坏血酸氧化酶活性的丧失反而可能有益于长寿。
图1 果蝇MCO1D380A突变严重影响果蝇生长、发育、寿命
A, MCO1突变CRISPR/Cas9基因编辑模式图；B-C，D380A突变导致果蝇卵孵化、蛹羽化受阻；D, D380A突变导致果蝇中肠铁吸收紊乱；E, D380A突变缩短果蝇寿命；F, D380A突变“点亮”果蝇脑蘑菇体。
研究进一步揭示了背后的机制。尽管MCO1ΔExonIV和MCO1 D380A突变体整体铁水平偏低，但其脑神经中二价铁离子（Fe²⁺）和活性氧（ROS）水平却显著升高，尤其在负责嗅觉记忆和学习的关键脑区——蘑菇体中，ROS水平异常升高。Turnbull蓝染色证实，这些突变体脑中存在大量Fe²⁺沉积。
值得注意的是，MCO1 H374S突变体脑中未观察到明显的Fe²⁺或ROS积累，其寿命延长与铁代谢未受严重干扰密切相关。这表明，D380依赖的亚铁氧化酶活性对于维持中枢神经系统抗氧化防御、防止铁介导的神经毒性至关重要。
图 2 MCO1 亚铁氧化酶活性缺陷引起的系统性表型示意图
关键变化包括：1）消化系统铁吸收受损； 2）中枢神经系统铁稳态被破坏（蘑菇体中 ROS 积累）；3）发育缺陷（翅畸形和幼虫致死）；4）生殖功能障碍（繁殖力下降）；5）寿命缩短。
该项研究首次在活体水平上鉴别了MCO1双酶活性在脑神经系统中的作用，明确了D380位点作为亚铁氧化酶活性关键残基的核心地位，揭示了MCO1在果蝇脑铁代谢中的关键作用，特别是D380位点的重要性，这为理解铁代谢如何影响衰老和神经退行性疾病提供了重要线索。
特别指出，选择性抑制MCO1的抗坏血酸氧化酶活性（如H374S突变所示）可能成为一种延长寿命、增强抗铁胁迫能力的策略；而增强或模拟D380介导的亚铁氧化酶活性，则可能有助于防止大脑中有毒Fe²⁺的积累，保护神经元功能。鉴于果蝇已是研究人类神经退行性疾病的重要动物模型，以及MCO1与人类亚铁氧活酶Hephaestin和铜蓝蛋白的高同源性，该项成果为人类抗衰老和神经退行性疾病防治的机制研究和应用提供了重要工作基础。
该项研究得到了北京市自然科学基金（7202129）、中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金（31571042）、中国科学院科技领先专项计划B类培育项目（XDPB16）以及河北省应用基础研究计划重点基础研究项目（18966315D）的资助。中国科学院大学生命科学学院的博士生常雪娇、硕士研究生马雨蝶为论文的共同第一作者，郎明林教授是论文的通讯作者。
