铜是机体的必需微量元素之一，作为体内多种代谢酶(细胞色素氧化酶、超氧化物歧化酶、络氨酸酶、多巴胺羟化酶等)的辅助配基发挥重要作用。铜稳态代谢平衡对机体维持正常生理活动至关重要。铜过量蓄积会产生大量氧化自由基，导致细胞损伤甚至死亡。而铜缺乏则会导致冠心病、骨质疏松、神经退行性疾病、贫血等一系列疾病的发生。迄今为止，铜缺乏导致贫血的确切机制尚不明晰。通过构建低铜饮食诱导小鼠模型和铜转运蛋白Slc31a1造血干细胞特异性敲除的小鼠模型，本课题对铜在造血系统中的作用和机制展开了深入研究。
　　我们发现，对小鼠持续饲喂低铜饲料6周后会诱发明显的贫血，表现为红细胞和白细胞数目的显著下降，此贫血并非由铁缺乏引起。骨髓是成体造血的主要场所，流式分析结果表明，低铜小鼠骨髓中共同淋巴前体细胞和巨核-红细胞前体细胞数目显著下降，低铜处理小鼠造血干细胞的比例和绝对计数和野生型小鼠无明显差异，多能祖细胞群的比例和绝对计数均显著减少。同时，在体外使用铜螯合剂处理野生型小鼠的造血干细胞能够显著抑制其生成下游各系血细胞集落的能力，提示铜缺乏可能通过影响造血干细胞的分化功能导致骨髓释放至外周血的成熟血细胞数目减少，进而导致贫血的发生。
　　Slc31a1是定位于人和哺乳动物细胞胞膜上与铜具有高亲和力的转运蛋白，主要介导铜离子从胞外向胞内的转移。为了更好阐明铜对造血干细胞中功能的影响，我们进一步构建了Slc31a1造血干细胞特异性敲除的小鼠(Slc31a1fl/fl；Vav-Cre+)，结果表明，Slc31a1fl/fl；Vav-Cre+小鼠表现为严重的生长发育障碍并在出生后8周内死亡；血液学数据提示，Slc31a1fl/fl；Vav-Cre+小鼠严重贫血且表现为全血细胞的显著减少。同时造血相关器官(脾脏和胸腺)发育受到明显抑制。骨髓流式分析表明，骨髓中的各系血细胞及前体细胞数目均显著下降。进一步分析发现，Slc31a1fl/fl；Vav-Cre+小鼠骨髓中的多能祖细胞比例和数目急剧下降。体外的细胞集落形成实验结果表明，Slc31a1缺失的造血干细胞无法有效形成下游各系血细胞集落。竞争性骨髓移植实验结果表明，Slc31a1敲除造血干细胞的功能缺陷是细胞自主性(cell autonomous)，和细胞外环境关系不大。
　　上述表型研究表明低铜或者Slc31a1敲除抑制了造血干细胞向多能祖细胞分化，从而导致血细胞的发育障碍。随后我们运用组学对低铜/Slc31a1敲除如何影响造血干细胞分化进行深入探究。我们对低铜和敲除小鼠骨髓造血干祖细胞(LSK+cells)进行了转录组学分析。同时对低铜和敲除小鼠骨髓前体细胞群(Lin- cells)进行了蛋白组学分析，从中筛选出差异表达的基因和通路。这些组学提示低铜/Slc31a1敲除小鼠造血细胞中血细胞发育的转录因子和表面标志基因均发生显著下调(如Ebf-1,Pax-5,Irf-4等)，和我们观察到的造血缺陷表型吻合。进一步分析发现MAPK通路的显著下调和氧化应激通路的显著上调，后续的分子生化实验进一步确认了这些通路的变化。然而通过慢病毒转染方式回复MAPK通路活性不能有效拯救敲除小鼠造血干细胞的分化功能异常，其次使用p38抑制剂或者抗氧化剂NAC抑制氧化应激(ROS)也不能拯救表型。最后从其他差异通路角度设计的拯救实验也不能很好的回复表型，而给细胞补充硫酸铜可以完全拯救表型。这说明铜在造血调控中存在多靶点多重调控的模式，单一的通路拯救不能回复表型。
　　综上所述，本研究通过低铜小鼠和Slc31a1造血干细胞特异敲除鼠的构建和后续研究，明确了铜及转运蛋白Slc31a1在成体造血中的关键作用。组学分析提示铜广泛影响了造血干细胞的造血分化通路和多种信号转导/代谢过程，体现了铜在造血分化中的重要作用。这些发现为缺铜性贫血提供了详实的实验数据和深入的分子机制，并为造血干祖细胞分化调控研究加入了“铜”的视角。