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背景:多发性线粒体功能障碍综合征（multiple mitochondrial dysfunctions syndrome,MMDS）是一类与线粒体铁硫簇（iron-sulfur cluster,ISC）合成相关的细胞核基因（nuclear DNA,nDNA）突变密切相关的线粒体疾病。MMDS可造成线粒体结构和功能的严重破坏,从而损害多种代谢途径,临床上主要呈现神经系统损伤、脑损伤、发育不良、肌肉张力下降和呼吸功能不全等。线粒体功能障碍会累及使用ATP的所有组织,关于MMDS的研究目前主要集中在神经系统和脑组织。然而,近年来已有MMDS患者累及心脏的报道,但是相关机制研究很少,尤其是ISC相关基因突变或表达异常引起的MMDS对心脏的影响和机制尚不清楚。ISCA1是线粒体铁硫簇组装系统的重要组成部分,我们前期研究发现,在心肌病和心力衰竭状态下,ISCA1的表达显著增加,提示该类基因的表达调控可能参与心肌病及心衰的发展,因此对ISC相关基因参与心肌病等心血管疾病的作用研究具有重要的意义。目的:建立心肌组织特异性过表达Isca1大鼠模型,与课题组已建立的心肌组织特异性Isca1敲除大鼠模型形成功能获得和功能缺失的对比模型。对比研究Isca1对大鼠心脏发育、心脏病理进程的影响及可能的分子机制。为由Isca1基因异常诱发的MMDS并累及心脏的研究提供动物模型。方法:（1）利用基因工程技术建立心肌组织特异性过表达Isca1大鼠。利用Isca1条件敲除大鼠与α-MHC-Cre工具大鼠杂交培育心肌组织特异性Isca1敲除大鼠。（2）利用基因组PCR方法鉴定心肌特异的Isca1敲除大鼠和心肌特异的过表达Isca1大鼠的基因型,并进行生存状况观察。（3）超声影像学检测大鼠在体心脏结构和功能变化;（4）免疫荧光观察ISCA1与STEAP3于心肌细胞中的定位,观察大鼠心肌组织和H9c2细胞的结构以及胀亡情况,观察大鼠心肌组织和H9c2细胞的膜和骨架的形态学变化。（5）透射电子显微镜观察大鼠心肌细胞超微结构的形态变化。（6）Real-Time PCR检测大鼠心脏组织和H9c2细胞的分子标记物表达水平。（7）Western blot检测ISCA1及线粒体呼吸链复合物相关分子的表达水平。（8）筛选并建立Isca1过表达和Steap3表达敲低的H9c2细胞系。（9）免疫沉淀和质谱法分析ISCA1互作蛋白分子。（10）比色法检测大鼠心肌组织和H9c2细胞的ATP浓度和铁离子浓度。结果:（1）Western blot结果显示ISCA1在野生小鼠心肌中的表达随年龄增加而下调,但在同龄cTnTR141W心肌病小鼠模型心肌中表达下调速度减缓。ISCA1主要表达于心肌线粒体。（2）通过杂交繁育,得到了心肌组织特异性Isca1敲除纯合子大鼠（简称:Iscal-/-）、心肌组织特异性Isca1敲除杂合子大鼠（简称:Isca1-/+）和心肌组织特异性过表达Isca1大鼠（简称:Isca1-Tg）三种模型,可用于不同的研究目的。ISCA1在Isca1-/-大鼠心肌中的敲除效率为86%,Isca1-/+大鼠Isca1表达降低46%,而Isca1-Tg大鼠Isca1表达增加253%。（3）Isca1-/-大鼠出生后10天内死亡。大体解剖可观察到Isca1-/-大鼠心室壁塌陷,心脏整体显明显增大。Isca1-/-大鼠心脏重量与体重比（HW/BW）增加了 20%（P＜0.01）。超声影像结果表明Isca1-/-大鼠表现出典型的心衰表型,包括心腔变大、室壁变薄、心脏收缩功能迅速下降。病理组织学结果显示Isca1-/-大鼠心肌纤维结构紊乱,大面积的心肌断裂溶解,线粒体肿胀,膜结构受损。伊文斯蓝（Evans blue）、WGA和dystrophin共染色显示Isca1-大鼠心肌细胞膜结构受损严重。Isca1-/-大鼠心脏组织中肥大标志物心钠肽（nppa）和脑钠肽（nppb）均显著增加（分别为309%和329%,P＜0.001）。整体、组织和分子三个水平的观察结果均证实Isca1的缺失会诱发心肌细胞发生胀亡。（4）Isca1-/-大鼠心肌中Fe2+水平降低,Fe3+水平升高,Isca1缺失诱发心肌组织铁离子代谢失衡。免疫沉淀和质谱法分析结果证实,STEAP3是ISCA1的互作蛋白分子,二者共定位于线粒体。体外实验结果显示,Steap3表达敲低后,ISCA1结合的Fe2+浓度亦显著降低（P＜0.05）,而Isca1过表达可部分逆转Steap3表达敲低后诱导的细胞死亡、ATP减少和心肌肥大标志物的表达,并改善细胞的胀亡表型。证实ISCA1与STEAP3相互作用,共同参与调节铁离子的代谢过程。结论:（1）Isca1-/-大鼠表现为严重的心衰和心肌细胞胀亡。（2）Isca1参与调节心肌组织中铁离子代谢平衡,Isca1敲除导致Fe2+水平降低,进而引起线粒体呼吸链和能量代谢异常,即为Isca1缺失后诱发心肌细胞胀亡的可能机制。（3）STEAP3是ISCA1的互作蛋白分子,ISCA1与STEAP3相互作用,共同调节铁离子的代谢过程。（4）Isca1-/+大鼠存在半合子效应,生理情况下表现为心脏扩张,心功能下降,并呈渐进性发展的特点,可作为MMDS累及心脏的大鼠模型。