HIF transcription factors (HIF-1 and HIF-2) are central mediators of cellular adaptation to hypoxia. Because the resting partial pressure of oxygen is low in the intestinal lumen, epithelial cells are believed to be mildly hypoxic. Having recently established a link between HIF and the iron-regulatory hormone hepcidin, we hypothesized that HIFs, stabilized in the hypoxic intestinal epithelium, may also play critical roles in regulating intestinal iron absorption. To explore this idea, we first established that the mouse duodenum, the site of iron absorption in the intestine, is hypoxic and generated conditional knockout mice that lacked either Hif1a or Hif2a specifically in the intestinal epithelium. Using these mice, we found that HIF-1alpha was not necessary for iron absorption, whereas HIF-2alpha played a crucial role in maintaining iron balance in the organism by directly regulating the transcription of the gene encoding divalent metal transporter 1 (DMT1), the principal intestinal iron transporter. Specific deletion of Hif2a led to a decrease in serum and liver iron levels and a marked decrease in liver hepcidin expression, indicating the involvement of an induced systemic response to counteract the iron deficiency. This finding may provide a basis for the development of new strategies, specifically in targeting HIF-2alpha, to improve iron homeostasis in patients with iron disorders.

Abstract Although hepcidin expression was shown to be induced by the BMP/Smad signaling pathway, it is not yet known how iron regulates this pathway and what its exact molecular targets are. We therefore assessed genome-wide liver transcription profiles of mice of 2 genetic backgrounds fed iron-deficient, -balanced, or -enriched diets. Among 1419 transcripts significantly modulated by the dietary iron content, 4 were regulated similarly to the hepcidin genes Hamp1 and Hamp2. They are coding for Bmp6, Smad7, Id1, and Atoh8 all related to the Bmp/Smad pathway. As shown by Western blot analysis, variations in Bmp6 expression induced by the diet iron content have for functional consequence similar changes in Smad1/5/8 phosphorylation that leads to formation of heteromeric complexes with Smad4 and their translocation to the nucleus. Gene expression variations induced by secondary iron deficiency or iron overload were compared with those consecutive to Smad4 and Hamp1 deficiency. Iron overload developed by Smad4- and Hamp1-deficient mice also increased Bmp6 transcription. However, as shown by analysis of mice with liver-specific disruption of Smad4, activation of Smad7, Id1, and Atoh8 transcription by iron requires Smad4. This study points out molecules that appear to play a critical role in the control of systemic iron balance.