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Nature communication|IGFBP3/TMEM219 通路调节 β 细胞稳态

发布日期:2022-02-25 浏览次数:261

胰岛β细胞稳态调节新机制


简介

       2022年02月03日,生物类顶级期刊nature communications(IF=14.919)发表了题为“The IGFBP3/TMEM219 pathway regulates beta cell homeostasis”的研究论文。作者团队来自米兰大学,提出假设并验证了IGFBP3(胰岛素样生长因子结合蛋白3)通过结合死亡受体TMEM219作为新的β细胞调节器,为糖尿病患者的治疗提供了一种新思路。


研究背景

       一型糖尿病(T1D)和二型糖尿病(T2D)的主要特征之一是胰岛β细胞的丢失,维持其高质量状态的治疗策略仍然有待建立。胰岛β细胞的细胞质量和体内平衡主要通过精密调整的一系列行为过程保持平衡,一些应激因素(氧化应激、免疫攻击、免疫浸润、糖毒性等)会损害到β细胞功能,允许β细胞增殖和更新的生长因子和循环因素已经在被广泛研究,但对于如何防止β细胞的损失的研究却很少有报道。有证据表明,特异性靶向β细胞死亡作为保护β细胞池和预防或延缓糖尿病发作的关键机制具有显着的有益效果,TMEM219通过依赖于Caspase-8的机制,通过与其配体胰岛素样生长因子结合蛋白3(IGFBP3)的结合来诱导细胞凋亡。


研究思路

       l 胰岛样本转录组分析

       l 细胞实验、分子实验验证转录本结果

       l 探究失调的IGFBP3与β细胞功能障碍之间的关联

       l 动物模型验证细胞表型

       l 敲除小鼠模型探究信号转导机制

       l 靶向作用探究




研究结果




1.死亡受体TMEM219在胰岛β细胞中表达

       对胰岛样本(非糖尿病供体)进行转录组分析,以便确定可能参与β细胞稳态的的途径通路,在这之中特别关注胰岛表面蛋白。转录组结果显示,死亡受体TMEM219是表达最高的受体之一,随后通过共聚焦成像进一步证实了TMEM219在纯化的人胰岛中的表达;与胰岛衍生的胰岛素阴性细胞相比,流式分选的胰岛衍生的胰岛素阳性细胞表达更高的TMEM219mRNA。使用两种人类永生化β细胞系和人类α细胞,结果表明TMEM219蛋白和mRNA在α细胞上几乎检测不到,β细胞中的表达增加了近三倍和80倍,其中通过共聚焦成像分析,与胰岛素的共定位也很明显。



2.糖尿尿病患者体内的TMEM219配体IGFBP3在外周水平发生改变

       由于TMEM219在胰岛β细胞上表达,作者团队接下来评估TMEM219配体IGFBP3的外周水平是否在糖尿病患者中发生改变。已确诊T1D患者、新发T1D患者以及有发展该疾病风险的患者的外周IGFBP3升高,这个结果在T2D患者以及肥胖性糖尿病患者的数据中进一步证实。通过将在该人群中观察到的IGFBP3的倍数变化进一步划分为四分位数,升高的IGFBP3水平与更高的HbA1c、更高的空腹血浆葡萄糖水平、更低的胰岛素敏感性和更低的胰岛素分泌率相关,从而支持失调的IGFBP3与β细胞功能障碍之间的关联。鉴于在糖尿病患者中观察到的IGFBP3水平发生变化,通过RNA测序询问激光捕获的胰岛中TMEM219的表达,并在健康受试者、T1D患者、T2D患者或T1D风险患者中证实,组间没有任何差异。总之,这些数据表明功能失调的IGFBP3/TMEM219通路与破坏的β细胞稳态有关。



3.IGFBP3/TMEM219信号在胰岛和β细胞凋亡中的作用

       从健康受试者获得的纯化人类胰岛,通过流式细胞术和免疫染色证明IGFBP3介导的有害作用主要在胰岛素阳性细胞中很明显,观察到更高的细胞凋亡/细胞死亡率。将其相对表达与其他促凋亡基因进行比较时,观察到Caspase8的丰度最高。与健康受试者相比,在体外IGFBP3攻击期间和激光捕获的T1D和T2D患者的胰岛中,Caspase-8的表达也被证实在流式分选的人胰岛胰岛素阳性细胞中上调,人胰岛胰岛素阳性细胞也显示出胰岛素分泌机制相关基因SYMC、IAPP和PTPRN2的表达改变,这与失调有关在纯化的人胰岛中的胰岛素颗粒大小和数量以及在β细胞系中的运动性。用T1D血清培养的表达TMEM219的β细胞用抗TMEM219抗体进行免疫沉淀,证实TMEM219与血清IGFBP3相互作用。IGFBP3/TMEM219信号通过Caspase-8激活/AKT抑制机制对β细胞有害,并且IGFBP3/TMEM219阻断可以防止β细胞死亡/功能障碍。


4.靶向IGFBP3/TMEM219信号可保护体内糖尿病临床前模型中的β细胞

       验证TMEM219在小鼠胰腺和C57BL/6J(B6)小鼠的纯化胰岛中表达,同时利用免疫印迹和qRT-PCR方法确认,进一步证实了小鼠胰岛内其他IGFBP3受体缺乏表达。向纯化的B6小鼠胰岛添加IGFBP3,与细胞凋亡增加、半胱天冬酶8上调和胰岛素表达降低有关;短期IGFBP3并观察到与未处理的对照组相比空腹血糖水平增加。利用高脂饮食喂养临床前T2D小鼠模型,测试了IGFBP3/TMEM219药理学阻断的效果,当给予HFD新生成的ecto-TMEM219可显着降低血糖水平和体重,并且IGFBP3水平降低和胰岛素水平增加,而IGF-I保持不变。获得Beta-TMEM219-/-小鼠(该模型中的IGFBP3/TMEM219轴失调),注射了低剂量链脲佐菌素的小鼠在30分钟和60分钟时间点显示IPGTT葡萄糖AUC的改善,降低的IGFBP3血浆水平和保留的胰岛形态,证实了IGFBP3/TMEM219药理学靶向和TMEM219基因消融体内对β细胞的保护作用。



5.靶向IGFBP3/TMEM219信号在体内保护小鼠的β细胞

       TMEM219在敲除小鼠的胰岛中表达,在糖尿病前期和糖尿病非肥胖糖尿病(NOD)小鼠中证明外周IGFBP3水平升高,在4周和10周大的NOD小鼠中发现了更高的IGFBP3血浆水平,这些小鼠尚未出现高血糖,其中的β细胞仍可检测到,但已经表现出胰岛炎和胰岛自身免疫。为了更好地了解IGFBP3/TMEM219在控制T1D等疾病条件下体内β细胞质量方面的作用,在10周龄正常血糖NOD小鼠的用ecto-TMEM219阻断IGFBP3/TMEM219阻止了近75%的治疗小鼠(高达80%)的糖尿病发作,而未治疗组中只有25%的对照小鼠免受糖尿病的影响,胰岛病理学研究表明,cto-TMEM219处理的小鼠的胰岛形态和面积得到了显着保留、胰岛浸润低、外周IGFBP3水平降低。这些数据证明了靶向IGFBP3/TMEM219轴对体内β细胞的保护作用也在自身免疫性糖尿病中。


总结

       关于β细胞的生长和复制因素已被广泛研究,但对于其确实的研究却仍旧鲜少有人触及,只有一些应激状态的相关研究。本研究发现了死亡受体TMEM219在胰腺β细胞上表达,并且通过其配体胰岛素样生长因子结合蛋白3(IGFBP3)发出的信号会导致β细胞丢失(Caspase-8的依赖性凋亡)和功能障碍。在已建立和有风险的T1D/T2D患者中观察到外周IGFBP3增加,并在T1D/T2D临床前模型中得到证实,这表明功能失调的IGFBP3/TMEM219信号传导与β细胞稳态异常有关。体外和体内短期IGFBP3/TMEM219抑制和TMEM219基因消融保护β细胞并预防/延迟糖尿病发作,而长期IGFBP3/TMEM219阻断允许β细胞扩增。


点评

       胰腺β细胞的丢失是1型(T1D)和2型(T2D)糖尿病的核心特征,但仍有待确定保留β细胞量的治疗策略。本研究证明了当IGFBP3异常释放到循环中时,有可能会作为一种循环毒性因子作用于胰岛β细胞,通过与死亡受体TMEM219结合介导β细胞死亡和功能障碍。IGFBP3/TMEM219通路在T1D/T2D中被破坏,同时也是β细胞稳态的生理调节剂,靶向调节IGFBP3/TMEM219或许可以作为糖尿病治疗的一个新选择。


(DOI):10.1038/s41467-022-28360-2