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Molecular Therapy | 朱献军/帅平团队揭示Tmem30a调控胰岛素分泌的机制
发布时间:2021/11/9 9:53:17
 

糖尿病(Diabetes mellitus, DM)是一组以高血糖为特征的代谢性疾病,主要由于胰岛素(Insulin)分泌不足或外周组织胰岛素利用率下降,从而造成机体血糖调节失衡引发高血糖,并在发病后期导致周围器官病变的多基因疾病【1】。随着生活水平的不断提高,糖尿病的患病人数迅速增加,庞大的糖尿病患者群体给家庭和社会带来了沉重的负担。而目前针对该类疾病无有效治疗方法,明确糖尿病的发病机制可有助于早期诊断和疾病治疗研究。


近期,电子科技大学附属医院·四川省人民医院人类疾病基因四川省重点实验室朱献军教授研究团队在糖尿病相关的胰岛素分泌研究方面取得突破,发现了Tmem30a调控胰岛素分泌的重要机制,成果以研究论文The phosphatidylserine flippase β-subunit Tmem30a is essential for normal insulin maturation and secretion发表于Molecular Therapy【2】。文章通过构建基因敲除小鼠模型以及相关细胞生物学研究,证明Tmem30a是胰岛素分泌的重要调节因子,同时也强调了Tmem30a对于细胞囊泡转运、血糖控制和代谢稳态中的重要性。

在真核生物中,细胞膜和胞内细胞器膜脂类分布是不对称的,这种不对称分布需要膜上磷脂内翻酶(Flippase)的动态调节。P型ATP酶第四类亚型(P4-ATP酶)被证明有磷脂内翻酶活性,能够依赖ATP供能将磷脂酰丝氨酸(PS)和磷脂酰乙醇胺(PE)特异地向细胞膜内侧面翻转【3】。哺乳动物基因组编码14种P4-ATP酶,它们组织表达冗余,为功能研究带来挑战。而Tmem30a可结合多个P4-ATP酶,在组织发育过程中有重要作用。朱献军教授研究团队近年来陆续在视网膜【4, 5】、小脑【6】、肝脏【7】、血管【8】,肾脏【9】以及肌肉【10】中证明了其重要性。磷脂内翻酶ATP10A和ATP10D突变已被证实与糖尿病相关,但具体致病机制尚不明了。糖尿病与胰岛β细胞功能损害相关,为了探究其致病机制,研究团队将Tmem30a在胰岛β细胞中特异敲除,首先证明了TMEM30A在小鼠胰腺β细胞敲除可导致明显的II型糖尿病表征:胰岛素分泌不足、葡萄糖不耐受、胰岛素抵抗、胰岛增生、肥胖以及肝脏损伤等疾病表型(图1),表明该基因敲除小鼠可作为理想的II型糖尿病动物模型。


图1. Tmem30a胰岛β细胞敲除小鼠表现出高血糖等2型糖尿病表征


为了进一步研究疾病机制,研究团队采用离体胰岛以及MIN6细胞系进行一系列分子细胞实验。结果表明Tmem30a缺失的胰岛β细胞内胰岛素含量显著下调,而胰岛素原与胰岛素比值升高,表明胰岛素的剪切成熟过程受损。细胞免疫染色结果显示胰岛素颗粒异常聚集于高尔基体,提示胰岛素分泌囊泡在高尔基体出芽释放失败(图2)。另一方面,研究团队发现葡萄糖转运蛋白2 (GLUT2)异常聚集于细胞质,并伴随成熟糖基化Glut2表达下调,表明其成熟和膜向转运受阻,并导致后续β细胞的钙离子内流减少以及细胞膜电位去极化消失,提示高糖感应的级联反应丧失(图3)

图2. Tmem30a缺失导致胰岛素分泌缺陷

图3. Tmem30a敲除通过阻止Glut2成熟而导致β细胞高糖感应受损


研究团队进一步对分子机制进行了探索,发现Tmem30a通过调控特异的P4-ATP酶,对于网格蛋白(Clathrin)介导的囊泡转运至关重要。Tmem30a缺失导致Clathrin表达下调,并在高尔基体异常聚集,其介导的细胞内吞过程也受到影响,证明Tmem30a参与该囊泡转运途径(图4)。由于该途径受阻进而影响到胰岛素囊泡分泌以及Glut2的膜向转运,最终导致胰岛素释放减少以及后续的糖尿病表型。这些数据证明了Tmem30a在胰岛素成熟分泌和糖代谢稳态中的新作用,探明了Tmem30a及其互作P4-ATP酶所参与的蛋白囊泡转运途径,并揭示了P4-ATP酶相关的糖尿病的致病机制。

图4. Tmem30a参与Clathrin介导的囊泡转运过程


朱献军教授和帅平副研究员为本文的通讯作者。文章第一作者为电子科技大学医学院博士后杨业明。


原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1525001621002148


制版人:十一

参考文献


1. Z. Fu, E. R Gilbert, D. Liu. Regulation of insulin synthesis and secretion and pancreatic Beta-cell dysfunction in diabetes [J]. Current diabetes reviews, 2013, 9(1): 25-53.

2. Yang Y , Sun K , Liu W , et al. The phosphatidylserine flippase β-subunit Tmem30a is essential for normal insulin maturation and secretion[J]. Molecular Therapy, 2021.

3. V. A. van der Mark, R. P. Elferink, C. C. Paulusma. P4 ATPases: flippases in health and disease [J]. Int J Mol Sci, 2013, 14(4): 7897-7922

4. Zhang L , Yang Y , Li S , et al. Loss of Tmem30a leads to photoreceptor degeneration[J]. Rep, 2017, 7(1):9296.

5. Yang Y , Liu W , Sun K , et al. Tmem30a deficiency leads to retinal rod bipolar cell degeneration.[J]. Journal of Neurochemistry, 2018.

6. Yang Y , Sun K , Liu W , et al. Disruption of Tmem30a results in cerebellar ataxia and degeneration of Purkinje cells[J]. Cell Death & Disease, 2018, 9(9):899.

7. Liu L , Zhang L , Zhang L , et al. Hepatic Tmem30a Deficiency Causes Intrahepatic Cholestasis by Impairing Expression and Localization of Bile Salt Transporters[J]. American Journal of Pathology, 2017:S0002944017304856.

8.Shanshan, Zhang, Wenjing, Liu et al. TMEM30A deficiency in endothelial cells impairs cell proliferation and angiogenesis.[J]. Journal of cell science, 2019.

9. Liu W , Peng L , Tian W , et al. Loss of phosphatidylserine flippase β-subunit Tmem30a in podocytes leads to albuminuria and glomerulosclerosis[J]. Disease Models and Mechanisms, 2021.

10. Kuan xiang Sun, Xiao yan Jiang, Xiao Li, et al. Deletion of phosphatidylserine flippase β-subunit Tmem30a in satellite cells leads to delayed skeletal muscle regeneration[J]. Zoological Research, 42(5):650-659.


来源: BioArtMED

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