Sirt3缺乏对高龄小鼠胰岛β细胞功能的影响及其机制研究

The incidence of type 2 diabetes increases with aging, but the mechanism still remains unclear. Research has shown that oxidative stress plays pivotal roles in the pathogenesis of β cell failure during cell senescence. Our preliminary data suggested that PGC-1α expression and oxidative stress level were significantly increased in aged Sirt3 deficient mice, and the glucose tolerance was impaired accordingly. Therefore, we assume that Sirt3 is one of the key factors during the maintaining of senescent β cell function. Based on this hypothesis, Sirt3 loss-of-function/gain-of-function mouse model and isolated pancreatic islets will be used as experimental models to investigate the influence of aberrant Sirt3 expression on β cell function and glucose metabolism. In order to further investigate the molecular mechanism of Sirt3 deficiency induced β cell dysfunction, PGC-1α will be over-expressed or down-regulated through virus infection in aged mice and isolated islets. Then pathways related to oxidative stress, insulin synthesis and secretion will be analyzed. For the first time, our research will investigate the Sirt3/ PGC-1α signaling pathway in senescent β cell and further illuminate the causes of impaired β cell function and increased incidence of type 2 diabetes in aged patients, and provide the theoretical basis of anti-oxidant therapy on type 2 diabetes treatment.

2型糖尿病发病率随年龄增长显著上升。研究表明，胰岛β细胞中氧化应激水平的升高是导致细胞在衰老过程中功能紊乱的重要因素。我们的研究发现，线粒体蛋白Sirt3缺乏的高龄小鼠β细胞中PGC-1α及氧化应激水平显著升高，葡萄糖耐受性明显降低。因此推测在衰老β细胞中Sirt3水平是影响β细胞胰岛素分泌功能的关键因素之一。本课题以β细胞特异性Sirt3缺乏或过表达的高龄小鼠及原代胰岛为模型，分析Sirt3表达量改变对β细胞功能及糖代谢水平的影响；并通过在β细胞中抑制或过表达PGC-1α，分析氧化应激及胰岛素合成、分泌等信号通路，阐明Sirt3通过抑制PGC-1α，改善细胞内氧化应激水平，最终保护细胞功能的作用机制。该研究结果将首次明确衰老β细胞中的Sirt3/PGC-1α信号通路，进一步阐明导致高龄人群β细胞功能衰退的原因，对通过抗氧化治疗缓解高龄人群β细胞功能损伤、改善糖代谢功能具有重要的临床意义。

通过本项目，我们研究了妊娠后期雄激素暴露对子代内分泌系统以及胰岛β细胞功能的长期影响，并进一步阐明了线粒体蛋白Sirt3在其中所发挥的作用。我们的前期研究已经证实，妊娠期雄激素暴露会导致雌性子代生殖系统发育异常，但该处理对于子代葡萄糖代谢，特别是胰岛β细胞功能的影响尚不明确。通过本研究，我们发现妊娠后期雄激素暴露会对雌性子代小鼠产生体重增加、空腹血糖升高以及葡萄糖耐受性损伤等一系列的影响。进一步研究发现，实验组高龄小鼠空腹胰岛素水平显著降低，而血清中甘油三酯以及睾酮的水平则显著上升。通过体外实验，我们发现实验组高龄小鼠胰岛β细胞的数量与对照组没有显著差异，但由于血清中睾酮浓度上调所引起的胰岛β细胞线粒体蛋白Sirtuin 3（Sirt3）表达水平的下降则会导致其下游蛋白超氧化物歧化酶2（SOD2）的乙酰化，进而引起细胞内氧化应激水平的上升以及胰岛β细胞的胰岛素分泌功能异常。与此同时，实验组高龄小鼠胰岛β细胞中葡萄糖转运蛋白2（Glut2）、Pdx1等糖代谢关键基因的mRNA水平则显著降低。为进一步阐明Sirt3在调控胰岛β细胞功能中的作用。我们在妊娠期雄激素暴露的高龄子代小鼠胰岛β细胞中过表达Sirt3，进而发现Sirt3过表达能够显著缓解细胞中的氧化应激水平，上调细胞内的cAMP以及ATP浓度，最终改善β细胞的胰岛素分泌功能。以上结果表明，妊娠后期雄激素暴露会对雌性子代的内分泌系统产生持久的影响，而子代高龄小鼠胰岛β细胞中Sirt3水平下调引起的氧化应激水平上升则是导致β细胞胰岛素分泌功能损伤以及糖代谢异常的主要原因之一。该发现阐明了PCOS患者子代内分泌系统发育异常的作用机制并为该疾病的临床治疗提供了潜在的靶点。