β-羟基丁酰化在丁酸钠调节胰岛β细胞功能中的作用研究

A growing body of evidence reveals that gut microbiota plays an important role in the regulation of host metabolism. The role of gut microbial metabolite including butyrate in energy metabolism is becoming more and more concerned. Our previous data showed that sodium butyrate (SB) increased the expression of multiple genes involved in the regulation of pancreatic β-cell function and insulin secretion from isolated rat islets and up-regulated histone acetylation levels. The results of tandem mass spectrometry revealed that histone deacetylase 1 (HDAC1) was β-hydroxybutyrylated at several lysine sites. β-hydroxybutyryl-CoA is a metabolite of butyrate, and the down-regulation of hydroxy-CoA dehydrogenase (HADH) potentiated SB-induced insulin secretion. In this study we will use HADH knockout mice, adenovirus transfection, Seahorse XF extracellular flux analyzers, Co-immunoprecipitation, and ChIP-sequence techniques to detect whether butyrate β-hydroxybutyrylates and inhibits HDAC1 activity through its metabolites and promotes histone acetylation, resulting in enhanced β-cell function. This study will explore a new mechanism underlying butyrate-regulated energy metabolism as an intestinal signal and provide a new strategy for the treatment of type 2 diabetes.

肠道菌群广泛参与宿主整体代谢的调节，包括丁酸在内的肠道菌群代谢物在机体能量代谢中的作用日益受到关注。本课题组前期研究结果显示丁酸钠能显著增加多个胰岛β细胞功能相关基因的表达及胰岛素分泌，上调胰岛组蛋白乙酰化水平。蛋白质谱结果显示组蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）存在β-羟基丁酰化修饰，该修饰的底物β-羟基丁酰辅酶A可在丁酸代谢过程中产生，而羟酰基辅酶A脱氢酶（HADH）表达降低进一步增加丁酸钠的胰岛素促泌作用。本课题拟采用HADH敲除小鼠、腺病毒转染、Seahorse细胞能量代谢检测、免疫共沉淀和ChIP-sequence等技术，观察丁酸钠是否通过其中间代谢产物酰化修饰并抑制HDAC1活性，增加组蛋白乙酰化水平，增强β细胞功能，探索丁酸作为肠道信使分子调控机体能量代谢新的作用模式，为2型糖尿病的药物研发提供新的策略。

短链脂肪酸（SCFA）是膳食中不易消化的纤维成分在结肠经肠道菌群发酵产生，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。由肠道菌群产生的短链脂肪酸(SCFAs)已被充分证明可以改善代谢稳态， 成为肠道和外周组织对话的重要信号分子。然而，SCFAs在胰岛功能中的作用仍存在争议。胰岛细胞能感受机体营养素变化，分泌适量胰岛素对能量物质进行优化配置。已有研究报道来源于肠道的丁酸能作用于肝脏、骨骼肌和脂肪细胞，我们关注丁酸钠对胰岛细胞功能的影响和作用机制。用丁酸钠培养大鼠胰岛不同时间，结果显示丁酸钠处理1h对基础和葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）均没有影响，而将处理时间延长到24h后，则能显著增强胰岛素的分泌能力，并完全逆转地塞米松对胰岛功能的损伤。RNA测序结果显示丁酸钠能显著上调INS1、INS2、Snap25、Prkaca和Tph1等基因的表达，下调KCNJ11基因表达，表明丁酸钠可以协调胰岛素分泌多个调节环节的基因，增强β细胞分泌能力。同时，包括Pdx1，MafA, NeuroD1, Gck和Slc2a2等β细胞身份基因被显著下调，呈现出一种与经典胰岛素分泌调节理论相矛盾的结果，说明丁酸钠通过非经典通路完成促泌作用。蛋白质谱结果显示组蛋白去乙酰化酶HDAC1第74、89和220位赖氨酸存在β-羟基丁酰化修饰，丁酸钠可通过该翻译后修饰抑制HDAC1活性，进而调节胰岛基因表达和胰岛素分泌。将针对H3K27蛋白乙酰化的ChIP-seq结果与RNA-seq结果重叠分析表明丁酸钠对多个β细胞身份基因的表达抑制作用并不依赖于H3K27Ac。丁酸钠处理提高了基础耗氧率(OCR)，但降低了葡萄糖刺激大鼠胰岛的OCR，且不改变糖酵解和三羧酸循环相关基因的表达。并通过降低Kcnj11的表达，升高细胞内基础钙离子浓度。另一方面，丁酸钠通过增加胰岛素基因启动子区H3K18丁酰化水平来诱导其表达。上述研究结果表明，丁酸钠以损害胰岛β细胞身份为代价，增强了胰岛β细胞的分泌能力。