自噬介导的NLRP3炎症小体活化和细胞焦亡在无机砷诱导肝脏胰岛素抵抗中的作用及机制研究

Diabetes is a major threat to human health worldwide, and exposure to high level of inorganic arsenic in drinking water has been blamed as a risk factor for type 2 diabetes. Insulin resistance might play an essential role in inorganic arsenic-induced diabetes, however the underlying mechanisms are largely uncertain. In previous studies, we found that inorganic arsenic stimulated autophagy. Autophagy contributes to the activation of NLRP3 inflammasome, which can induce caspase-1-dependent pyroptosis, and lead to inflammation and insulin resistance eventually. In this study, we use in vivo and in vitro test-systems, utilize knockout mice and RNA interference technique to inhibit the expression of autophagy-related genes, e.g. beclin-1, Atg7, Atg5, and pyroptosis-initiated genes, e.g. NLRP3, caspase-1, respectively. We also use Atg7 expression plasmid to stimulate autophagy, and use siRNA to inhibit the expression of cathepsin B meanwhile. With the genetic modification technique, we investigate the changes in autophagy, pyroptosis and insulin resistance. We aim to clarify the effects and mechanisms of autophagy-activated NLRP3 inflammasome and pyroptosis in inorganic arsenic-induced insulin resistance. This study would provide scientific basis for the clarification of the relationship of chronic arsenic exposure with diabetes.

糖尿病是全球范围内危害人群健康的主要疾病，而饮水中高浓度无机砷已被确认为2型糖尿病的危险因素。胰岛素抵抗在无机砷诱导糖尿病的发病过程中可能起关键作用，但其作用机制不清。本课题组前期研究发现，无机砷可引起细胞过度自噬，而自噬与NLRP3炎症小体的激活有关，炎症小体可促进caspase-1依赖的细胞焦亡，导致炎症反应和胰岛素抵抗的发生。本研究通过体内外实验，利用基因敲除小鼠和RNAi技术，抑制自噬相关基因beclin-1、Atg7、Atg5和与细胞焦亡密切相关的NLRP3、caspase-1的表达，或通过转染Atg7表达质粒促进自噬，同时用siRNA抑制组织蛋白酶B的表达，检测自噬、细胞焦亡和胰岛素抵抗相关指标的变化，以明确自噬介导的NLRP3炎症小体激活和细胞焦亡在无机砷诱导的胰岛素抵抗中的作用及其机制，为阐明慢性砷中毒与糖尿病的关系提供理论依据。

环境砷暴露与2型糖尿病（T2D）以及非酒精性脂肪性肝炎（NASH）密切相关。肝脏胰岛素抵抗（IR）是T2D以及NASH的重要病理改变，而NLRP3炎症小体在T2D以及NASH等多种代谢性疾病中起到重要的调控作用，但是无机砷诱导炎症小体激活及其作用机制仍不清楚。本课题组研究表明，无机砷暴露诱导NLRP3小体激活以及细胞焦亡，最终促进肝脏IR以及NASH的发生。NLRP3炎症小体激活包含启动信号和激活信号两部分信号。本课题组研究发现，在启动信号中，无机砷可以通过Filamin A调控NF-κB通路的活化，影响NLRP3的基因转录。同时通过调控m6A甲基化修饰水平，增强NLRP3 mRNA的稳定性，最终促进NLRP3的蛋白表达和炎症小体的激活。在激活信号中，自噬-溶酶体途径、线粒体-ROS途径以及内质网应激途径均可以参与到无机砷诱导NLRP3炎症小体激活过程中，最终影响肝脏IR的发生以及肝星状细胞（HSCs）的活化。另外，我们还识别到抗炎蛋白Annexin A1，可以作为NLRP3炎症小体的天然抑制蛋白，在无机砷诱导的炎症小体激活和肝脏IR中发挥重要的调控作用。而在胰岛β细胞中，无机砷可以通过IRE1-α/TNF-α通路调控NLRP3炎症小体的激活，最终导致β细胞功能损伤。此外，课题组围绕NLRP3激活与肝脏IR发生之间的调控机制展开了深入探讨。研究发现，NLRP3可以通过与糖酵解途径关键酶PKLR结合，抑制PKLR的蛋白表达水平，进而抑制糖酵解途径，促进无机砷所致肝脏IR的发生。另外，无机砷通过调控细胞焦亡关键效应蛋白Gasdermin D（GSDMD）的泛素化修饰从而促进其剪切活化，而GSDMD可以作为分子开关影响无机砷所致肝脏IR的发生。本课题从NLRP3炎症小体激活及其作用机制的各个角度出发，为地方性砷中毒的防治提供了扎实的理论基础。近年来，铁离子依赖的氧化应激性细胞死亡形式即铁死亡越来越受到科学界的关注。本课题组研究发现铁死亡在无机砷所致NASH及胰岛β细胞损伤中发挥重要作用，但是具体的调控机制仍不明确，为本课题组将来的研究提供了新的方向。