锌转运蛋白Zip基因敲除小鼠胰岛素分泌障碍的分子机制

Zinc homeostasis is essential for maintaining human health. Optimal subcellular distribution of zinc (Zn) is finely tuned through the coordinated action of Zn transporters (ZnTs) and intracellular zinc importer (Zrt, Irt-like protein, ZIPs). Especially, recent emerging evidence supports the relevance of zinc homeostasis for insulin secretory capacity and responsiveness. However, the causal relationship and underlying regulatory mechanisms are less understood. There are 14 Zip family members in human and murine, responsible for the space and phase control of zinc ion. Professor Fudi Wang, PI of our research group, has extensive experience in the field of zinc metabolism, and has revealed the zinc transport capacity and post-translational regulation mechanism of Zip1, Zip2, Zip3, Zip4, Zip5, Zip7, Zip11 and Zip13. Our preliminary studies identified impaired glucose tolerance and insulin secretion in a Zip deficient mouse. In addition, we found that the glucose stimulated insulin secretion was inhibited in isolated pancreatic islet coupling with inhibition of ATP synthesis and down-regulation of its key regulators. Based on these preliminary results, we propose to further investigate regulatory roles of ZIP in insulin secretion by using both conditional Zip knockout mice and diabetic disease mouse models. The proposed study aims to systematically evaluate the mechanisms and effects of zinc homeostasis on glycaemia control, β cell function, pathogenesis of diabetes and its complications. The findings will help to better understand roles of zinc homeostasis in diabetes, develop targeted therapy, and guide future related researches.

锌是人体必需微量元素。胰岛β细胞中含有高浓度的锌离子，但功能及调控机制还不清楚。Zip转运蛋白（又称Slc39a）家族是细胞摄取锌的主要通道蛋白家族，在哺乳动物中有14个成员。申请人所在团队在国际上首先报导了Zip1、Zip2、Zip3、Zip4、Zip5、Zip7、Zip11及Zip13的锌离子转运功能及翻译后调控机制；近年制备了多个Zip基因敲除小鼠模型，为深入研究Zip家族以及锌的生理功能奠定了基础。我们近期对系列Zip基因敲除小鼠进行了糖耐量筛选，发现某一Zip基因敲除小鼠其糖耐量显著受损及胰岛素分泌障碍。进而，在分离培养的原代胰岛中发现葡萄糖刺激的胰岛素分泌被明显抑制，并伴随着ATP合成受阻及调控胰岛素分泌的多个关键基因下调。本项目将以条件性基因敲除小鼠和糖尿病模型小鼠为主要实验工具，探讨Zip及锌离子对胰岛素分泌的调节模式和分子机制，为糖尿病的防治提供理论依据。

已有人群研究提示，膳食锌摄入不足及机体锌水平降低与糖尿病发生具有显著关联。但膳食锌补充是否能过作为预防或治疗糖尿病的临床干预手段仍没有明确结论。而近年来，锌补充对糖尿病的防控作用也引起越来越多科学家及民众的重视。我们通过对临床试验数据的分析，发现锌补充在糖尿病患病及高风险人群中对血糖控制均具有较好效果，表现出对血糖（空腹及餐后）、胰岛素敏感性（空腹胰岛素及HOMA-IR）、糖基化损伤（HbA1c）以及慢性炎症（hs-CRP）等6项指标的一致改善作用。我们的这项研究为补充锌可作为糖尿病预防和治疗的有效辅助临床手段提供了直接证据。在分子机制方面，已发现锌稳态对胰岛功能执行、慢性炎症调节以及组织葡萄糖利用等方面具有多重调控作用，但胰岛β细胞中锌离子稳态的分子调节机制及其对糖代谢的调控效应还不清楚。我们通过对多种糖尿病小鼠模型及胰岛细胞特异基因敲除小鼠模型的实验研究，首次发现了转运蛋白Slc39a5（Zip5）对胰岛β细胞锌离子稳态及胰岛素分泌具有重要调节作用，阐明了“锌-Sirt1-Pgc-1α-Glut2”轴调节β细胞的葡萄糖感应及胰岛素分泌的分子网络，还首次在体内证实了锌离子可作为胰岛素模拟剂（Insulin mimetics）发挥不依赖于胰岛素的直接降糖作用。主要研究结论已在中国国际生物微量元素大会（2019）做口头报告，并在国际锌生物学会在日本京都举办的“The 6th Meeting of International Society for Zinc Biology（ISZB-2019）”以及中国生物物理学会在西藏举办的“低氧与健康科学大会”（2018）进行2次海报展示。主要研究成果已在Protein Cell（共1第1，2019年，IF：7.575）和Am J Clin Nutr（共1第1，2019年，IF：6.568）期刊发表，后者还被AJCN杂志选出作为编辑推荐（Editor’s choice）论文（23选2），两篇研究论文中本基金号均为第一标注。