O-GlcNAc修饰、泛素-蛋白酶体系统与糖尿病胰岛素抵抗之间的相互作用及潜在的分子调控机制研究

The accelerated O-linked N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) modification in vivo will lead to the insulin-resistance and eventually diabetic occurrence. However, the inhibition of O-GlcNAc modification fails to block the diabetic development, and the reason remains to be known. The elucidation of above contradiction is critical to the molecular pathology, prevention and therapy of diabetes mellitus. Based on the published results and our primary studies, it is tempting to presume that under diabetic conditions the inhibition of O-GlcNAc modification will increase the functional activity of ubiquitin proteasome system (UPS), which subsequently promotes the degradation of key regulators responsible for insulin receptor signaling and contributes to the progressive worsening in insulin resistance and the therapeutic failure. In this project we will construct the diabetic hepatocyte model, the diabetic adipocyte model, the diabetic mouse models with O-GlcNAc transferase (OGT) or O-GlcNAcase (OGA) conditionally knocked out in the liver. By using the above in vitro and in vivo models, the interaction of O-GlcNAc modification, insulin-resistance and UPS will be totally investigated at the level of molecules, cells and tissues. It is possible that our studies will not only gain further insight into the molecular mechanism of insulin resistance, but provide theoretical support for the clinical therapy against insulin resistance and related drug development based on the O-GlcNAc modification.

O-连接N-乙酰氨基葡萄糖（O-GlcNAc）修饰水平的增加将引发机体形成胰岛素抵抗，并导致糖尿病的发生，但抑制O-GlcNAc修饰却不能治疗糖尿病，其原因讫今不明。上述科学问题的阐释对糖尿病发生的分子机制探讨、预防及治疗均具有重要意义。基于前期研究结果，我们推测在糖尿病条件下，抑制O-GlcNAc修饰将增加蛋白酶体的活性，进而降解胰岛素受体通路中的关键蛋白，降低机体对胰岛素的敏感性，进一步加剧胰岛素抵抗的发生，最终使糖尿病治疗陷入失败。为论证此假设，本申请拟建立肝细胞及脂肪细胞糖尿病模型，并分别构建肝脏N-乙酰氨基葡萄糖转移酶及N-乙酰氨基葡萄糖苷酶条件敲除小鼠，从分子、细胞及组织水平探讨O-GlcNAc修饰、胰岛素抵抗及蛋白酶体三者之间的辨证关系。预期本课题的完成将有助于深入阐述胰岛素抵抗发生的分子机制，并为胰岛素抵抗的临床治疗或基于O-GlcNAc修饰的抗糖尿病新药开发提供理论依据。

糖尿病是以糖代谢紊乱为主要特征的人类第三大代谢疾病，其并发症所致死亡人数仅次于心血管疾病和癌症。据国际糖尿病联盟2019年统计数据，全球糖尿病患者已高达4.26亿，且各地区糖尿病发病率逐步上升，预计2045年糖尿病患者会高达7亿，形势不容乐观。其中，中国患有糖尿病的成年人在世界范围内数量最多，高达1.16亿，占全球糖尿病成年人总数的27%。. 本项目以肝细胞、脂肪细胞、肝脏条件性基因敲除小鼠及 db/db糖尿病小鼠为研究对象，分别建立细胞糖尿病模型及动物糖尿病模型，以 O-GlcNAc 修饰为研究基础，以参与己糖胺生物合成途径的关键分子、蛋白酶体亚单位及胰岛素受体通路中的调控蛋白为研究对象，重点探讨糖尿病条件下 O-GlcNAc 修饰的改变、蛋白酶体功能活性的变化、胰岛素抵抗的发生三者之间的有机联系，旨在阐释糖尿病条件下导致胰岛素抵抗发生的分子作用机制，以期对基于O-GlcNAc 修饰的胰岛素抵抗新药开发及胰岛素抵抗的临床治疗提供理论支持和应用基础。. 结果发现，在细胞模型中，甲基乙二醛（Methylglyoxal，MGO）可诱导肝细胞和脂肪细胞的糖尿病模型，造成糖基化终端产物的过度产生。该模型下肝细胞总体O-GlcANc蛋白水平显著降低，且胰岛素受体通路蛋白的O-GlcNAc糖基化修饰也可发生动态变化，同时蛋白酶体活性呈时间及浓度依赖性上调。脂肪细胞GLUT4蛋白水平降低，IR、PDK-1、Akt等O-GlcNAc糖基化修饰上调，且O-GlcNAc糖基化修饰的改变会影响脂肪细胞的蛋白酶体活性，其增加会导致蛋白酶体活性的降低，MGO则与O-GlcNAc糖基化修饰的增加起协同作用。. 在动物模型中，链脲佐菌素（STZ）注射所致I型糖尿病小鼠的肌肉、脂肪、胰腺组织总体O-GlcNAc水平增加，且多种组织中胰岛素受体通路关键蛋白的总体蛋白水平和其O-GlcNAc糖基化修饰水平变化明显。db/db II型糖尿病小鼠的肌肉组织的O-GlcNAc糖基化修饰水平略微增加，而脂肪、脑、脾脏、肝脏组织的O-GlcNAc糖基化水平显著降低，其中脂肪组织的胰岛素受体通路蛋白变化明显，表现在多种蛋白质的总蛋白水平下调。而在采用蛋白酶体抑制剂干预后，肝脏及肌肉组织IR、PKCλ总蛋白水平显著上调。