AMPK-SIRT5-GLUD轴调控胰岛功能的机制研究

A long term of insulin hypersecretion will exhaust β-cell function, and the preservation of pancreatic β-cell function is a major point of research in preventing and treating type 2 diabetes. Our previous data show that long-term exposure to high glucose stimulates insulin hypersecretion from isolated rat islets, along with deceased level of phosphorylated AMPK and glutarylated glutamate dehydrogenase, as well as increased expression of SIRT5. And SIRT5 inhibitor can decrease insulin hypersecretion under high glucose. Recent research indicates that AMPK can regulate SIRT5 expression in hepatocyte. And SIRT5 can increase GLUD enzyme activity by deglutarylating GLUD,which catalyzes the cleavage of glutamate to α-ketoglutaric acid, which increase metabolic signaling molecular by mitochondrial shuttles to trigger amplification pathway of insulin secretion. So we propose the research hypothesis: AMPK/SIRT5/GLUD pathway triggers amplification pathway to promote high glucose-induced insulin hypersecretion from pancreatic β-cell，and blocking of AMPK/SIRT5/ GLUD pathway will help prevent β-cell function exhaustion. We will explore the role of AMPK/SIRT5/ GLUD pathway in long-term exposure to high glucose-induced insulin hypersecretion from β-cell. These will help us widen the knowledge on pathogenesis of type 2 diabetes and provide possible therapeutic target for β-cell protection.

长期胰岛素高分泌将导致β细胞功能耗竭，而如何维持β细胞功能是防治2型糖尿病的关键问题。我们发现长期高浓度葡萄糖刺激胰岛素高分泌，伴随AMPK磷酸化水平降低,SIRT5表达增加及谷氨酸脱氢酶(GLUD)戊二酰化水平降低，而SIRT5抑制剂能抵抗高糖下胰岛素高分泌。研究表明，在肝细胞中AMPK能调节SIRT5的表达。SIRT5可通过去戊二酰化作用增加GLUD酶活性，促进谷氨酸分解为α-酮戊二酸，后者经线粒体穿梭机制产生代谢信号分子，促发扩大途径，增加胰岛素分泌。据此我们提出假设：长期高糖刺激可能通过调节AMPK-SIRT5-GLUD轴，激活代谢扩大途径，促进胰岛素分泌,而阻断该通路利于防止长期高糖下胰岛β细胞功能耗竭。本研究将观察AMPK-SIRT5-GLUD轴调节胰岛代谢在长期高糖刺激β细胞胰岛素高分泌中的可能作用，为深入了解2型糖尿病的发病机制及研发胰岛β细胞保护作用的药物提供思路。

蛋白质翻译后修饰包括乙酰化、泛素化等，广泛参与代谢的各个环节。. 我们发现CREBH乙酰化水平增加能上调FGF21表达。研究表明，肝细胞合成分泌的成纤维细胞生长因子21（FGF21）在调节糖脂代谢中发挥着重要作用。MS-275，一种I类HDAC的特异性抑制剂，被报道亦能影响能量代谢。我们开展了一系列体内外实验，探索了MS-275对肝细胞FGF21表达的影响及可能存在的相关机制。首先，我们获取小鼠的肝原代细胞后用MS275处理，发现MS-275能剂量依耐性及浓度依耐性上调肝细胞中FGF21的mRNA及蛋白的表达水平。体内实验中，我们发现注射MS-275的小鼠血清中FGF21的浓度更高，同时小鼠肝脏中的FGF21及脂肪酸氧化、酮体生成的相关基因的表达水平增加，并伴随小鼠血脂谱的改善。进一步地，我们通过免疫共沉淀、腺病毒转染、蛋白电泳等技术发现：MS-275能增加CREBH组蛋白H3第18位点赖氨酸的乙酰化水平，使得CREBH的启动子能招募更多的HNF-4α来上调CREBH的表达，从而上调肝细胞FGF21的表达。该研究成果已发表在Journal of Molecular Endocrinology期刊上。. 我们还发现FOXO1去乙酰化后发生泛素化降解能影响肝细胞的糖脂代谢。作为转录共激活因子，组蛋白乙酰化转移酶，CBP/P300能通过多种信号通路介导参与能量代谢。已报道，A-485能选择性抑制CBP/P300的活性。我们的课题组采用A-485腹腔注射的方式干预高脂饲养的小鼠1周后发现A-458能显著改善小鼠的体脂含量及血糖水平。我们对实验小鼠的肝脏切片行油红O染色发现肝细胞内脂肪含量亦显著减少。将分离的小鼠原代肝细胞，分别用A-485处理或不处理，发现A-485能抑制脂肪合成相关基因的表达，同时上调脂肪酸氧化相关基因的表达。同样地，我们还发现，A-458处理肝细胞能减少其糖异生能力及相关基因的表达。为进一步探索相关分子机制，我们采用免疫荧光染色、免疫共沉淀等技术发现A-458能减少FOXO1乙酰化水平，促进其泛素化降解，使其与脂肪合成及糖异生使其与脂肪合成及糖异生相关基因的结合量减少从而下调相关基因的表达。该研究成果已发表于《cell death and disease》期刊上。. 以上相关研究为代谢疾病的药物研发提供理论依据。