无机焦磷酸酶PPA1通过非酶活途径影响线粒体功能及2型糖尿病胰岛素抵抗的机制研究

Insulin resistance played a key role during the development and outcome of type 2 diabetes. According to large reports, mitochondrial dysfunction is one of the danger factors leading to the development of insulin resistance. Our previous results showed that PPA1 deficiency could cause whole-body insulin resistance. PPA1 +/- mice displayed elevation in the level of blood insulin and reduction in peripheral insulin sensitivity. And after induced with a high-fat diet, the PPA1 +/- mice showed more impaired glucose tolerance and more deleterious insulin resistance. Further study indicated that the interference of PPA1 could cause the decrease of mitochondrial DNA content and the deficiency of mitochondrial function in 3T3-L1 cell and the fatty body of Drosophila. By mutation of the key amino acids Lys57 and Arg79 for the enzymatic activity of PPA1, we found that the regulation of PPA1 to the adipogenesis of db/db SVF was independent on its enzyme activity. The underlying mechanism is still unknown. In the study, we aim to understand the cellular and molecular mechanism by which alterations in PPA1 expression would cause mitochondrial dysfunction and insulin resistance at the cellular and animal level by all the methods to study mitochondrial function and PPA1 tissue-specific over-expression or tissue-specific knockout mice. And we will further explore the molecular mechanism of PPA1 that might be involved in mitochondrial dysfunction and insulin resistance. This study will provide a new evidence to elucidate the mechanism of insulin resistance in type 2 diabetes.

胰岛素抵抗是2型糖尿病发生发展的重要因素之一。研究显示，线粒体功能障碍与胰岛素抵抗的发生密切相关。我们前期研究发现，无机焦磷酸酶PPA1的敲除小鼠血胰岛素水平升高，外周组织胰岛素敏感性显著降低；高脂饮食诱导后，敲除鼠表现更为严重的葡萄糖耐量受损和胰岛素抵抗。并且，在3T3-L1脂肪细胞及果蝇脂肪体中干扰PPA1可以导致线粒体DNA含量及线粒体功能下降。突变PPA1关键酶活位点Lys57和Arg79，发现PPA1对db/db鼠脂肪干细胞成脂能力的影响不依赖于其酶活性。PPA1通过非酶活途径影响线粒体功能的分子机制尚不清楚。该项目拟在细胞及动物水平，借助各种线粒体功能研究方法及组织特异性转基因和基因敲除小鼠，研究PPA1在糖尿病环境下影响线粒体功能的生物化学和分子生物学环节，及其在胰岛素抵抗发生过程中的作用。该研究将为阐明2型糖尿病外周组织胰岛素抵抗的发生机制提供一个新的实验依据。

随着经济的发展和人们生活方式的改变，2型糖尿病已经成为严重的公共健康问题。胰岛素抵抗是2型糖尿病的主要特征之一。研究显示，线粒体功能障碍与胰岛素抵抗的发生密切相关。无机焦磷酸酶PPA1可以催化一分子焦磷酸水解生成磷酸，并释放能量，在糖、脂以及蛋白质的合成代谢过程中起着重要的作用。我们的研究首次揭示了PPA1的缺失可以引起脂肪细胞的线粒体功能受损，导致胰岛素抵抗。研究发现：1、PPA1全身敲除的杂合小鼠PPA1+/-在正常饮食条件下就表现出明显的胰岛素抵抗，高脂饮食诱导后，胰岛素抵抗加剧，能量消耗下降；2、与对照相比，PPA1+/-小鼠脂肪组织中的线粒体形态异常，脂肪细胞肥大，棕色脂肪明显“白色化”；3、在PPA1+/-小鼠皮下脂肪部位注射过表达PPA1的腺相关病毒AAV-PPA1，可以明显改善脂肪组织中的线粒体功能及小鼠的胰岛素敏感性，说明PPA1全身敲除引起的胰岛素抵抗，至少部分是与脂肪细胞中PPA1缺失引起的线粒体功能障碍相关；4、在脂肪组织中特异性敲除PPA1后，纯合小鼠表现出脂肪发育不良相关的严重胰岛素抵抗，而杂合小鼠虽然脂肪发育相对正常，却出现产热障碍，寒冷刺激下白色脂肪棕色化的能力下降；5、在细胞中的机制研究发现，PPA1缺失后可以引起FUS在线粒体中的定位明显增加。据报道，FUS的过表达可以破坏ATP合成酶复合物的组装，导致线粒体损伤。由此，我们推测，脂肪细胞中PPA1的敲降增加了FUS在线粒体上的累积，引起线粒体功能障碍，最终引起胰岛素抵抗。前人对PPA1的研究多集中在细胞生长、骨胶原的形成及肿瘤发生等方面，我们的研究揭示了PPA1在维持线粒体功能以及脂肪细胞发育中的重要性，为阐明2型糖尿病胰岛素抵抗的发生机制提供了一个新的实验依据，并为2型糖尿病的治疗提供了一个新的药物研发靶点。其中部分结果已发表在糖尿病领域的权威杂志Diabetes上（Diabetes, 2021. 70 (6): p1278-1291.）。