胰岛β细胞的耦联膜复合体-内质网-线粒体轴完整性调控及药物干预效应研究

Insulin secretion stimulated by glucose is closely associated with cytoplasmic Ca2+ flux and mitochondrial metabolism in pancreatic β cells. However, the relationship between both of them on insulin secretion remains undefined. Here we display an essential role of the junctophilin subtype, junctophilin 3 (JP3), in regulating insulin secretion in mouse primary pancreatic β cells. JP3 contributing to insulin release is largely dependent on the junctional membrane complexs (JMCs)-endoplasmic reticulum (ER)-mitochondria axis integrity. Knockdown of Jph3 disturbs spatial organization of the axis, which, in turn, might affect mitochondrial function. We expect that Jp3 knockdown does not result in ER stress, instead, suppresses the mitofusin 2 (Mfn2) expression trigged by RyR-dependent Ca2+ flux through reducing an Mfn2 regulator, Pgc-1α, mRNA expression and nuclear translocation. This project is expected to reveal a novel role that JPH regulating insulin secretion by manipulating spatial organization of JCMs-ER-mitochondria axis integrity via a RyR-Ca2+ flux/Pgc-1α activation/Mfn2 expression signaling pathway.

Junctophilins（JPs）连接可兴奋细胞的质膜和内质/肌浆网膜，形成耦联膜复合体（JMCs），在Ca2+通道信号网络调控发挥关键作用。人类JPs基因缺失或突变可影响心脏、神经等多种疾病。外界化学因素可改变JP1构象；应激情况下，心肌JP2和神经元JP3可显著下调、水解。申请人最近研究发现，胰岛β细胞表达JP3，并发现胰岛β细胞和心肌细胞均存在“JMCs-内质网-线粒体轴”，沉默Jps分别导致胰岛素释放或心肌收缩功能异常，提示存在药物通过影响JPs而致组织损伤的研究新空间。本项目拟进一步探索胰岛β细胞沉默Jps，对“JMCs-内质网-线粒体轴”完整性影响的表征，对“内质网-线粒体”间信号交流影响，及进而损伤胰岛素释放功能的调控机制，揭示其不可或缺的生命现象本质。力图阐明药物干预胰岛β细胞“JMCs-内质网-线粒体轴”完整性，所致Ca2+信号调控异常与胰岛素释放功能损伤的相关性。

本项目严格按照申请书研究内容和目标执行，全面完成了研究计划。并拓宽了（1）对人类胰腺组织、2型糖尿病db/db小鼠β细胞“JMCs-ER-线粒体轴”超微结构研究；（2）对同为可兴奋细胞的神经元和心肌细胞，及同为内胚层的肝细胞研究；（3）根据评审专家建议，将低浓度H2O2改为S-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）调控细胞活动的研究。揭示了胰岛β细胞高度表达Junctophilin 3（JP3），由此维持 “JMCs-ER-线粒体轴”完整性，参与调控胰岛素分泌。结果如下：1. 揭示了JP3对维持β细胞“JMCs-ER-线粒体轴”超维结构，具有不可或缺性。首次报道了胰岛β细胞表达JP3对维持“ER-线粒体轴”的重要性。2. 首次论证并报道了β细胞JP3维系“ER-线粒体轴”关联的胰岛素释放机制：JP3通过调节过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活子α的核转移，维持“ER-线粒体轴”融合蛋白Mfn2表达，及线粒体Ca2+瞬变，从而呈现葡萄糖刺激诱发的胰岛素释放（GSIS）功能。3. 明确了胰岛β细胞JP3对Ca2+信号网络调控及ER功能影响；阐明了JP3对胰岛β细胞所有Ca2+信号通道/受体表达及Ca2+信号调控。通过选择性维持2型兰尼碱受体（RyR2）活性，呈现咖啡因诱导的胞浆Ca2+瞬变。首次报道了胰岛β细胞JP3对Ca2+信号通道/受体调节的特定生物学意义。4.表征了人类胰腺组织β细胞JP3与RyR2相互作用 （新增内容）：首次揭示了人类胰腺组织β细胞JP3选择性与RyR2相互作用，参与GSIS过程Ca2+信号放大，从而涉及GSIS的KATP通道非依赖调控环节，对线粒体功能及胰岛素释放密切相关。结论：胰岛β细胞表达JP3对ER-线粒体连接的调控具有不可或缺性；“JMCs-ER-线粒体轴”结构中，JMCs状况对ER-线粒体连接功能有直接影响，并由此参与调控胰岛素释放功能（附件一，Cell Death and Disease 2016;7:e2275）。