内质网稳态失衡和早期胰岛素合成通路的异常在1型和2型糖尿病发生发展中的作用

Accumulating evidence suggests that endoplasmic reticulum (ER) stress of pancreatic B cells plays an important role in the development and progression of various types of diabetes. However, the molecular mechanisms underlying B cell failure caused by ER stress remain unknown. The hypothesis of this proposal is that the disruption of the ER protein-folding homeostasis and wild-type proinsulin misfolding are the common pathways of B cell failure in both type 1 and type 2 diabetes. Following the initial insults (the first hit) caused by autoimmune attack in type 1 diabetes or insulin resistance in type 2 diabetes, an absolute or relative insulin deficiency forces pancreatic B cells to synthesize a large amount of proinsulin, which overwhelms the ER folding capacity that is genetically predetermined. The protein-folding homeostasis is disrupted in the overloaded ER, in which the normal folding of wild-type proinsulin is disturbed, causing proinsulin misfolding. The misfolded wild-type proinsulin accumulates in the ER and causes ER stress, which function as the second hit(s) to B cells, initiating and/or aggravating pancreatic B cell failure and diabetes. In this proposal, using various diabetic animal models, we will examine the ER homeostasis and wild-type proinsulin folding in pancreatic B cells during the development and progression of diabetes. The effects of misfolded proinsulin on differentiation, proliferation, and apoptosis of B cells will be also investigated. This study will not only allow us to better understand the molecular mechanisms of B cell failure and diabetes, but also shed new light on development of novel strategies for the treatment of diabetes.

研究表明，胰岛B细胞内质网应激(ERS)在多种类型DM的发生发展中起着重要作用。但导致ERS和B细胞衰竭的分子机制仍不清楚。本课题的研究设想是，细胞ER稳态的失衡和胰岛素原的错误折叠，是多种类型DM在某一特定阶段的共同特征，在T1DM(自身免疫)和T2DM(胰岛素抵抗)不同起始病因对B细胞造成第一次打击，而导致胰岛素绝对/相对不足后，细胞被迫合成大量的胰岛素原，造成ER超负荷和内环境稳态的失衡，进而造成野生型胰岛素原的错误折叠，而后者又可以通过ERS和显性负效应，对残存的B细胞造成第二次打击，从而导致和/或加重B细胞衰竭和DM。本课题拟采用多种动物模型，在明确DM不同发生发展阶段中，ER稳态失衡和胰岛素原折叠异常的基础上，深入研究胰岛素原的错误折叠与B细胞功能变化的关系，及其对B细胞分化、增殖和凋亡的影响，从而加深对DM发病机制的理解，为开发治疗DM的新型途径提供理论基础。

胰岛beta细胞功能衰竭是导致糖尿病的决定因素，近年的研究表明，胰岛素合成异常和内质网应激是胰岛素基因突变所致的胰岛beta细胞功能衰竭和这种单基因糖尿病的分子基础，但是，胰岛素生物合成异常在1型和2型糖尿病中的作用未明。本课题首先在胰岛beta系和分离的小鼠胰岛中，系统地研究了新合成胰岛素原在内质网中的折叠过程，特别是对胰岛素原分子的三个关键的二硫键的形成以及对胰岛素原正常折叠的重要性进行了分析，在此基础上，我们还观察了在胰岛素过度合成和内质网应激条件下胰岛素原的折叠情况，结果显示，胰岛素原在内质网中的折叠效率并不完善，三个二硫键的正确配对是胰岛素原正常折叠的关键，而二硫键B19-A20是三个二硫键中最先形成的键，也是其它两个二硫键形成的基础，在内质网过负荷或胰岛素合成调节异常情况下，胰岛素原的过度合成可以导致异常折叠胰岛素原的增加，进一步加重内质网负荷和应激。本课题还同时观察了在1型和2型糖尿病小鼠模型，以及单基因敲除(P58IPK)小鼠胰岛中胰岛素原的折叠情况，结果发现，胰岛素原的错误折叠在上述糖尿病模型小鼠的糖尿病发生发展中起重要作用，由P58IPK基因敲除所致的胰岛素原的错误折叠在糖尿病发生之前就已出现，提示其可能参与了致病过程，但是在1型和2型糖尿病小鼠中，胰岛素原的错误折叠只在糖尿病发生后开始明显增加，提示其可能参与了糖尿病发生之后胰岛beta细胞功能进一步衰竭的过程。 除此之外，本研究构建了在胰岛beta细胞中特异表达可以在人类导致早发性糖尿病的突变型胰岛素原G(B23)V，该模型将为深入研究由胰岛素原错误折叠和内质网应激所致胰岛beta细胞衰竭的分子机制提供有益的在体动物模型。