胰岛素基因突变导致胰岛素原错误折叠和胰岛β细胞功能衰竭的分子机制

The absolute or relative deficiency of insulin caused by pancreatic beta cell failure is the key factor in the pathogenesis of diabetes mellitus. However, The mechanisms of beta cell failure have not yet been elucidated. In the previous study, we found that the proportion of misfolded insulin in beta cells increased significantly under high glucose stimulation, which plays a key role in the process of beta cell failure. Based on this, we hypothesize that the misfolded proinsulin, even formed through different molecular mechansims, may induce endoplasmic reticulum stress (ERS) and dominant negative effect by polymerization, which results in the islet failure. Here, We will use two newly discovered insulin gene mutants G (B20) R and P (B28) L as the research object, then apply chase pulse and radioimmunoassay, to dig out how misfolded proinsulin was formed in the molecular level. Moreover, we will systematically describe how the two mutants affect the folding, processing and secreting of insulin. Following that, we will analyze the effect of the two kinds of misfolded proinsulin induced by G (B20) R and P (B28) L mutation on endoplasmic reticulum stress and dominant negative effect. And find out whether polymer formation is critical for ERS or dominant negative effect. At last, we will introduce a specific mutation into insulin gene to inhibit polymer formation, then investigate its influence on ERS and dominant negative effect. .Our research will reveal the molecular mechanism of misfolded proinsulin formation, and clarify how different types of misfolded proinsulin lead to beta cell failure. The study will provide novel ideas for discovering medication which blocks islet failure.

胰岛β细胞功能衰竭所致的胰岛素绝对或相对缺乏是各型糖尿病发生的关键因素。至今β细胞衰竭机制尚未阐明。课题组已发表的研究结果显示，高糖状态下β细胞内胰岛素原错误折叠的比例显著升高，并在胰岛β细胞功能衰竭过程中发挥关键作用。结合前期研究，我们提出假设：由不同分子机制形成的错误折叠胰岛素原通过产生多聚体诱导内质网应激和/或显性负效应，从而导致β细胞功能衰竭。我们拟以两种新发现的致病型胰岛素基因突变G(B20)R和P(B28)L为研究对象，运用蛋白标记追踪和放射免疫法探究形成错误折叠的分子机制，以及两种突变对胰岛素生物合成各阶段的影响；分析不同类型错误折叠对内质网应激和显性负效应的启动作用，及该过程是否与胞内多聚体的形成相关；最后引入特定位点突变以阻碍胰岛素原多聚体形成，探究内质网应激和显性负效应的变化。本课题揭示胰岛素原错误折叠的分子形成机制和导致β细胞功能衰竭的具体机理，为研发新药提供思路。

胰岛β细胞功能衰竭所致的胰岛素缺乏是2型糖尿病发生的关键因素。胰岛素及前体的正确生物合成是胰岛β细胞发挥正常生理功能的核心。课题组的前期研究提示，高糖状态下β细胞内胰岛素原错误折叠的比例显著升高，并在胰岛β细胞功能衰竭过程中发挥关键作用。最近的一项动物研究证实，胰岛素原发生错误折叠和其导致的内质网应激是2型糖尿病早期胰岛细胞的标志性改变。2型糖尿病病因复杂，涉及多基因、多种环境因素共同作用所致，多种混杂因素导致其机制研究较为困难。由胰岛素基因突变所致的单基因糖尿病为我们提供了天然的疾病研究模型。课题组系统地研究了导致MODY（青少年发病的成人型糖尿病）的胰岛素基因突变G(B20)R和 P(B28)L所引起的分子生物学行为改变，并与引起NDM（新生儿糖尿病）的胰岛素突变C(A7)Y相比较。我们发现，这三种胰岛素基因突变均可导致错配二硫键增多，在内质网腔内形成错误折叠的胰岛素原高分子复合物，引起胰岛素原从内质网前向输出障碍。突变型胰岛素原在内质网的聚集，导致持续的内质网应激和随之而来的细胞凋亡。我们还发现，突变型胰岛素原不仅自身形成分子间异常二硫键，还与共表达的正常的胰岛素原形成异常二硫键，导致正常的胰岛素原滞留于内质网、成熟胰岛素产量下降（显性负效应）。值得注意的是，虽然这三种胰岛素基因突变均表现出在胰岛素原折叠、运输的缺陷及对正常胰岛素原的显性负效应，然而，其程度却不尽相同。与MODY致病突变G(B20)R和 P(B28)L相比，NDM致病突变C(A7)Y对胰岛素合成的影响更为严重，几乎完全阻断了从内质网的输出，对共表达的正常胰岛素原显性负效应尤为明显，导致更严重的内质网应激和细胞凋亡。因此，三种突变型胰岛素原在细胞内的生物学行为缺陷与它们所导致的临床严重程度具有一致性。该研究让我们深入认识胰岛素原的行为缺陷和糖尿病临床表现的内在关联，证实了胰岛素原的错误折叠和内质网应激在糖尿病的发生发展中所发挥的重要作用，对未来糖尿病的新药研发提供了可能的新靶点和思路。