Nrf2在低剂量砷暴露致胰岛β细胞自噬流阻断中的作用和意义

Environmental arsenic exposure is associated with incidence of type 2 diabetes, but the mechanism remains elusive. Literature reports and our experimental studies have shown that low level arsenic exposure can block the autophagic flux. Deficiency of autophagy causes the impairment of the structure and function of pancreatic β cells. Nrf2 is a central regulator of cellular adaptive response to oxidative stress. Although Nrf2-mediated antioxidant response protects cells against acute oxidative damage, persistent Nrf2 activation is involved in the pathophysiological processes of many diseases including diabetes. Arsenic can activate nuclear transcription factor Nrf2. We hypothesize that persistent Nrf2 activation participates in low level arsenic induced the blockage of autophagic flux and pancreatic β cell dysfunction. In the present study, we firstly will test the relationship of pancreatic β cell dysfunction and the blockage of autophagic flux induced by low level arsenic exposure with autophagy inhibitor intervention in MIN6 and isolated mouse islets. Then we will explore the effect of Nrf2 deficiency on the autophagic flux blocked by low level arsenic exposure in Nrf2 knockdown MIN6 cells and Nrf2 knockout islets. In addition, we will investigate strategies for the prevention and treatment of arsenic induced pancreatic β cell dysfunction by the application of Nrf2 activator and inhibitor. Our study will provide new ideas for the prevention and treatment of type 2 diabetes induced by arsenic.

环境砷暴露与2型糖尿病发生密切相关，但机制不明。文献报道及我们前期实验结果表明，低剂量砷暴露能阻断细胞内的自噬流。自噬缺乏能导致胰岛β细胞结构和功能的损伤。Nrf2是细胞内抗氧化反应的核心调控者，虽然Nrf2介导的抗氧化反应能保护细胞免受急性氧化损伤，但Nrf2的持续活化却参与包括糖尿病在内的多种疾病的病理生理过程。砷是Nrf2的激活剂。因此我们假设Nrf2持续活化参与低剂量砷暴露致胰岛β细胞自噬流阻断，进而损伤β细胞功能。本研究首先应用胰岛β细胞系MIN6和原代分离小鼠胰岛，通过自噬抑制剂干预，阐明低剂量砷暴露对胰岛β细胞自噬流的影响及与β细胞功能损伤的关系；其次应用Nrf2基因沉默MIN6细胞和Nrf2基因敲除小鼠胰岛，研究Nrf2缺失对低剂量砷暴露致胰岛β细胞自噬流阻断的影响；最后应用Nrf2激活剂和抑制剂探讨砷致胰岛β细胞功能损伤的防治策略。本研究将为砷致2型糖尿病防治提供新思路。

环境砷污染是一个严重的公共卫生问题。长期砷暴露能导致慢性砷中毒，并引发多种疾病，如2型糖尿病、皮肤癌等，但具体机制尚不清楚。砷暴露能激活多种病理过程，如氧化应激、内质网应激、炎症等，而最新研究发现自噬与砷暴露也密切相关。自噬是细胞在外界压力或者营养缺乏条件下的一种自我保护机制，广泛存在于真核细胞中，通过溶酶体机制降解自身成分的一种代谢途径。然而过度的细胞自噬也会通过自我消化和降解必需的细胞结构引起自噬性细胞死亡。本项目根据具体实验结果，选择非肿瘤来源的人类永生化角质形成细胞株HaCaT为研究对象（此部分研究内容有调整，详见结题正文），通过不同剂量的砷暴露，研究HaCaT细胞自噬通路的变化及对HaCaT细胞毒性损伤的影响。实验结果表明低剂量砷暴露通过阻断细胞自噬流而导致HaCaT细胞毒性损伤；而高剂量砷暴露后诱发HaCaT细胞自噬增强，而过度自噬引发自噬性细胞死亡导致HaCaT细胞的毒性损伤。由此可见不同剂量砷暴露对自噬通路的影响是不同的，进而导致HaCaT细胞的毒性损伤机制亦是不同的，这些结果为砷致皮肤损害的发病机制提供新思路。核转录因子NRF2是细胞内适应性抗氧化反应的核心调控者。砷是非常强烈的NRF2激活剂。NRF2在砷暴露所致细胞自噬通路改变中的作用还尚不清楚。我们通过应用NRF2基因沉默HaCaT细胞发现，与SCR细胞相比，NRF2-KD细胞内低剂量砷所致自噬流阻断明显减弱，因此NRF2参与低剂量砷暴露所致HaCaT细胞自噬流阻断过程。而NRF2基因沉默后，高剂量砷暴露所致细胞自噬增强更显著，因此NRF2在高剂量砷暴露所致细胞过度自噬而造成自噬性死亡过程中发挥保护作用。由此可见砷暴露活化的NRF2，在不同剂量砷致HaCaT细胞自噬通路改变中发挥双相调节作用，这些结果为砷致皮肤损害防治提供新策略。