泛素－蛋白酶体和自噬在异常胰岛素前体降解和胰岛β细胞功能维持以及糖尿病中的作用

Pancreatic β-cell protein homeostasis is essential for their function and survival. Increasing evidence indicates that up to 10-20% newly synthesized insulin precursors either fail to be translocated across the membrane of the endoplasmic reticulum (ER), or fail to achieve to their native folding state in the lumen of the ER. To avoid protein toxicity, these untranslocated or misfolded insulin precursors need to be efficiently degraded by the protein degradation machinery. However, the degradation pathways responsible for degrading abnormal insulin precursors remain largely unknown. We hypothesize that increased untranslocated/misfolded insulin precursors are tightly associated with the development and progression of type 2 diabetes. E3 ligase Hrd1 mediated proteasomal degradation plays a major role in clearance of abnormal insulin precursors. Whereas heat short protein Hsp70 and autophagy may be responsible for degrading insoluble untranslocated insulin precursors in the cytosol. In the study, we will first examine changes and degradation pathway of abnormal insulin precursors in the islets of type 2 diabetes mouse models. Secondly, by using different diabetes causing mutant insulin precursors, we will examine the roles of Hrd1, Hsp70, and associated intracellular machinery in the clearance of abnormal insulin precursors. Finally, we will generate β-cell specific Hrd1 knockout mice, and elucidate the roles of Hrd1 in maintaining β-cell protein homeostasis, function, and ability to cope with insulin resistance in a type 2 diabetes model.

β细胞蛋白稳态平衡是维持其正常功能和生存的必要条件，我们前期工作表明，正常β细胞中有10-20%新合成的胰岛素前体(Insulin precursors, IPs)会出现低效转位和错误折叠，异常IPs必须通过蛋白降解系统清除，目前对β细胞中清除异常IPs的蛋白降解系统认识有限。本课题假设：β细胞中异常IPs增多与2型糖尿病密切相关，泛素化连接酶Hrd1介导的蛋白酶体降解是清除内质网中异常IPs的主要通路，而热休克蛋白Hsp70和自噬对降解细胞浆中不可溶性IPs起重要作用。本研究应用2型糖尿病模型小鼠，明确糖尿病时异常IPs的增加情况和降解通路，应用致糖尿病的突变型IPs为分子模型，明确Hrd1和Hsp70及其相关蛋白机器在降解不同异常IPs中的作用，应用β细胞特异性敲除Hrd1小鼠模型，明确Hrd1在维持β细胞蛋白稳态和功能中的作用，以及Hrd1对外周胰岛素抵抗时β细胞代偿能力的影响。

β细胞蛋白稳态平衡是维持其正常功能和生存的必要条件，我们前期工作表明，正常β细胞中有10-20%新合成的胰岛素前体会出现低效转位和错误折叠，异常的胰岛素前体必须通过蛋白降解系统清除，目前对β细胞中清除异常胰岛素前体的蛋白降解系统认识有限。本项目揭示了错误折叠胰岛素原导致胰岛功能异常的新机制，应用体内和体外模型发现错误折叠的胰岛素原在内质网可以与胰岛素受体前体发生相互作用，影响胰岛素受体在细胞内的转运和成熟的过程，进而影响胰岛beta细胞内的胰岛素信号通路，导致胰岛功能的异常。揭示了新的胰岛素基因突变导致胰岛素合成异常的新机制，在两个早发糖尿病患者及其家系中，发现一个新的导致糖尿病的胰岛素基因突变R46X。我们应用多种方法对R46X导致的胰岛素生物合成异常进行了研究，结果显示，R46X影响胰岛素前体的转位效率，导致新合成的前胰岛素原从细胞浆到内质网的转位效率下降和成熟胰岛素合成的减少。提示了由胰岛素基因突变所致的糖尿病临床表型与不同突变的关系，研究发现胰岛素基因突变所致糖尿病的表型与突变对胰岛素原正常氧化折叠的影响程度，对共表达野生型胰岛素原显性负效应的强弱，以及内质网应激的程度密切相关。发现泛素化介导的蛋白酶体降解和自噬降解在不同的异常胰岛素前体降解过程中起不同作用。本研究将为发现和进一步开发针对异常胰岛素前体降解的靶向治疗提供重要的理论基础。