亮氨酸改善2型糖尿病的线粒体调控机制研究

The dysfuntion of mitochondria, the power-generating units of the cell, is associated with insulin resistance , oxidative stress and impaired insulin secretion. Our previous study showed that leucine, a novel nutrient signal, improved insulin resistance by activating insulin signaling, and regulated expression of mitochondrial anti-oxidative enzyme. These results implicated a promising role of leucine in the regulation of mitochondrial function,but the effects and underlying mechanisms of leucine on mitochondrial function has not been clarified. In the present study, we attempt to establish an animal model of type 2 diabetes mellitus by high-fat high-sucrose diet and investigate the effects of leucine on the mitochondrial biogenesis, mitochondrial autophagy and mitochondrial function in different tissues of rats with insulin resistance or impaired β-cells function during the different stages in development of type 2 diabetes. We also aim to establish cell models of insulin resistance in hepatocytes, skeletal muscle cells and adipocytes and cell model of impaired insulin secretion in pancreatic β-cells and to reveal the mechanisms by which leucine promotes mitochondrial biogenesis and mitochondrial autophagy via mTOR/ PGC-1α and mTOR/ULK1 signaling pathway by using multiple morphological and molecular biological techniques such as confocal microscopy, flow cytometry and gene silencing with siRNA. The results of our study would provide the new insight into the prevention and treatment of type 2 diabetes and represent attractive targets in the dietary modification for metabolic diseases.

线粒体功能紊乱可致氧化应激、胰岛素抵抗和β细胞功能障碍，调控线粒体功能成为2型糖尿病极具潜力的新的防治靶点。课题组前期研究发现，亮氨酸作为新的营养信号分子，可激活胰岛素信号通路改善胰岛素抵抗，同时可调控线粒体抗氧化酶的表达，减少氧化应激。但是，亮氨酸对2型糖尿病发生发展过程中线粒体功能的调控及其机制尚未阐明。本项目在前期研究基础上，拟建立高脂高糖喂养的2型糖尿病动物模型，分别在胰岛素抵抗和β细胞功能受损阶段，观察亮氨酸对线粒体生成、自噬及其功能的影响；同时建立胰岛素抵抗细胞模型以及胰岛β细胞受损细胞模型，运用激光共聚焦、流式细胞仪以及siRNA转染等形态学和分子生物学技术，从mTOR/PGC-1α和mTOR/ULK1途径深入揭示亮氨酸调控线粒体生成、自噬，改善线粒体功能的分子机制。本研究结果将为2型糖尿病的防治提供新的思路和科学依据，对于寻求新的膳食防治策略和有效的分子靶点具有重要意义。

2型糖尿病等代谢性疾病的发生发展是一个漫长的过程，不同阶段机体的代谢状态不同。支链氨基酸尤其是亮氨酸补充对2型糖尿病的干预作用目前尚无一致性结论，有研究者认为，亮氨酸在机体处于合成代谢或分解代谢的状态下，具有不同的干预作用，但其机制并未阐明。本项目对高脂膳食喂养诱导的胰岛素抵抗大鼠进行亮氨酸干预。在胰岛素抵抗（24周）和2型糖尿病阶段（32周），采用基于超高效液相色谱-质谱联用的代谢组学研究方法，寻找不同时间点的差异代谢物，阐明亮氨酸干预引起的整体代谢水平的改变；动态观察亮氨酸补充对大鼠在2型糖尿病发展的不同阶段支链氨基酸代谢以及骨骼肌、肝脏、胰腺等组织线粒体生成、结构和功能的影响。同时，观察亮氨酸干预对棕榈酸处理的原代培养大鼠骨骼肌细胞线粒体功能的影响及其机制。.结果表明，亮氨酸干预具有增强高脂诱导的胰岛素抵抗大鼠机体总的胰岛素敏感性的作用，但在高血胰岛素阶段和高血糖阶段却表现出对机体代谢和线粒体功能的不同影响。亮氨酸在机体能量过剩并处于以合成代谢为主的高血胰岛素阶段，可促进机体的分解代谢，加重机体高氨基酸负荷，尤其是支链氨基酸，其分解加重了线粒体负担。支链氨基酸代谢产物的增加降低了脂肪酸的氧化，脂肪酸代谢中间产物堆积，损伤骨骼肌线粒体结构和功能。在2型糖尿病发展的早期高血糖阶段，亮氨酸补充可以促进机体的合成代谢，增加骨骼肌线粒体生成，降低线粒体的负荷，促进脂肪酸氧化，改善胰岛素抵抗。支链氨基酸干预对肝脏、骨骼肌、胰腺等不同的组织的线粒体生成和功能也发挥了不同的作用。细胞实验得到了类似的结果。 .本项目的研究结果不仅从2型糖尿病发展的两个不同阶段对亮氨酸的干预效果进行动态研究，而且从代谢组学的角度阐明了亮氨酸干预导致的整体代谢改变，从支链氨基酸代谢、线粒体生成及其功能的改变等方面揭示了亮氨酸补充干预2型糖尿病的分子机制，为临床上2型糖尿病患者的精准营养干预提供了重要理论依据。