胰岛素抵抗通过内质网应激IRE1/XBP1通路加速神经元衰老的机制研究

With the high prevalence of diabetes mellitus (DM), diabetes associated cognitive decline (DACD) and aging-related neurological diseases has generated much speculations. However, the underlying mechanism is unclear. Our previous studies demonstrated that high-calorie diet induced brain insulin resistance could decrease the expressions of learning and memory related genes and induce short life. Results of in vitro studies indicated that insulin resistance could induce enhanced aging process of neuronal cells, along with increased expression of endoplasmic reticulum stress (ERS) marker, GRP78 and pIRE1. These results indicated that ERS might mediate the insulin resistance-induced neuron aging process. Studies have shown that IRE1/XBP1 pathway plays an important role in the endoplasmic reticulum homeostasis. Thus, based on our previous results, we aimed to discuss the role of ERS related IRE1/XBP1 pathway in insulin resistance-induced neuron aging in vitro and in vivo and their underlying regulatory mechanism. Furthermore, we’d like to use the hypoglycemic agent GLP-1 receptor agonist(Extendin-4) as the intervention to discover its effects on the ERS and neuron aging. All of the above mentioned will help to provide new theoretical basis for insulin resistance-induced aging of nervous system in patients with DM, and to shed light on the application of GLP-1 receptor agonist on the treatment of DACD.

随着糖尿病发病率的逐年激增，糖尿病相关认知障碍及神经退行性疾病倍受关注，然而具体机制尚不清楚。在前期工作中，我们发现高热量饮食引起的中枢胰岛素抵抗会影响果蝇学习记忆相关基因表达，并引起果蝇寿命缩短；诱导神经元发生胰岛素抵抗后神经元衰老加重，同时内质网应激相关蛋白GRP78及pIRE1表达增加，提示内质网应激可能在中枢胰岛素抵抗促进神经元衰老过程中扮演重要角色。研究表明IRE1/XBP1通路在内质网维持环境稳态中发挥重要作用。因此，本研究拟在前期工作基础上，通过体内、体外实验，进一步阐明内质网应激IRE1/XBP1通路在胰岛素抵抗引起神经元衰老过程中的作用及其深层调控机制，并利用GLP-1受体激动剂(艾塞那肽)加以干预，观察其对内质网应激及神经元衰老的改善作用。本项目有望为胰岛素抵抗引起神经元衰老及糖尿病相关认知障碍提供理论依据；为GLP-1受体激动剂在糖尿病相关认知障碍治疗中的应用奠定基础。

糖尿病相关认知障碍已成为近年研究热点，但深层机制仍不清楚。课题组在前期工作基础上，提出中枢胰岛素抵抗可能通过影响内质网应激IRE1/XBP1通路引起神经元损伤。并在国家留学基金委员会青年科学基金项目资助下，自2019年起对上述机制进行了深入探讨。.首先我们通过棕榈酸诱导了神经元胰岛素抵抗的发生，并发现胰岛素抵抗下内质网应激相关标志性蛋白GRP78及CHOP表达明显升高，内质网形态呈空泡化、肿胀形态，而我们所关注的IRE/XBP1通路在棕榈酸刺激后也呈现激活状态，同时神经元突触可塑性蛋白表达下降。以上结果证实棕榈酸引起的中枢胰岛素抵抗可引起内质网应激进而影响神经元突触功能。.此外，我们发现内质网应激IRE/XBP1通路在胰岛素抵抗情况下被激活引起了XBP1的核转位，并介导了突触可塑功能下降。而调控XBP1的表达可以使得神经元突触长度增加并改善神经元突触功能，也进一步证明了IRE/XBP1通路在该过程的重要作用。同时，我们应用GLP-1受体激动剂作为干预手段以改善胰岛素抵抗，观察到了其对神经元胰岛素抵抗、形态、内质网应激以及突触功能的改善作用。.为进一步明确IRE/XBP1通路激活后导致神经元突触可塑性损伤的可能机制，我们首先发现了FOXO1蛋白在神经元突触功能中的重要作用，过表达FOXO1后神经元突触可塑性明显改善，而胰岛素抵抗诱导的内质网应激可以引起FOXO1表达下降。为了探究FoxO1蛋白水平减少是否与IRE1/XBP1s通路有关系，我们发现抑制XBP1后FoxO1蛋白增加，而过表达后foxO1蛋白进一步减少。这提示XBP1可能是引起FoxO降解的关键机制。随后通过免疫共沉淀及CHIP实验证实了XBP1可以通过与E3泛素连接酶stub1结合影响其泛素化进而介导FOXO1对突触功能的保护作用。.综上，我们发现胰岛素抵抗通过诱导内质网应激后使得IRE/XBP1/FOXO1通路激活并通过干预FOXO1泛素化影响神经元突触功能。在国家自然科学基金青年项目资助下，项目负责人以第一作者及通讯作者身份共发表相关SCI文章5篇，其中中科院1区文章1篇，中科院2区文章3篇，中科院3区文章1篇。本研究提示内质网应激IRE/XBP1通路有望作为糖尿病相关认知障碍的干预靶点，同时也为GLP-1受体激动剂在糖尿病相关认知障碍中的临床应用提供可靠依据。