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10月17日

王福俤团队揭示胰岛β细胞关键锌离子转运蛋白及调控胰岛素分泌新机制

——浙江大学医学院/公共卫生学院

编辑:weixiaoming 作者:王福俤团队 时间:2018年10月18日 访问次数:310

        10月17日,浙江大学医学院/公共卫生学院王福俤团队在著名专业期刊《Protein & Cell》发表最新研究成果“The zinc transporter Slc39a5 controls glucose sensing and insulin secretion in pancreatic β-cells via Sirt1- and Pgc-1α-mediated regulation of Glut2”[1]。通过对多种糖尿病小鼠模型及胰岛细胞特异敲除小鼠模型的实验研究,首次发现转运蛋白Slc39a5(Zip5)对胰岛β细胞锌离子稳态及胰岛素分泌具有重要调节作用。

锌作为人体必需微量元素,在多种生物过程中具有重要作用。在生理条件下,锌离子可以通过多种途径调节机体糖代谢。首先,锌参与胰岛素合成、加工及分泌过程[2];其次,锌可以通过其对免疫系统的调节作用,降低机体慢性炎症水平,进而改善胰岛素敏感性[3];再次,锌还可以通过不依赖于胰岛素的信号通路,直接提升效应细胞的葡萄糖摄取能力[4]。胰岛β细胞作为胰岛素及血糖调节的核心环节(见图1),其锌离子稳态的分子调节机制及其对糖代谢的调控效应还不清楚。

图1. 胰岛β细胞调控胰岛素分泌模式图.jpg

图1. 胰岛β细胞调控胰岛素分泌模式图

(Kyong Yeun Jung, et al. Diabetes Metab J, 2014)

 

为了寻找胰岛β细胞关键锌离子转运蛋白,我们首先在糖代谢紊乱小鼠模型中开展了锌转运基因Slc39家族转录表达水平的筛查。发现高脂饲喂肥胖小鼠、ob/ob小鼠及db/db小鼠三种糖代谢异常小鼠模型胰岛组织Zip5表达均出现了显著下降(见图2)。提示Slc39a5与糖尿病发展可能存在调控关联。

图2. 多种糖尿病模型小鼠胰岛Slc39a家族基因表达改变.jpg

图2. 多种糖尿病模型小鼠胰岛Slc39a家族基因表达改变

 

进而,为了明确Slc39a5在胰岛β细胞中的功能,团队制备了Slc39a5条件性基因敲除小鼠模型进一步观察,发现在胰岛中特异性敲除Slc39a5导致小鼠出现了明显的糖耐量受损及胰岛素分泌障碍(见图3)。首次证实了Slc39a5对β细胞执行其正常的胰岛素分泌功能至关重要。

图3. Slc39a5敲除引起小鼠糖耐量受损及胰岛素分泌障碍.jpg

图3. Slc39a5敲除引起小鼠糖耐量受损及胰岛素分泌障碍

 

为了进一步探索Slc39a5调节胰岛素分泌的机制,将敲除小鼠原代胰岛进行了分离培养,在离体条件下对胰岛功能进行了系统测试。发现Slc39a5缺失损伤了胰岛的锌摄取能力、葡萄糖摄取能力以及胰岛素分泌能力。进而,通过对系列胰岛关键功能蛋白含量及活性检测、重要信号通路的筛查以及小分子激动剂的挽救等分子及生化方法,发现Slc39a5敲除减弱了依赖于锌离子的Sirt1去乙酰化酶活性,降低了受其调控的Pgc-1α及下游葡萄糖转运蛋白Glut2表达,从而损伤了β细胞的葡萄糖感应和胰岛素双相分泌过程(见图4)。

图4. Slc39a5敲除损伤了胰岛β细胞的锌离子及葡萄糖摄取能力.jpg

图4. Slc39a5敲除损伤了胰岛β细胞的锌离子及葡萄糖摄取能力

 

为了进一步剖析锌离子对糖代谢的多重调节模式,充分发挥了条件性基因敲除策略可以精确控制机体锌的组织差异性分布的优势,比较了CMV-Cre诱导全身敲除、Ins2-Cre诱导β细胞敲除以及腹腔注射锌等小鼠模型,首次在体内直接观察到了胰岛局部缺锌引起的胰岛素分泌障碍和机体整体高锌引起的不依赖于胰岛素的降糖作用(见图5)。呈现出了微量元素锌及其转运蛋白对机体糖代谢的精确而复杂的调控方式。

图5. 机体锌的组织差异性分布对糖代谢的多重调控作用.jpg

图5. 机体锌的组织差异性分布对糖代谢的多重调控作用

 

该成果利用组织特异性敲除小鼠模型,系统剖析了锌离子对血糖调节的多重作用(见图6)。1)首次通过基因敲除小鼠揭示转运蛋白Slc39a5对胰岛β细胞锌离子稳态平衡及胰岛素分泌具有重要调节作用;2)阐明“锌-Sirt1-Pgc-1α-Glut2”轴调节β细胞的葡萄糖感应及胰岛素分泌的分子网络;3)首次在体内证实锌离子可作为胰岛素模拟剂(Insulin memetics)发挥不依赖于胰岛素的直接降糖作用。鉴于Slc39a5对胰岛β细胞锌离子稳态及糖代谢都具有重要调节作用,其将可能成为糖尿病的潜在治疗靶点。该成果也为机体补充锌离子改善血糖控制及糖尿病管理提供了重要科学依据。

图6. Slc39a5调节胰岛素分泌模式图.jpg

图6. Slc39a5调节胰岛素分泌模式图

 

王福俤团队围绕锌离子转运机制开展了系统性的研究,先后鉴定并确认多个锌转运蛋白,包括Slc39a1-3(Zip1-3) 锌离子摄取功能及特性 [5]、Slc39a4(Zip4)突变与锌缺乏病因的遗传性肠源性指端皮炎 [6]、Slc39a5与小肠锌离子吸收 [7]、Slc39a7(Zip7)锌离子摄取与脑发育 [8]、Slc39a10(Zip10)与巨噬细胞功能 [9]及Slc39a11(Zip11)摄取锌离子特性 [10]等。

该研究成果第一作者为公共卫生学院王鑫慧博士(讲师)和博士研究生高虹;通讯作者为浙江大学公共卫生学院王福俤教授、浙江大学转化医学研究院闵军霞教授及清华大学药学院陈立功研究员;浙江大学基础医学院孟卓贤研究员也参与了部分工作。该项目得到国家自然科学基金委及国家科技部项目资助。

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文献出处:

[1] Xinhui Wang(王鑫慧)#, Hong Gao#, Wenhui Wu, Enjun Xie, Yingying Yu, Jin Li, Wanru Zheng, Xudong Wang, Xizhi Cao, Zhuoxian Meng, Ligong Chen*, Junxia Min*, Fudi Wang*. The zinc transporter Slc39a5 controls glucose sensing and insulin secretion in pancreatic β-cells via Sirt1- and Pgc-1α-mediated regulation of Glut2. Protein Cell. Sep. 9, 2018

论文链接:https://doi.org/10.1007/s13238-018-0580-1

[2] Yang V. Li. Zinc and insulin in pancreatic beta-cells. Endocrine. 2014, 45(2):178-89

[3] Carmen P. Wong, Kathy R. Magnusson, Emily Ho. Increased inflammatory response in aged mice is associated with age-related zinc deficiency and zinc transporter dysregulation. J Nutr Biochem. 2013, 24(1):353-9

[4] Xiao-han Tang, Neil F. Shay. Zinc has an insulin-like effect on glucose transport mediated by phosphoinositol-3-kinase and Akt in 3T3-L1 fibroblasts and adipocytes. J Nutr. 2001, 131(5):1414-20

[5] Fudi Wang, Jodi Dufner-Beattie, Byung-Eun Kim, Michael J. Petris, Glen Andrews, David J. Eide*. Zinc-stimulated endocytosis controls activity of the mouse ZIP1 and ZIP3 zinc uptake transporters. J Biol Chem, 2004, 279(23):24631-9

[6] Fudi Wang, Byung-Eun Kim, Jodi Dufner-Beattie, Michael J. Petris, Glen Andrews, David J. Eide*. Acrodermatitis enteropathica mutations affect transport activity, localization and zinc-responsive trafficking of the mouse ZIP4 zinc transporter. Hum Mol Genet, 2004, 13(5):563-71

[7] Fudi Wang, Byung-Eun Kim, Michael J. Petris, David J. Eide*. The mammalian Zip5 protein is a zinc transporter that localizes to the basolateral surface of polarized cells. J Biol Chem, 2004, 279(49):51433-41

[8] Guang Yan#, Yuchao Zhang#, Junlei Yu#, Yu Yu, Fan Zhang, Zhuzhen Zhang, Aimin Wu, Xianghua Yan, Yi Zhou, Fudi Wang*. Slc39a7/zip7 plays a critical role in development and zinc homeostasis in zebrafish. PLoS One, 2012, 7(8):e42939

[9] Hong Gao#, Lu Zhao#, Hao Wang, Enjun Xie, Xinhui Wang, Qian Wu, Yingying Yu, Xuyan He, Hongbin Ji, Lothar Rink, Junxia Min*, Fudi Wang*. Metal transporter Slc39a10 regulates susceptibility to inflammatory stimuli by controlling macrophage survival. Proc Natl Acad Sci USA, 2017, 114(49):12940-5

[10] Yu Yu#, Aimin Wu#, Zhuzhen Zhang, Guang Yan, Fan Zhang, Lihong Zhang, Xiaoyun Shen, Ronggui Hu, Yan Zhang*, Keying Zhang*, Fudi Wang*. Characterization of the GufA subfamily member SLC39A11/Zip11 as a zinc transporter. J Nutr Biochem, 2013, 24(10):1697-708