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中國科大合作團隊發(fā)現(xiàn)神經(jīng)調(diào)控囊泡分泌與代謝穩(wěn)態(tài)的GPCR通路新信使IP7

糖尿病發(fā)生一般會伴有胰島素水平的異常。因此，胰島素分泌的嚴格調(diào)控對于機體維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)具有重要的生理病理意義。體內(nèi)β細胞胰島素分泌受到葡萄糖，激素，神經(jīng)遞質(zhì)等的嚴格調(diào)控，副交感神經(jīng)刺激胰島素分泌是其中一種重要機制。副交感信號在β細胞里感知的信號通路以及如何刺激胰島素囊泡釋放，并不完全清楚。

高級多磷酸肌醇是源于GPCR信使IP3,由一系列肌醇激酶層級磷酸化所形成的代謝小分子，進化上保守但功能所知甚少 (圖1)。焦磷酸肌醇5-IP7（IP7）由其合成激酶IP6K磷酸化IP6生成。IP7能量高，在 IP6K和磷酸酶(DIPP)的作用下與IP6動態(tài)轉(zhuǎn)換，具有信使分子的瞬時合成降解屬性。根據(jù)IP6K敲除小鼠和細胞系的表型，IP7應(yīng)參與很多生理與疾病過程，如調(diào)控腫瘤細胞凋亡和轉(zhuǎn)移的命運抉擇。但是，IP7的普適性作用原理和所轉(zhuǎn)導(dǎo)的生理信號通路及其作用的分子機制尚不清楚。

圖1: 高級多酸肌醇代謝分子的信使功能與機制研究。IP6K介導(dǎo)的IP6-IP7間的動態(tài)轉(zhuǎn)換可能參與了細胞對外界信號/刺激/脅迫的應(yīng)答。然而，IP6K參與應(yīng)答的信號以及IP7的靶標與作用機制未知。

近日，我校細胞動力學(xué)教育部重點實驗室王朝團隊與南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院饒楓團隊合作，在Nature Metabolism在線發(fā)表了題為：“5-IP7is a GPCR messenger mediating neural control of synaptotagmin-dependent insulin exocytosis and glucose homeostasis”的研究論文。報道了一個新的GPCR信使： IP7，以及其感應(yīng)副交感神經(jīng)信號刺激胰島素分泌的功能和分子機制。

在此項研究中，作者首先解析了生理狀態(tài)下IP6K1的磷酸化活化調(diào)控機制，在副交感神經(jīng)激活時，分布于胰島β細胞表面的乙酰膽堿受體接受到來自于神經(jīng)末梢的乙酰膽堿，通過一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程（Ach-M3R-Gαq/11-PLC-PKC/PKD-IP6K1）磷酸化IP6K1，促進生成IP7（圖2）。進一步，作者通過構(gòu)建模擬磷酸化修飾的IP6K1 S118/121D突變體小鼠和β細胞IP6K1特異敲除的IP6K1fl/fl:MIP-Cre小鼠，并表征其相關(guān)代謝指標,發(fā)現(xiàn)副交感神經(jīng)調(diào)控胰島β細胞中的5-IP7生成，可以促進胰島素分泌和葡萄糖穩(wěn)態(tài)調(diào)控。如發(fā)現(xiàn)IP6K1 S118/121D鼠具有更高的血清胰島素水平，更好的葡萄糖耐受，并且其islets也具有更強的胰島素分泌能力。相反，IP6K1fl/fl:MIP-Cre小鼠表現(xiàn)出受損的葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌以及更差的葡萄糖耐受。由此，作者得出結(jié)論，IP6K1受副交感遞質(zhì)乙酰膽堿受體激活后，通過其酶活產(chǎn)物5-IP7實現(xiàn)促進胰島素分泌的功能。這是關(guān)于IP6K酶活的生理調(diào)控的首次報道，是中樞調(diào)控外周的一項新發(fā)現(xiàn)。

圖2: 乙酰膽堿受體-Gq-PLC-PKC信號通路對IP6K1的磷酸化修飾調(diào)控路徑和參與神經(jīng)調(diào)控代謝的生理背景。

研究團隊進一步解析了胰島素分泌相關(guān)突觸結(jié)合蛋白Syt7與磷酸肌醇復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，作者發(fā)現(xiàn)IP7可與PIP2競爭結(jié)合Syt7，從而抑制無刺激時的自發(fā)囊泡釋放。在鈣內(nèi)流刺激的胰島素囊泡與細胞膜融合過程中，鈣離子可與5-IP7結(jié)合，從而促進Syt7與細胞膜上的PIP2結(jié)合，催發(fā)SNARE介導(dǎo)的囊泡與細胞膜自然融合。而IP7的前體IP6與鈣離子的結(jié)合能力較弱，此差異在IP6K1激活時或IP6K1S118/121D突變體里被放大，導(dǎo)致鼠胰島素分泌高于正常水平（圖3）?；诖?，作者提出，當(dāng)Gq偶聯(lián)的GPCR被激活時，IP7是與Ca2+共同作用的“共發(fā)”信使(coincident messenger)來參與囊泡釋放。該工作首次發(fā)現(xiàn)IP7是Gq偶聯(lián)的GPCR的第二信使，與著名的信使分子cAMP有類通性（注：cAMP是Gs偶聯(lián)的GPCR的第二信使）。代謝小分子IP7更為廣泛重要的信使功能有待進一步挖掘。

圖3: 5-IP7與Ca2+作為乙酰膽堿受體GPCR通路下游的“共發(fā)”信使(coincident messenger)刺激胰島素囊泡釋放的作用模式圖。

南方科技大學(xué)饒楓課題組博士生張曉哲，博士生李娜、碩士生張雋、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王朝課題組博士生張彥申、以及饒楓課題組科研助理楊曉麗為本論文的共同第一作者。王朝教授和饒楓教授為本文的共同通訊作者。此外，工作得到了南方科技大學(xué)張明杰院士，廣州生物島實驗室韓衛(wèi)平教授、北京生命科學(xué)研究所齊湘兵研究員、華大基因任艷研究員、華中科技大學(xué)馬聰教授、南方科技大學(xué)肖國芝和張文清教授、南方科技大學(xué)第二附屬醫(yī)院姜楠教授以及西安交通大學(xué)王昌河教授團隊的支持與幫助。

該研究獲得了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)細胞動力學(xué)教育部重點實驗室、微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、雙一流建設(shè)專項資金，及國家自然科學(xué)基金、重點研發(fā)計劃等的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42255-021-00468-7

（細胞動力學(xué)教育部重點實驗室、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）