中国病理生理学会蛋白质修饰与疾病专委会饶枫团队

在Nature Metabolism杂志揭示5-IP7参与胰岛素分泌的分子机制

      近期，中国病理生理学会蛋白质修饰与疾病专委会秘书、南方科技大学生命科学学院研究员饶枫团队与合作者在Nature Metabolism发表了一项关于六磷酸肌醇激酶1（IP6K1）的调控方式以及5-IP₇参与胰岛素分泌的分子机制的研究成果（5-IP₇ is a GPCR messenger mediating neutral control of synaptotagmin-dependent insulin exocytosis and glucose homeostasis）。该研究解析了5-IP7参与胰岛素分泌的分子机制，揭示了其为GPCR第二信使的生理调控模式。

      糖尿病发生一般会伴有胰岛素水平的异常。因此，胰岛素分泌的严格调控对于机体维持葡萄糖稳态具有重要的生理病理意义。体内β细胞胰岛素分泌受到葡萄糖、激素、神经递质等的严格调控，副交感神经刺激胰岛素分泌是其中一种重要机制。副交感信号在β细胞里感知的信号通路以及如何刺激胰岛素囊泡释放，并不完全清楚。

      高级多磷酸肌醇是源于GPCR信使IP₃,由一系列肌醇激酶层级磷酸化所形成的代谢小分子，进化上保守但功能所知甚少 (图1)。南方科技大学生命科学学院饶枫课题组主要研究以高级多磷酸肌醇为代表的细胞内新兴小分子信使的功能机制。曾发现六磷酸肌醇（IP₆）是促进CSN-CRL泛素连接酶调控复合物组装的分子间“胶水”；还通过表征IP₆结合缺失的CSN2-K70E突变体小鼠，发现了一条感知葡萄糖刺激胰岛素分泌的蛋白质降解通路。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)的作用下与IP₆动态转换，具有信使分子的瞬时合成降解属性。根据IP6K敲除小鼠和细胞系的表型，IP₇应参与很多生理与疾病过程，如调控肿瘤细胞凋亡和转移的命运抉择【3,4】。但是，IP₇ 的普适性作用原理和所转导的生理信号通路尚不清楚。

图1: 高级多酸肌醇代谢分子的信使功能与机制研究。IP6K介导的IP₆-IP₇间的动态转换可能参与了细胞对外界信号/刺激/胁迫的应答。然而，IP6K参与应答的信号以及IP₇的靶标与作用机制未知。

      在此项研究中，作者首先解析了生理状态下IP6K1的磷酸化活化调控机制，在副交感神经激活时，分布于胰岛β细胞表面的乙酰胆碱受体接受到来自于神经末梢的乙酰胆碱，通过一系列信号转导过程（Ach-M3R-G_αq/11-PLC-PKC/PKD-IP6K1）磷酸化IP6K1，促进生成5-IP₇（图2A）。随后，作者通过构建模拟磷酸化修饰的IP6K1S118/121D突变体小鼠和β细胞IP6K1特异敲除的IP6K1^fl/fl:MIP-Cre小鼠，通过表征其相关代谢指标发现副交感神经刺激胰岛β细胞所生成的5-IP₇可促进胰岛素分泌和葡萄糖稳态调控。如发现IP6K1S118/121D鼠具有更高的血清胰岛素水平，更好的葡萄糖耐受。相反，IP6K1^fl/fl:MIP-Cre小鼠表现出受损的葡萄糖诱导的胰岛素分泌以及更差的葡萄糖耐受。由此，作者得出结论，IP6K1受副交感递质乙酰胆碱受体激活后，通过其酶活产物5-IP₇实现促进胰岛素分泌的功能。这是关于IP6K酶活的生理调控的首次报道，是中枢调控外周的一项新发现。

图2: 乙酰胆碱受体-Gq-PLC-PKC信号通路对IP6K1的磷酸化修饰调控路径和参与神经调控代谢的生理背景。

      为进一步解析IP₇促进胰岛素分泌的机制，作者系统表征了胰岛的数量、大小和胰岛素含量与囊泡对接程度，发现IP₇不参与这些过程。通过解析胰岛素分泌相关突触结合蛋白Syt7与磷酸肌醇复合物的晶体结构，作者发现IP₇可与PIP₂竞争结合Syt7，从而抑制无刺激时的自发囊泡释放。在钙内流刺激的胰岛素囊泡与细胞膜融合过程中，钙离子可与5-IP₇结合，从而促进Syt7与细胞膜上的PIP₂结合，催发SNARE介导的囊泡与细胞膜自然融合。而IP₇的前体IP₆与钙离子的结合能力较弱，此差异在IP6K1激活时或IP6K1S118/121D突变体里被放大，导致鼠胰岛素分泌高于正常水平（图3）。基于此，作者提出，当Gq偶联的GPCR被激活时，IP₇是与Ca²⁺共同作用的“共发”信使(coincident messenger) 来参与囊泡释放。

图3: 5-IP₇与Ca²⁺作为乙酰胆碱受体GPCR通路下游的“共发”信使(coincident messenger)刺激胰岛素囊泡释放的作用模式图。

      胰岛素分泌的异常和糖尿病相关，探究胰岛素分泌的机制对于糖尿病的治疗有重要的意义，我们的工作或可为干扰胰岛素分泌提供一个药物靶点。这对于糖尿病患者来说会是很有意义的事情。另外，该工作首次发现5-IP7是Gq偶联的GPCR的第二信使，与著名的信使分子cAMP有类通性（注：cAMP是Gs偶联的GPCR的第二信使）。5-IP7更为广泛重要的功能有待挖掘。这或许即将开启磷酸肌醇领域研究的新方向，对于进一步解析高级磷酸肌醇的功能具有重要意义。

      主要通信作者为中国病理生理学会蛋白质修饰与疾病专业委员会委员和秘书、南方科技大学生命科学学院饶枫教授。饶教授课题组长期从事高级磷酸肌醇的研究，主要关注其在代谢中的功能，致力于探索磷酸肌醇代谢酶的调控机制以及探究磷酸肌醇小分子的靶标蛋白，希望能够归纳磷酸肌醇分子的一般作用规律。近年来，先后在Nat Metab (2021), Nat Commun (2021), PNAS (2020,2016)和JBC（2020）等杂志发表多篇高质量研究论文，获得国家基金委优秀青年 (2021)，深圳市孔雀计划团队(2021)等项目。

饶枫教授

          中国病理生理学会蛋白质修饰与疾病专委会供稿

                                2021年12月22日