胞浆pH是连接环境线索与胰岛素处理和分泌的直接纽带

2024-08-13 Tue
细胞溶质pH值在胰腺β细胞中环境信号与胰岛素加工和分泌之间的直接纽带背景介绍胰腺β细胞通过调节胰岛素的加工和分泌，对葡萄糖波动作出积极响应。然而，在复杂多变的微环境以及β细胞自身状态下，这一过程是如何精细调节的，以及其功能障碍是否与代谢疾病有关，仍未完全揭示。这里，我们展示了β细胞中的细胞溶质pH值（cytosolic pH，pHc）在接受葡萄糖挑战时会增加，该变化由Smad5通过其核细胞质穿梭感知。Smad5缺陷导致胰岛素加工和分泌不足，从而引起高血糖和葡萄糖耐受不良。Smad5在胰岛素加工和分泌中的作用归因于其通过调节V-ATPase活性来实现分泌颗粒酸化的非经典功能。
研究来源这项横断性的研究由Yujiang Fang领导，团队成员包括Hexi Feng、Bowen Zhang以及Shuwei Zhang等人，来自上海同济大学转化医学中心、脑与类脑智能转化研究所、脊柱与脊髓损伤修复再生教育部重点实验室和上海交通大学附属儿童医学中心等多家机构。研究成果发表于《Cell Metabolism》杂志2024年6月4日刊。
研究流程与方法研究过程详细介绍流程解析：细胞溶质pH值的测定：
研究者通过葡萄糖刺激和细胞溶电位氟索（BCECF）的加载，测定了离散胰岛细胞的细胞溶质pH值。实验结果显示，高葡萄糖引起溶质pH值的显著升高。
Smad5跨膜穿梭与磷酸化状态：
通过GFP-Smad5报告小鼠的胰岛细胞，研究者进行时间序列分析，发现高葡萄糖刺激下，GFP-Smad5在10-15分钟内从细胞核穿梭到细胞质。与外泌质替代物处理后，验证了这一穿梭现象依赖于细胞质碱化和核输出受体Crm1活性。
高脂肪饮食诱导的葡萄糖不耐症：
HFD处理小鼠显示出高葡萄糖情况下的Smad5核细胞质穿梭明显减弱，说明HFD诱导的有害微环境降低了β细胞的细胞溶质pH。因此，研究者推测碱化Smad5的细胞质分布可纠正HFD诱导的葡萄糖不耐症。
遗传干预与碱性水的应用：
将Smad5突变小鼠与碱性水处理结合，发现几乎完全恢复了HFD小鼠的血糖不耐症状。碱性水增强了葡萄糖引起的Smad5细胞质积累，表明其改善了受损的微环境和局部酸度。
主要实验结果高葡萄糖刺激引起细胞溶质pH值增加：
测定结果显示，高葡萄糖条件下，胰岛细胞的细胞溶质pH值显著上升。同时，高葡萄糖刺激引起的Smad5细胞质积累依赖于核输出受体Crm1。
Smad5缺失导致的胰岛素分泌缺陷：
Smad5敲除小鼠显示出空腹血糖升高且葡萄糖耐受不良。Fastig血糖测定和葡萄糖耐量测试进一步证实，这种葡萄糖耐受不良现象持续存在。
V-ATPase 酸化作用：
实验发现V-ATPase在分泌颗粒酸化中的作用对于胰岛素加工和分泌至关重要。Smad5通过调节其活性，促进了质子泵的功能，保证了胰岛素加工的效率。
结论与意义科学价值：
研究表明，细胞溶质pH值作为一个直接信号，链接了环境线索与胰岛素加工和分泌过程。Smad5在这个过程中起到敏感pH变化的“传感器”作用，并通过调节V-ATPase活性实现分泌颗粒的酸化，确保胰岛素的正确加工和分泌。
应用价值：
研究提出了一种新的潜在治疗策略，即通过调节Smad5核输出或细胞质碱化来纠正由于高脂肪饮食引起的胰岛素加工和分泌缺陷，进而改善高脂肪饮食引起的糖尿病症状。
研究亮点：
研究首次证实了细胞溶质pH值在人胰岛β细胞内的信号作用。
通过对Smad5的操作（如遗传敲除、突变或碱性水处理），证明其在调节胰岛素加工和分泌中的关键性非经典功能。
提出了一种新的治疗糖尿病的方法，即通过调整细胞溶质pH值和Smad5的细胞质分布改善胰岛素分泌过程。
研究意义与展望该研究揭示了细胞溶质pH值在胰岛素加工与分泌中的决定性作用，对于理解β细胞的功能调节机制提供了新的视角。揭示了Smad5不仅在传统的骨形态发生蛋白信号传导路径中扮演角色，也具有重要的非经典功能。未来有必要进一步探索Smad5与其他信号通路的关系，以及在病理状态（如肥胖和糖尿病）下这些路径如何相互作用。通过深入研究，可能为发展新的糖尿病治疗策略提供可靠依据。