Cell Reports：多维组学揭示年龄改变影响胰岛β细胞代谢重编程的机制
景杰生物/解读
景杰编者按：糖尿病是一种因血液中葡萄糖水平过高所导致的疾病，其发病影响因素诸多，主要包括遗传、肥胖、年龄增长和缺乏运动等。胰岛素是由胰岛β细胞所分泌的降血糖激素，随着年龄的增长，胰岛β细胞的功能也日渐衰退，即使没有发生糖尿病，胞内控制细胞功能的遗传开关（genetic switches）也不能像年轻时那样有效地感受外界信号、执行分泌胰岛素的功能。
近日，一项发表在国际专业学术杂志Cell Reports 的研究中，来自加州大学圣地亚哥分校的Sander 教授团队运用蛋白质组学和靶向代谢组学的联合分析研究，揭示了与年龄相关的胰岛细胞代谢酶水平和胰岛素分泌能力改变的机制，对随年龄变化条件下胰岛β细胞的功能提供了新的认识。
实验思路：
1/ 定量蛋白质组学证明了胰岛蛋白水平变化与年龄相关
2/ 成年小鼠的胰岛表现出葡萄糖代谢酶水平和活性的增强
3/ 与年龄相关的代谢重编程增强了胰岛素分泌功能
图1. 实验思路和结论概览
1 定量蛋白质组学证明了胰岛蛋白水平的变化与年龄相关
作者从服用了15N氨基酸标记物的小鼠（14-week-old）和14N氨基酸无标记的小鼠（4-week-old和1-year-old）中分离出胰岛，并按照1：1混合提取蛋白后，通过15N SILAM MudPIT LC-MS/MS技术对蛋白丰度进行分析。
蛋白组学结果显示，成年小鼠中与胰岛β 细胞增殖功能相关的蛋白水平降低，与代谢相关的蛋白水平升高。同时通过GO、PPI等生信分析进一步揭示了胰岛β 细胞中GSIS（Glucose-Stimulated Insulin Secretion）的增加可能是由年龄相关的营养代谢变化引起。
图2. 不同年龄小鼠的胰岛β 细胞蛋白质组学研究
二、成年小鼠的胰岛表现出葡萄糖代谢酶水平和活性的增强
接下来作者通过实验深入分析，发现在高血糖的条件下，糖酵解和TCA 循环产生的代谢偶联因子可使成年小鼠β细胞功能增强。为了进一步验证实验结论，作者建立了葡萄糖示踪和靶向代谢组学的综合分析技术，对胰岛内分泌细胞的葡萄糖代谢变化进行了评估分析。结果表明，伴随年龄而增强的线粒体代谢酶丰度与葡萄糖刺激后TCA代谢产物积累增多有关。
图3. 线粒体代谢酶水平的增加和成年小鼠胰岛增强的葡萄糖代谢相关
三、与年龄相关的代谢重编程增强了胰岛素分泌功能
在TCA代谢物中，苹果酸与GSIS的调控关系更为密切。作者通过检测丙酮酸-柠檬酸循环和丙酮酸-苹果酸循环两个途径中共有的关键酶，Pcx和Me1，发现酶活性有明显增强趋势；随后进一步发现在葡萄糖刺激下，NADPH含量增加，且与幼鼠相比，在成年小鼠胰岛中NADPH/NADP+比值更高。
以上实验说明，在成年小鼠胰岛中， 葡萄糖进入TCA循环的含量增加和代谢偶联因子NADPH的产生增加，会引起与年龄相关的GSIS的增强。
图4. 成年小鼠中丙酮酸循环酶的活性和NADPH的合成增强
综上所述，研究者通过对幼年和成年小鼠的胰岛进行全蛋白定量组学分析，揭示了葡萄糖代谢途径中关键酶的丰度发生变化；进一步通过营养示踪和靶向代谢组学分析发现成年小鼠的胰岛中葡萄糖来源的代谢物和偶联因子的积累增强了葡萄糖刺激产生的胰岛素分泌。
作者的研究提供了与年龄变化相关的胰岛蛋白组的特征分析，并解析了代谢重编程作为胰岛β细胞功能随年龄变化的具体机制。
通讯作者简介
Maike Sander 教授
Maike Sander 教授是加州大学圣地亚哥分校医学工程研究所儿科糖尿病研究中心主任，也是儿科和细胞与分子医学系教授。Sander教授实验室致力于研究受糖尿病影响的胰腺β细胞产生胰岛素的功能分子机制。
参考文献
Matthew Wortham, et al., 2018, Integrated In Vivo Quantitative Proteomics and Nutrient Tracing Reveals Age-Related Metabolic Rewiring of Pancreatic β Cell Function, Cell Reports.
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