Nat Commun | 阮庆国/史伟云团队揭示胰岛β细胞中的miR-21在调控胰岛功能中的作用和机制

撰文︱刘芮伶

责编︱王思珍

编辑︱杨   婵

MiR-21 是重要的哺乳动物微小RNA（miRNA）之一，已被证明在多种癌症中显著上调[1]。由于大多数 miR-21 的靶标是肿瘤抑制因子，因此 miR-21 在细胞凋亡中的作用已得到充分研究[2-8]。糖尿病是一种复杂的代谢疾病，可导致失明、肾功能衰竭和心血管等疾病，而胰岛β细胞释放的胰岛素对于维持血糖稳态至关重要。虽然目前研究发现miR-21 的表达在葡萄糖耐受缺陷患者和2型糖尿病小鼠的胰岛中显著上调[9, 10]，但是胰岛β细胞中的miR-21在调控胰岛功能和2型糖尿病发生中的作用目前并不明确。

2022年6月21日，山东第一医科大学附属山东省眼科研究所阮庆国研究员/史伟云教授研究团队在Nature Communications在线发表了题为“MicroRNA-21 Promotes Pancreatic β cell Function through Modulating Glucose Uptake”的研究文章。该研究利用自主构建的胰岛β细胞miR-21条件敲除小鼠（miR-21β KO），发现miR-21促进胰岛β细胞的葡萄糖摄取和胰岛素分泌，而将 miR-21 特异性递送到 2 型糖尿病小鼠的胰腺中能够显著降低血糖水平。

胰岛β细胞响应葡萄糖浓度的变化而分泌胰岛素，这个过程被称为葡萄糖刺激的胰岛素分泌[11]。为了研究胰岛β细胞中的miR-21在调控胰岛功能中的作用，研究者首先构建了胰岛β细胞miR-21条件敲除小鼠（miR-21βKO），利用体内葡萄糖耐受实验发现，尽管该条件敲除小鼠的胰岛大小和数目与野生型小鼠相比较没有明显差别，但是它们表现出严重的葡萄糖耐受缺陷（图2b），并且缺失miR-21的胰岛产生的胰岛素显著减少（图2d-f）。研究者进一步明确miR-21调控胰岛β细胞中的胰岛素分泌而不是合成。

图2 胰腺β细胞特异性缺失miR-21小鼠表现出血糖耐受缺陷和胰岛素分泌减少

（图源：Liu RL,et al., Nat Commun, 2022）

为了研究miR-21如何促进胰岛素分泌，研究者对野生型和miR-21βKO小鼠的胰岛进行了mRNA 测序分析，发现在miR-21βKO小鼠的胰岛中有597个上调基因和293个下调基因（图3a, b）。进一步分析发现在miR-21βKO小鼠胰岛中上调的基因与钾离子转运、葡萄糖转运的负调节、跨膜转运的负调节和分泌的负调节通路相关（图3e），而下调的基因与葡萄糖响应、钙离子输入、钙依赖性胞吐作用、胰岛素分泌和胞内转运通路相关（图3f），这些数据表明参与胰岛素分泌的通路在 miR-21βKO 小鼠的胰岛中受损。通过葡萄糖摄取测定实验，研究者进一步证实miR-21βKO 小鼠胰岛中的葡萄糖代谢减少是由于葡萄糖摄取缺陷所致。

图3 WT和miR-21βKO小鼠胰岛的转录组学分析

（图源：Liu RL, et al., Nat Commun, 2022）

Glut蛋白是一组可促进葡萄糖跨质膜转运的跨膜蛋白[12]，为了确定miR-21促进葡萄糖摄取的机制，研究者比较了野生型和miR-21βKO小鼠胰岛中五种重要Glut蛋白的表达，发现Glut2在小鼠胰岛中的表达水平最高（图5a），并且在miR-21βKO小鼠胰岛中的表达显著降低（图5b-e）。研究者进一步证实在miR-21βKO小鼠的胰岛中利用腺病毒介导的Glut2过表达可完全恢复葡萄糖刺激的胰岛素分泌缺陷（图5f-h），以上结果表明miR-21通过上调Glut2的表达来促进胰岛素分泌。

图5  miR-21通过上调Glut2的表达促进胰岛素分泌

（图源： Liu RL, et al., Nat Commun, 2022）

微小RNA通常从转录后水平影响其靶标的表达[13]，但是研究者在Glut2 mRNA的3’非翻译区并没有发现miR-21的结合位点，这说明miR-21可能通过间接的方式调控Glut2的表达。进一步研究发现miR-21βKO小鼠胰岛中Pdcd4（Pdcd4是miR-21的一个重要靶点）的表达显著增加（图6a,b），而AP-1的表达显著降低（图6c）。降低Pdcd4和增加AP-1可以显著增加Glut2的表达（图6e,h），而抑制AP-1导致Glut2的表达降低（图6i）。以上结果表明胰岛β细胞中的miR-21可能通过miR-21-Pdcd4-AP-1-Glut2通路促进Glut2的表达（图6j）。

图6  miR-21通过miR-21-Pdcd4-AP-1通路促进Glut2表达

（图源： Liu RL, et al., Nat Commun, 2022）

由于以上研究结果表明 miR-21可以促进胰岛b细胞分泌胰岛素，研究者最后探讨了增加 miR-21 的水平是否可以改善胰岛素分泌，从而降低血糖水平。研究者首先利用体外实验证实在小鼠和人的胰岛中过表达miR-21可以显著增加Glut2的表达和葡萄糖刺激的胰岛素分泌。接下来研究者利用特异性靶向胰腺的转染试剂将miR-21导入2型糖尿病小鼠的胰腺中（图8a），发现miR-21可显著降低血糖水平（图8b）。

图8 将miR-21递送至2型糖尿病db/db小鼠的胰腺可降低血糖水平

（图源： Liu RL, et al., Nat Commun, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究利用胰岛β细胞miR-21条件敲除小鼠阐明了胰岛b细胞中的miR-21通过调控葡萄糖摄取从而促进胰岛素分泌，并进一步揭示miR-21通过miR-21-Pdcd4-AP-1-Glut2信号通路促进胰岛素分泌的分子机制。在此基础上，通过体外实验证实在小鼠和人的胰岛中过表达miR-21可以显著增加胰岛素分泌，通过体内实验证实将miR-21特异性导入2型糖尿病小鼠的胰腺中可显著降低血糖水平。虽然该研究成果可能为将来临床预防和治疗2型糖尿病提供新的手段和策略，并且目前已经有多个miRNA药物项目进入临床研究阶段，但是由于miRNA的靶标众多，很难做到特异性基因沉默，因而会产生不可预期的副作用。未来只有解决特异性作用的问题，miRNA药物或许才能够真正应用于临床。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31317-0

山东第一医科大学附属山东省眼科研究所的阮庆国研究员和史伟云教授是该论文的共同通讯作者，青岛大学基础医学院的刘芮伶（博士后）和中科院深圳先进技术研究院的刘翠莲博士（目前工作单位：深圳大学生命与海洋科学学院）是该论文共同第一作者。该研究得到了深圳市科创委基础研究项目的支持。

通讯作者阮庆国（左），第一作者刘芮伶（右）

（照片提供自：山东第一医科大学附属山东省眼科研究所阮庆国团队）

通讯作者简介：

阮庆国，研究员，博士毕业于美国佛罗里达大学，在美国宾夕法尼亚大学完成博士后训练，回国后先后在中科院深圳先进技术研究院和山东第一医科大学附属山东省眼科研究所担任研究员。入选中科院特聘研究员计划、中科院“百人计划”、山东省高层次人才和深圳市孔雀计划人才。主要研究领域是炎症疾病和糖尿病的发病机制研究，在国内外杂志如Science, Immunity, J Exp Med, PNAS, Nat Commun和Diabetes等共发表了50余篇SCI论文。

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[1] Selcuklu SD, Donoghue MT, Spillane C. miR-21 as a key regulator of oncogenic processes. Biochem Soc Trans 2009, 37(Pt 4): 918-925.

[2] Pfeffer SR, Yang CH, Pfeffer LM. The Role of miR-21 in Cancer. Drug development research 2015, 76(6): 270-277.

[3] Liu HY, Zhang YY, Zhu BL, Feng FZ, Yan H, Zhang HY, et al. miR-21 regulates the proliferation and apoptosis of ovarian cancer cells through PTEN/PI3K/AKT. Eur Rev Med Pharmacol Sci 2019, 23(10): 4149-4155.

[4] Liu L, Wang L, Li X, Tian P, Xu H, Li Z, et al. Effect of miR-21 on apoptosis in hepatoblastoma cell through activating ASPP2/p38 signaling pathway in vitro and in vivo. Artif Cells Nanomed Biotechnol 2019, 47(1): 3729-3736.

[5] Qiu YF, Wang MX, Meng LN, Zhang R, Wang W. MiR-21 regulates proliferation and apoptosis of oral cancer cells through TNF-alpha. Eur Rev Med Pharmacol Sci 2018, 22(22): 7735-7741.

[6] Sims EK, Lakhter AJ, Anderson-Baucum E, Kono T, Tong X, Evans-Molina C. MicroRNA 21 targets BCL2 mRNA to increase apoptosis in rat and human beta cells. Diabetologia 2017, 60(6): 1057-1065.

[7] Ma X, Conklin DJ, Li F, Dai Z, Hua X, Li Y, et al. The oncogenic microRNA miR-21 promotes regulated necrosis in mice. Nat Commun 2015, 6: 7151.

[8] Ruan Q, Wang P, Wang T, Qi J, Wei M, Wang S, et al. MicroRNA-21 regulates T-cell apoptosis by directly targeting the tumor suppressor gene Tipe2. Cell death & disease 2014, 5: e1095.

[9] Bolmeson C, Esguerra JL, Salehi A, Speidel D, Eliasson L, Cilio CM. Differences in islet-enriched miRNAs in healthy and glucose intolerant human subjects. Biochem Biophys Res Commun 2011, 404(1): 16-22.

[10] Roggli E, Britan A, Gattesco S, Lin-Marq N, Abderrahmani A, Meda P, et al. Involvement of microRNAs in the cytotoxic effects exerted by proinflammatory cytokines on pancreatic beta-cells. Diabetes 2010, 59(4): 978-986.

[11] Cheng K, Andrikopoulos S, Gunton JE. First phase insulin secretion and type 2 diabetes. Curr Mol Med 2013, 13(1): 126-139.

[12] Thorens B. GLUT2, glucose sensing and glucose homeostasis. Diabetologia 2015, 58(2): 221-232.

[13] Vishnoi A, Rani S. MiRNA Biogenesis and Regulation of Diseases: An Overview. Methods in molecular biology (Clifton, NJ) 2017, 1509: 1-10.

本文完