单元格元数据。作者手稿;PMC 2011年4月7日发布。
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尼姆斯:美国国立卫生研究院191772
胰腺β细胞需要NeuroD来实现和维持功能成熟
,1 ,1 ,1 ,2 ,1 ,2 ,三 ,4 ,4 ,5,7和1,6
顾春燕
1科罗拉多大学博尔德分校分子、细胞和发育生物学系,科罗拉多州博尔德80309-0347
格雷琴·H·斯坦
1科罗拉多大学博尔德分校分子、细胞和发育生物学系,科罗拉多州博尔德80309-0347
宁潘
1科罗拉多大学博尔德分校分子、细胞和发育生物学系,科罗拉多州博尔德80309-0347
桑德拉·戈培尔
2德国哥廷根马克斯·普朗克实验医学研究所神经遗传学系,37075
汉娜·霍恩伯格
1科罗拉多大学博尔德分校分子、细胞和发育生物学系,科罗拉多州博尔德80309-0347
克劳斯·阿明中堂
2德国哥廷根马克斯·普朗克实验医学研究所神经遗传学系,37075
佩德罗·埃雷拉
三日内瓦大学医学院遗传医学与发展系,瑞士日内瓦CH-1211
克劳斯·凯斯特纳
4宾夕法尼亚州费城宾夕法尼亚大学遗传学系
洛里·苏塞尔
5哥伦比亚大学遗传与发展系,纽约州纽约市,邮编:10032
杰奎琳·E·李
1科罗拉多大学博尔德分校分子、细胞和发育生物学系,科罗拉多州博尔德80309-0347
1科罗拉多大学博尔德分校分子、细胞和发育生物学系,科罗拉多州博尔德80309-0347
2德国哥廷根马克斯·普朗克实验医学研究所神经遗传学系,37075
三日内瓦大学医学院遗传医学与发展系,瑞士日内瓦CH-1211
4宾夕法尼亚州费城宾夕法尼亚大学遗传学系
5哥伦比亚大学遗传与发展系,纽约州纽约市,邮编:10032
7通讯作者:Lori Sussel,哥伦比亚大学遗传与发展系,纽约,NY 10032,电话:212-851-5115,传真:212-851-5236,ude.aibmuloc@2sgl 6当前地址:Geron Corporation,230 Constitution Dr.,Menlo Park,CA 94025
介绍
糖尿病是一种代谢性疾病,涉及胰腺胰岛素分泌β细胞的死亡或功能障碍。虽然糖尿病可以通过胰岛素和其他药物进行治疗,但通过这些手段很难实现生理葡萄糖稳态,而高血糖在很大程度上是与糖尿病相关的共病性的原因。因此,许多关于糖尿病的研究旨在了解胰岛β细胞发育、存活和调节胰岛素分泌的分子和细胞基础,以发现在糖尿病患者中恢复β细胞或其功能的方法。
NeuroD是一种基本的螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子,对胰腺的发育至关重要(Chae等人,2004年;Chao等人,2007年;Huang等人,2002年;Malecki等人,1999年;Naya等人,1997年;Naya等人,1995年).神经元D-无效小鼠出生后不久死于严重糖尿病;他们的α和β细胞分化不良,胰岛无法形成,大多数β细胞丢失(Naya等人,1997年). 虽然神经D在胰腺发育过程中的时空表达模式已经被描述(Chae等人,2004年)其分子、细胞和生理作用尚不清楚。NeuroD已被证明对胰岛素基因表达至关重要在体外(Naya等人,1995年;邱等,2002); 然而,神经D-空白胰腺中的胰岛素含量是对照组的10-15%,这一量已被证明足以维持小鼠的生存能力(Bonner-Weir等人,1983年). 因此神经性D-null小鼠不太可能是其严重高血糖和新生儿死亡的唯一原因。
在人类中神经D会使个体容易患上年轻人的成熟型糖尿病(MODY6)(Malecki等人,1999年)表明NeuroD在成熟β细胞中起着关键作用。为了分离NeuroD的β细胞功能,我们制作了小鼠,其中神经D在表达胰岛素的细胞中被删除(神经DloxP/−; RIP:Cre小鼠,以下简称神经Dβ-CKO小鼠)。同时,我们还生成了小鼠,其中神经D在成熟β细胞中以可诱导的方式被删除(三苯氧胺注射的NeuroDloxP/−; Pdx1:CreER公司™成年小鼠,以下简称神经DPE-CKO小鼠)。不同神经D-无效小鼠,神经Dβ-CKO和神经DPE-CKO小鼠无胰岛形成障碍,可存活至成年。然而,它们是轻度高血糖,含有正常量的一半胰岛素。令人惊讶的是,在每一个测试的神经D突变体模型中,几乎所有的胰岛素都来源于ins2(英寸2),而很少或没有表达插入1检测到。虽然这两种啮齿动物有不同的调节胰岛素基因已经在前面描述过了(Deltour等人,1993年;Giddings等人,1991年;Ling等人,1998年),没有转录因子与此现象相关体内.
尽管神经Dβ-CKO小鼠应足以维持正常血糖,这些小鼠严重糖耐量不足,胰岛素分泌大大减少。孤立的胰岛神经Dβ-CKO小鼠对高糖和其他燃料分泌促进剂反应较差,但在外源KCl使整体膜去极化后完全能够分泌胰岛素。进一步的生理学分析神经Dβ-CKO胰岛表明,它们具有新生儿胰岛的许多特征,对葡萄糖反应较差。例如,神经Dβ-CKO胰岛乳酸脱氢酶(LDH-A)和基础耗氧量升高,神经肽Y过度表达,所有这些都与胎儿和新生儿β细胞有关(S.Bonner-Weir,个人通讯(阿斯普伦德和海勒斯特罗姆,1972年;Boschero等人,1990年;Freinkel等人,1984年;Rozzo等人,2009年)). 成人β细胞中NeuroD的缺失(神经DPE-CKO小鼠)同样会导致葡萄糖不耐受和转化为未成熟的β细胞特征。出生后胰腺成熟的关键特征之一是获得葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS),这对β细胞功能至关重要。缺少此功能神经Dβ-CKO胰岛首次证明NeuroD对维持β细胞成熟和功能至关重要,这可以解释NeuroD在MODY6中的作用(Malecki等人,1999年).
结果
糖耐量受损和胰岛素分泌失败神经Dβ-CKO小鼠
为了研究NeuroD在成熟β细胞中的作用,我们制作了RIP:Cre转基因的条件敲除小鼠(埃雷拉,2000)用于删除神经性D大约90%的分化的胰岛素分泌细胞(神经Dβ-CKO;图S1A-C). 虽然NeuroD被认为是胰岛素基因(Naya等人,1995年;Qiu等人,2002年),包括男性和女性神经Dβ-CKO小鼠存活下来,在外观和体重方面与对照组同窝小鼠无明显区别(数据未显示)。新生儿神经Dβ-CKO小鼠(P1.5)的血糖浓度高于对照组小鼠,且变化更大。在成熟期(1–8周)和成年期(10–24周)定期测量血糖表明,突变小鼠喂食随意轻度高血糖()血糖水平的变异性更大:突变小鼠11%的读数≥250 mg/dL,而对照小鼠为0%(每个基因型n=148–149)。这些高血糖发作发生在其他时间血糖正常的小鼠中,这表明高血糖发作不是少数个别小鼠的固有特性。
β细胞特异性消融术的生理效应神经D(A) 血糖水平神经D喂食β-CKO和对照小鼠随意:P1.5(n=9–21)、1–8周(n=114–115)和10–24周(n=34–35)。(B) 血糖水平神经Dβ-CKO和对照小鼠禁食16小时并喂食小鼠食物(每个基因型9只)。(C) 葡萄糖耐量试验神经Dβ-CKO和对照小鼠(每个基因型10–11只)。(D) 葡萄糖耐量试验神经DloxP/−; PE-Cre和神经DloxP/+; PE-Cre三苯氧胺前注射和后注射(n=8-9每种类型)。这个神经DloxP/−; 注射三苯氧胺的PE-Cre小鼠被视为神经DPE-CKO公司。(E) 禁食(16小时)或喂食后的血浆胰岛素水平随意(每个基因型9–16个)。(F) 葡萄糖注射后的血浆胰岛素水平(每个基因型5–7个)。。(G) 自由进食、禁食(5小时)或禁食(16小时)的血浆胰高血糖素水平(每个基因型10–17个)。(H) G6Pase在对照组和神经D禁食16小时(0)和注射葡萄糖后90分钟(90′)的β-CKO。数值标准化为β2-微球蛋白mRNA和表达与对照组相关(每个基因型n=5)。*P≤0.05,**P≤0.01,***P≤0.001。
确定是否神经Dβ-CKO小鼠具有葡萄糖不耐受性,年轻成年小鼠(1-3个月)白天禁食5小时或过夜16小时,然后喂食随意或腹腔注射葡萄糖(2g/kg体重)。在这两种情况下,突变小鼠的空腹血糖水平显著升高。喂食或注射葡萄糖后,他们的血糖水平上升到兄弟姐妹对照组小鼠的两倍,并且需要更长的时间才能恢复到稳态水平(和图S2A).
葡萄糖不耐受表现为神经Dβ-CKO小鼠与神经D-null小鼠,出生后不久死亡,伴有严重和持续的高血糖(>500mg/dl)。这种差异表明,NeuroD在定向β细胞中具有不同于其早期发育功能的独特功能。为了证实神经Dβ-CKO小鼠不依赖于发育缺陷,我们通过杂交产生了他莫昔芬诱导的小鼠神经D液氧磷/液氧磷患有Pdx:CreER的小鼠™;神经D +/−表达可诱导Cre重组酶(CreER)的小鼠™)在Pdx-1启动子的控制下(Gu等人,2002年). 成年小鼠注射三苯氧胺(神经DloxP−; Pdx-1:CreER公司™)减少了94%神经D完全发育的β细胞和这些小鼠的mRNA(神经DPE-CKO)在治疗后三周内出现葡萄糖不耐受(). 这些结果表明,葡萄糖不耐受是β细胞中缺乏NeuroD的小鼠的一个特征,无论其年龄在删除神经D.
葡萄糖不耐受可能是由于缺乏葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)、胰岛素在外周组织中的作用减弱或两者兼而有之。为了区分这些可能性,我们测量了神经Dβ-CKO和对照小鼠(). 在禁食动物中,对照小鼠的血浆胰岛素水平在0.29–0.63 ng/ml之间,而神经Dβ-CKO在0.18–0.32 ng/ml时显著降低(p<0.001)。尽管喂食对照组和突变组小鼠的平均血浆胰岛素没有显著差异随意在对照组中,其范围为0.47–2.64 ng/ml,而在神经Dβ-CKO小鼠。在腹腔内注射葡萄糖后观察到更显著的差异,因为神经Dβ-CKO小鼠在受到葡萄糖攻击时,胰岛素分泌反应较差(). 在突变小鼠中,第一阶段和第二阶段的反应都较小,并且发展较慢。因此,神经Dβ-CKO小鼠严重缺乏GSIS,导致葡萄糖不耐受。
此外,还测试了小鼠对外源性胰岛素的吸收能力。虽然突变小鼠的空腹血糖水平较高,但它们摄取葡萄糖的能力与对照组没有显著差异(图S2B). 该结果表明神经Dβ-CKO小鼠没有胰岛素抵抗,这进一步支持了由于胰岛素分泌缺陷而导致葡萄糖不耐受的假设。
由于葡萄糖稳态部分取决于葡萄糖储存和释放的平衡,我们研究了胰高血糖素水平的异常或肝糖异生的扰动是否有助于神经Dβ-CKO小鼠。血浆胰高血糖素水平在神经D无论是否喂食β-CKO小鼠与对照小鼠随意、禁食5小时或通宵禁食16小时(). 这些结果表明,胰高血糖素分泌的异常并不能解释神经Dβ-CKO小鼠。我们还研究了小鼠对肝葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)的调节是否存在差异,G6Pase是糖异生的指示物。突变小鼠和对照小鼠在隔夜禁食时肝脏G6Pase mRNA的数量相似,表明这两种情况下都同样刺激了糖异生(). 然而,在葡萄糖注射后90分钟,突变小鼠的G6Pase mRNA没有下降。因为胰岛素是G6Pase表达的强大抑制剂(Onuma等人,2009年),未能下调G6Pase mRNA神经Dβ-CKO小鼠可能是由于其严重的胰岛素分泌缺陷。因此,在神经Dβ-CKO,持续的糖异生可能会加剧葡萄糖激发期间的高血糖。
胰岛形态和β细胞表型神经Dβ-CKO胰腺
因为神经D-空白小鼠不能形成成熟的胰岛(Naya等人,1997年),我们调查了神经性Dβ-CKO小鼠由于胰岛形成和/或维持缺陷而出现葡萄糖不耐受。用胰高血糖素、胰岛素、生长抑素和胰多肽抗体分别对围生期和7周龄小鼠的胰腺进行染色,作为α、β、δ和PP细胞的标记物。尽管神经Dβ-CKO小鼠形成与对照小鼠大小相似的胰岛,其α、δ和PP细胞混合在β细胞核心而不是位于外围(;图S3A–B;图S5A-B; 数据未显示)。有趣的是神经性DPE-CKO小鼠没有出现胰岛结构紊乱,这表明该表型与发育缺陷有关(;图S5C–D). 胰岛素和生长抑素共同染色的细胞数量在两组中均增加神经Dβ-CKO和神经性DPE-CKO小鼠。同时表达胰岛素和生长抑素的细胞在神经Dβ-CKO小鼠:0.77%的胰岛素阳性细胞共同表达生长抑素,而对照组为0.013%(). 然而,所涉及的细胞总数很少,因此可能对神经Dβ-在神经Dβ-CKO和对照小鼠,表明突变β细胞中的其他β细胞特征完整(图S3C–D). 为了确定葡萄糖缺乏反应是否发生在葡萄糖跨膜转运水平,我们检测了细胞内谷氨酸-2的水平神经Dβ-CKO小鼠,通过免疫染色定量测定,发现突变β细胞的谷氨酸-2蛋白仅为对照细胞的一半(). 然而,神经DPE-CKO小鼠也是葡萄糖不耐症小鼠,在开始三苯氧胺治疗后的3周和2个月,其胰岛中的谷氨酸2含量正常(;图S5E–F)表明谷氨酸-2的减少与两种菌株中观察到的葡萄糖不耐受无关。重要的是,Pdx-1、Nkx6.1和MafA都是β细胞转录因子,参与胰岛素转录的激活和胰岛素分泌的调节(Ohlsson等人,1993年;Schisler等人,2005年;Wang等人,2007年),不受神经D缺失的影响(图S3E–J,L). 这些结果表明,在神经Dβ-CKO小鼠不是这些转录因子调节改变的次要结果。
β细胞特异性消融对神经性D论胰岛特性(A–D)对照组胰腺切片,神经Dβ-CKO和神经D对PE-CKO小鼠进行胰岛素(绿色)和胰高血糖素(红色,A-D)或生长抑素(红色的,E-H)免疫染色。细胞核用DAPI(蓝色)染色。(F)和(H)中的白色箭头表示胰岛素和生长抑素共染细胞。原始放大倍数为200倍。(I–L)对照组中谷氨酸-2(红色)的表达,神经Dβ-CKO和神经DPE-CKO胰腺。原始放大倍数为200倍。
因为凋亡增加了10倍神经D-无鼠标(Naya等人,1997年),我们研究了细胞凋亡是否也增加神经Dβ-CKO小鼠。我们通过活化caspase 3的免疫染色检测细胞凋亡;并通过PCNA和Ki67免疫染色检测代偿性β细胞增殖。总的来说,只有一小部分β细胞参与增殖(≤2%)或凋亡(≤2%神经Dβ-CKO和对照胰岛,表明分化β细胞中NeuroD的缺失不会导致细胞凋亡或增殖增加,这与在这些小鼠中观察到的正常胰岛面积一致。
的表达式胰岛素2,但不是胰岛素1,英寸神经性Dβ-CKO小鼠
β细胞中大量胰岛素染色的检测神经Dβ-CKO胰岛令人惊讶,因为先前的研究表明,神经D是胰岛素基因转录的关键因子(Naya等人,1995年;邱等,2002). 大于500个胰岛的形态定量显示,平均而言神经性Dβ-CKO胰岛是对照胰岛的一半。此外,尽管我们观察到对照组和对照组之间的胰岛大小或数量没有显著差异神经Dβ-CKO小鼠,神经Dβ-CKO胰腺中胰岛素含量为对照胰腺的53%(15.3±4.2 ug/mg vs.29.0±7.8 ug/mg蛋白质,n=7-13,p<0.001)。综合来看,这些数据表明神经Dβ-CKO胰岛含有正常量的一半胰岛素,这是因为每个细胞的胰岛素含量相应减少,而不是细胞数量减少。
因为啮齿动物表达两种密切相关的胰岛素基因,插入1和ins2(英寸2)(Davies等人,1994年),我们测量了每个胰岛素基因的表达水平,以确定剩余胰岛素的来源神经Dβ-CKO小鼠。在胰岛素和C肽1共表达的胰腺切片中,>90%的β细胞神经Dβ-CKO胰腺缺乏C肽1染色,表明它们不能表达插入1与之形成鲜明对比的是,所有突变的β细胞中都存在C肽2,这意味着ins2(英寸2)表达相对不受影响(). 一贯地,插入1转录本也减少了95%神经Dβ-CKO胰岛,而ins2(英寸2)转录物的存在水平与对照组相当(). 这些数据表明神经D不需要ins2(英寸2)表达体内,但对于插入1表达式。删除神经D在成人β细胞中使用神经DPE-CKO小鼠还导致插入1,但不是ins2、,表达式(). 差动调节插入1和ins2(英寸2)似乎不是与神经D条件等位基因,因为我们还检测到e18.5中剩下的少数β细胞中C肽1的免疫染色显著减少,而C肽2的免疫染色却没有显著减少神经D-无胰脏(图S4A–D). 此外,在神经D-空胚率逐渐下降ins1/ins2mRNA在e14.5和P0之间(图S4E). 在出生后可以观察到类似的现象神经Dβ-CKO小鼠,其中ins1/ins2mRNA在e18.5时从对照组的80%下降到2个月时<对照组的10%(图S4F).
删除神经D导致胰岛素1丢失(A–D)对照组胰腺切片,神经Dβ-CKO和神经DPE-CKO小鼠用胰岛素抗体(绿色)和C肽1抗体(红色)(A-B,E-F)或C肽2抗体(C-D,G-H)共同染色。(K) 定量RT-PCR插入1和ins2(英寸2)对照组的mRNA水平,神经Dβ-CKO和神经DPE-CKO小岛。数值标准化为β-肌动蛋白mRNA和表达与相应对照组相关(每个基因型n=4-6)。***P≤0.001。
以前的研究表明,小鼠可以缺少胰岛素基因和保持葡萄糖耐量(Leroux等人,2001年). 我们在年独立确认了这一结果插入1-空鼠标(未显示数据)。此外,对胰脏切除动物的研究表明,正常量的一半胰岛素足以维持葡萄糖的稳态(Bonner-Weir等人,1983年). 因此,胰岛素1的丢失就其本身而言也不能解释胰岛素分泌缺陷和葡萄糖不耐受神经Dβ-CKO小鼠。
离体胰岛刺激-分泌耦合缺陷神经Dβ-CKO小鼠
为了了解在神经D突变小鼠中观察到的缺陷GSIS的生理基础,我们刺激了从对照组和神经性D具有多种胰岛素分泌促进剂的β-CKO小鼠(). 分泌胰岛素的量被归一化为总胰岛素含量,以考虑到神经Dβ-CKO胰岛。我们发现,在基础条件下(2.8 mM葡萄糖),突变胰岛分泌的胰岛素比例更大(0.13±0.01%,对照组为0.05±0.01%)。然而,在16.7mM葡萄糖中静态孵育1小时期间,对照胰岛分泌1.0%的胰岛素,而神经Dβ-CKO胰岛只分泌0.26%的胰岛素(). 突变胰岛对亮氨酸的反应也很差(). 这些分泌缺陷似乎与缺乏易释放的胰岛素颗粒无关,因为暴露于神经Dβ-CKO胰岛对30mM KCl诱导的强劲胰岛素分泌与对照胰岛无显著差异().
胰岛素分泌曲线神经Dβ-CKO胰岛(A) 从对照组和神经D用不同的胰岛素促分泌剂(2.8mM葡萄糖、16.7mM葡萄糖、20mM亮氨酸、30mM KCl、50uM格列吡嗪和10mM丙酮酸甲酯)治疗的β-CKO小鼠。分泌的胰岛素归一化为胰岛中的总胰岛素(每个基因型6–10个)。(B) 定量RT-PCR基尔6.2,第1学期,短笛和编号2对照组和神经性Dβ-CKO胰岛。数据标准化为β-肌动蛋白mRNA(每个基因型3–8个)。(C) 控制呼吸率和神经Dβ-CKO小鼠胰岛与葡萄糖和寡霉素(OM)一起孵育(每个基因型n=6-17)。*P≤0.05,**P≤0.01,***P≤0.001。
广泛在体外和体内对与MODY相关的基因产物的研究表明,它们在葡萄糖敏感性-胰岛素分泌偶联中起主导作用(Giuffrida和Reis,2005年;Mitchell和Frayling,2002年). 因为Sur1是胰腺K的调节亚单位列车自动防护系统通道已被证明是NeuroD的转录靶点在体外(Keller等人,2007年;Kim等人,2002年),我们评估了神经Dβ-CKO小鼠表现出缺陷K列车自动防护系统通道功能。与K中的缺陷一致列车自动防护系统通道功能,神经Dβ-CKO胰岛对磺酰脲类药物格列吡嗪的反应较差,仅分泌0.22%的胰岛素含量,而对照胰岛分泌0.79%(). 有趣的是,K的mRNA表达没有差异列车自动防护系统通道基因(Kir6.2,kcnj11号机组)或其调节亚单位(Sur1,abcc8型)突变胰岛和对照胰岛之间()表明NeuroD在转录水平上不调节这些基因体内.
NeuroD仍有可能影响钾的其他方面列车自动防护系统渠道活动。这个神经Dβ-CKO胰岛对丙酮酸甲酯反应不良(Dufer等人,2002年)()并且缺乏连接K活性的分子列车自动防护系统调节胰岛素分泌所必需的其他机械部件的通道。短笛的表达(pclo(印刷电路板))和Noc2(电话3)β-CKO胰岛中两者均减少().Pclo公司编码连接K的胰岛素分泌复合物组装所必需的支架蛋白列车自动防护系统通道、L型钙通道和胰岛素颗粒进入功能单位(Shibaski等人,2004年),Noc2是GSIS所需的Rab效应器,通过与小的单体GTPase的相互作用(Cheviet等人,2004年).
我们还调查了在关闭K之前的步骤中是否存在缺陷列车自动防护系统通道输入神经Dβ-CKO胰岛。我们测量了O2消耗在低血糖和高糖培养的胰岛中,以测量导致ATP生成的氧化代谢程度。与对照组相比,突变胰岛的O2基本条件下的消耗(). 当受到高糖刺激时,O2与对照胰岛相比,突变胰岛的消耗量增加幅度较小,但总体上达到了相似的速度。几乎所有O2用ATP合酶抑制剂寡霉素A抑制突变和对照胰岛的消耗,这意味着它与ATP的生成有关(). 有趣的是神经Dβ-CKO胰岛类似于GSIS缺乏的新生儿胰岛(Boschero等人,1990年).
GSIS扩增缺陷神经Dβ-CKO胰岛
尽管KCl的整体膜去极化释放了正常量的胰岛素神经Dβ-CKO胰岛、它们对葡萄糖的反应而减少的胰岛素分泌、其他燃料促分泌剂和格列吡嗪表明它们在钙上游GSIS的初始阶段有缺陷2+大量涌入。因此,为了确定突变胰岛是否能够在Ca2+我们用BayK8644(一种专门开放L型电压敏感性钙通道(VDCCs)的药物)和16.7mM葡萄糖对其进行治疗。突变胰岛分泌的胰岛素占其总胰岛素的2.6%,是其对高糖单独反应的10倍,但仍低于对照胰岛分泌胰岛素的4.7%(). 使用20 mM L-精氨酸增强突变和对照胰岛的质膜去极化也获得了类似的结果。此外,一种增强GSIS扩增相的试剂(cAMP)(Doyle和Egan,2003年)也部分挽救了突变胰岛中的胰岛素分泌(). 因此,这两种治疗方法都不能完全挽救糖尿病患者的胰岛素分泌神经Dβ-CKO胰岛,表明突变胰岛在GSIS的初始和扩增期都有缺陷。
删除神经D导致NPY表达增加(A) 从对照组和神经D在16.7mM葡萄糖存在下,用不同的胰岛素促分泌剂(2uM BayK8644、20mM L-精氨酸和1mM二丁酰cAMP)处理β-CKO小鼠。分泌的胰岛素归一化为胰岛中的总胰岛素(每个基因型6–9个)。(B) 对照组NPY mRNA的定量RT-PCR,神经Dβ-CKO和神经DPE-CKO岛。数据标准化为β-肌动蛋白mRNA(每个基因型4–8个),并与相应的对照组相比较。(C–J)对照组胰腺切片中神经肽Y(红色)和胰岛素(绿色)的联合免疫染色神经性Dβ-CKO(C–D),神经Dβ-CKO(E–F),对照神经DPE-CKO(G-H)和神经DPE-CKO(I–J)。细胞核用DAPI(蓝色)染色。原始放大倍数为200倍。*P≤0.05,**P≤0.01,***P≤0.001。
腺苷酸环化酶活性是ATP转化为cAMP所必需的,它被神经肽Y(NPY)抑制,神经肽Y是一种出生后胰岛中正常表达降低的激素(图S6A–J; (莫托尔斯基和米歇尔,1988年)). 我们发现NPY mRNA在神经性Dβ-CKO和神经DPE-CKO胰岛,并且在每个菌株的突变β细胞中,NPY的免疫染色明显增加了40%以上(). β细胞中NPY的上调神经Dβ-CKO和神经DPE-CKO小鼠可能通过降低cAMP水平而导致其所观察到的GSIS缺陷。
糖酵解基因表达增加神经Dβ-CKO胰岛
GSIS受损,O比率升高2基础状态下的消耗和胰岛素分泌是神经Dβ-CKO胰岛和胎儿β细胞(Freinkel等人,1984年;休斯,1994年;Rozzo等人,2009年;Tu和Tuch,1996年). 调查是否神经Dβ-CKO胰岛的表达谱与功能未成熟的β细胞相似,我们对从神经Dβ-CKO胰脏及其同窝对照。68个基因显著受到神经Dβ细胞内(表S1-2). 这些结果表明,成人乳酸脱氢酶A(LDHA)的表达显著改变神经性Dβ-CKO胰岛。正常情况下,成熟的β细胞不同于大多数哺乳动物细胞类型,因为它们的乳酸脱氢酶(LDH)含量异常低(Schuit等人,1997年;Sekine等人,1994年). 相反,胎儿和新生儿β细胞的LDHA含量升高,糖酵解速率增加(图S6L; S.Bonner Weir,个人通讯。;(Boschero等人,1990年)). 令人惊讶的是,LDHA(乳酸脱氢酶a)mRNA和蛋白质在神经D低血糖和高糖状态下的β-CKO胰岛(). 因此,突变胰岛的LDHA活性增加了3.5倍,乳酸生成增加了2倍,LDHA免疫染色增加了>2倍(). 此外,神经Dβ-CKO胰岛有其他几个糖酵解基因的高表达,包括醛缩酶B、磷酸果糖激酶、肝型(PFKL)、磷酸三糖异构酶(TPI)、烯醇化酶1(ENO1)和丙酮酸激酶、肝和红细胞型(PKLR)(). 这些基因表达的变化表明神经Dβ-CKO胰岛。相反,其产物参与丙酮酸代谢和氧化磷酸化的关键基因在线粒体中的表达没有显著差异,如丙酮酸脱氢酶A1(Pdha-1)及其调节蛋白丙酮酸激酶1(PDK1)、琥珀酸脱氢酶C(SDHC)和ATP合酶(ATP6)(). 总的来说神经Dβ-CKO胰岛与糖酵解增加相一致,糖酵分解是新生儿β细胞的特征(Boschero等人,1990年). LDHA mRNA和免疫染色以及糖酵解基因表达在神经DPE-CKO胰岛,表明成人β细胞需要NeuroD来维持其成熟的代谢表型().
糖酵解基因表达增加(A) 糖酵解和线粒体功能相关基因的定量RT-PCR(每个基因型4–8个)。¶:误差线±1.85;†:误差线±3.78。(B–I)对照组胰腺切片中LDHA(红色)和胰岛素(绿色)的联合免疫染色神经Dβ-CKO(B–C),神经Dβ-CKO(DE),控制神经DPE-CKO(F–G)和神经DPE-CKO(H–I)。细胞核用DAPI(蓝色)染色。原始放大倍数为200倍。(J) 低糖(2.8 mM)和高糖(16.7 mM)的LDHA蛋白增加神经Dβ-CKO胰岛。(K–L)LDHA活性增加,乳酸生成增加神经Dβ-CKO胰岛(n=8-11)。*P≤0.05,**P≤0.01,***P≤0.001。
讨论
众所周知,NeuroD对β细胞发育和胰岛素转录很重要,但对β细胞的发育和成熟β细胞功能的哪些方面需要NeuroC尚不清楚。为了确定NeuroD在成熟β细胞中的特定作用,我们生成了神经Dβ-CKO小鼠,其胰岛素分泌细胞群中的NeuroD在形成之初即被删除。这些小鼠存活下来,形成的胰岛含有正常量的一半胰岛素,但它们严重葡萄糖不耐受。为了确定成熟的成人β细胞是否需要NeuroD的持续功能,我们还删除了新生神经D成年小鼠(神经DPE-CKO)使用Cre重组酶的诱导表达,发现这些小鼠主要表现为神经Dβ-CKO小鼠。我们对这两种小鼠模型进行了广泛的分子、细胞和生理学分析,发现:1)尽管人们普遍认为NeuroD是胰岛素基因转录的关键转录因子,但NeuroC对于ins2(英寸2)小鼠基因表达;2) 虽然缺乏NeuroD的β细胞产生足够的胰岛素来支持葡萄糖稳态,但突变小鼠具有葡萄糖不耐受性,这表明NeuroC调节β细胞功能的其他方面与胰岛素转录;3) NeuroD的持续活性是β细胞正常功能所必需的,为MODY6提供了分子和生理基础;4)缺乏NeuroD的β细胞与未成熟的β细胞有着惊人的相似性,表明NeuroC在实现和维持β细胞成熟中起着重要作用。
轻度高血糖和严重葡萄糖不耐受
因为神经Dβ-CKO小鼠表现出严重的葡萄糖不耐受,似乎自相矛盾的是,它们在喂食时只是轻度高血糖随意。诱导的肝葡萄糖输出量变化不太可能解释这种表型,因为神经D禁食5小时或16小时的β-CKO小鼠的血浆胰高血糖素含量与对照小鼠相似。也有可能在随意由于不依赖于GSIS的机制导致的喂食条件。Sur1基因敲除小鼠在喂食时也存在葡萄糖不耐症,但血糖正常随意(Seghers等人,2000年)据信,由于胆碱能刺激胰岛素分泌,它们在进食时会分泌几乎正常量的胰岛素(Shiota等人,2002年). 类似的代偿机制可能调节神经D喂食β-CKO小鼠随意.
NeuroD调节β细胞成熟
孤立的胰岛神经Dβ-CKO小鼠的代谢特征类似于未成熟胰岛β细胞,后者存在于晚期胎儿或新生儿胰岛中。突变的β细胞和未成熟的β细胞都有胰岛素分泌颗粒,但缺乏GSIS。与成熟β细胞相比,未成熟β细胞的O2在基础条件下摄入、产生更多乳酸和分泌更多胰岛素(Boschero等人,1990年;Rozzo等人,2009年),这些特性也表征了神经Dβ-CKO胰岛。当受到高糖的挑战时,未成熟的β细胞不能像成熟的β电池那样显著增加其氧化代谢,因此不能分泌同样多的胰岛素(休斯,1994年;Rozzo等人,2009年;Tu和Tuch,1996年). 胎儿和新生儿胰岛中的糖酵解主要导致GSIS受损,GSIS依赖葡萄糖的氧化代谢。同样,我们发现一些糖酵解基因的表达,包括乳酸脱氢酶a(LDHA),在神经性Dβ-CKO和神经DPE-CKO岛。LDHA特别重要,因为它在胞浆中将丙酮酸转化为乳酸,从而阻止其在线粒体中的氧化代谢。LDHA在胚胎和新生儿胰腺中高水平表达,但在成人胰岛中下调(图S6L). 因此,成熟β细胞中LDHA的降低被认为对其将葡萄糖代谢与胰岛素分泌耦合的能力至关重要(Schuit等人,1997年;Sekine等人,1994年;Zehetner等人,2008年;Zhao和Rutter,1998年). 因此,NeuroD可能通过下调LDHA和其他糖酵解基因在β细胞成熟中发挥主要作用,因为这些变化对于成熟β细胞中葡萄糖和GSIS的有效氧化代谢是必要的。有趣的是,von Hippel-Lindau基因β细胞特异性敲除小鼠(超高速)还显示,由于LDHA和其他糖酵解基因的过度表达,低血糖时胰岛素分泌增加,GSIS降低(Zehetner等人,2008年). The phenotype of the超高速-Hif1α激活导致胰岛缺陷(Zehetner等人,2008年); 然而,这种途径不太可能在神经Dβ-CKO胰岛,因为Hif1α强烈上调的其他基因,包括蔬菜和pdk1型在中不受影响神经Dβ-CKO胰岛(数据未显示)。目前,我们没有证据表明LDHA或我们检测的糖酵解基因是NeuroD的直接靶点(Keller等人,2007年). 在小鼠和大鼠的LDHA启动子的-430位有一个典型的神经D E盒(CATCTG),但该位点在人类基因中并不保守。
神经元Dβ-CKO小鼠在GSIS机制方面存在缺陷,除了其不成熟的葡萄糖氧化代谢。特别地,神经Dβ-CKO胰岛对格列吡嗪介导的K关闭反应不佳列车自动防护系统频道。K封闭对胰岛素分泌的生理诱导列车自动防护系统通道涉及细胞溶质[Ca的升高2+]在停靠和启动胰岛素颗粒周围的微环境中(Bokvist等人,1995年). 胰岛素分泌复合物的形成促进了这一过程,该复合物将ATP传感器(Kir6.1和Sur1)、cAMP传感器(cAMPGEFII)、VDCC和胰岛素颗粒连接成一个功能单元(Shibaski等人,2004年). 因为神经D缺陷β细胞具有GSIS第一阶段所需的基本成分,即K列车自动防护系统通道、VDCC、易释放胰岛素颗粒和ATP-偶联O2消费,我们假设它们缺乏GSIS,因为它们缺乏这些成分共同发挥作用所必需的结构。为了支持这一假设,我们发现神经Dβ-CKO胰岛中短笛的表达减少,短笛是一种大的支架蛋白,可能是Ca2+有助于形成这种复合物的传感器,以及Noc2,一种与胰岛素分泌颗粒相关的Rab效应器,是高效GSIS所必需的(Cheviet等人,2004年). NeuroD对关键的细胞外蛋白如SNAP25和syntaxin1A的表达也很重要(石冢等人,2007年). 鉴于缺乏神经D的β细胞明显不成熟,我们的假设进一步表明胰岛素分泌复合物的形成可能是β细胞成熟的关键步骤。
内分泌胰腺中的早期前体细胞共同表达胰岛素和神经肽Y(NPY),但随着发育的进行,β细胞中的NPY减少(图S6A–J; (Teitelman等人,1993年)). NPY抑制腺苷酸环化酶和cAMP的生成(莫托尔斯基和米歇尔,1988年),这是高效GSIS所必需的。NPY在GSIS中的抑制作用已在几种啮齿动物模型和孤立的胰岛中得到证实(Imai等人,2007年;Myrsen-Axcrona等人,1997年;Myrsen等人,1995年;Wang等人,1994年). 与缺乏NeuroD的β细胞的未成熟状态和受损GSIS相一致,NPY mRNA和蛋白质在两种细胞中都显著增加神经Dβ-CKO和神经DPE-CKO岛。因此,NeuroD似乎在激活β细胞成熟特异性基因和下调未成熟β细胞特异性基因方面发挥着全球作用。最近的一项研究表明,新生儿胰岛显示出不同于成人胰岛的分子特征,并确定了一些在围产期短暂表达的标记物(Aye等人)。为了支持我们的假设,编码新生儿β细胞标志物之一CK19的基因在神经Dβ-CKO胰岛(图S6M).神经元D在出生后的早期成熟期,mRNA水平也逐渐增加(图S6K); 然而,由于NeuroD的活性也取决于翻译后和翻译后的调节,我们需要进一步确定这些基因表达变化中的哪些是由NeuroD的直接或间接调节引起的。
NeuroD对创造适合治疗的β细胞的重要性
创建适合移植到糖尿病患者体内的功能性β细胞是糖尿病治疗研究的主要目标。尽管许多研究试图从多种不同的细胞来源中产生β细胞,但它们仅在诱导β细胞分化方面取得了部分成功(D'Amour等人,2006年;Jiang等人,2007年). 同时,生成成熟的β细胞,在低血糖时严格控制胰岛素分泌,在高糖时产生强大的GSIS反应在体外尚未成功。我们的研究神经性Dβ-CKO和神经DPE-CKO小鼠已经证明,在发育过程中,β细胞从未成熟状态过渡到成熟状态需要NeuroD,并且NeuroC对于维持成年β细胞的成熟状态至关重要。因此,了解NeuroD在促进β细胞成熟中的作用有助于指明实现β细胞成熟的途径在体外.
方法
胰岛的免疫染色和形态计量分析
用4%多聚甲醛固定胰腺,冰冻切片,在−20°C下用甲醇:丙酮(1:1)固定5分钟,并用下列一级和二级抗体染色表S3在核因子染色前进行抗原提取。使用Slidebook 4.1软件(Intelligent Imaging Innovations)进行形态分析,以量化每个抗原染色的面积、强度和重叠。通过计数每个基因型的3个胰岛中的免疫染色细胞来确定NPY阳性β细胞的比例。
乳酸脱氢酶活性和乳酸测定
使用LDH检测试剂盒(Cayman)测量LDH活性,使用乳酸检测试剂盒分析乳酸生成量(Biovision)。有关更多详细信息,请参阅补充数据.
O的测量2消费
O(运行)2使用96孔BD氧气生物传感器板(BD)测量消耗量。在约50个胰岛/孔的BD氧气生物传感器板上添加平衡胰岛2在37°C的荧光板阅读器(Bio-Tek)中每隔1分钟测量一次消耗量。胰岛的DNA含量用皮戈格林染料(Invitrogen)测定。
胰岛素分泌测定
将平衡后的胰岛放置在24孔板孔中,每孔10–15个胰岛,400ul Kreb缓冲液含有2.8mM葡萄糖,培养1小时,收集上清液以测量基础胰岛素分泌。将胰岛转移到含有不同胰岛素促分泌剂的Kreb缓冲液中(见结果),并在收集上清液之前培养1小时。在500 ul裂解缓冲液(10 mM Tris pH7.5、200 mM NaCl和1mM EDTA)中对胰岛进行超声处理,并用酸性乙醇提取胰岛素。用大鼠胰岛素放射免疫试剂盒(Millipore)测量上清液和胰岛裂解物中的胰岛素。丙酮酸甲酯、二丁酰cAMP和Bay K8644购自Sigma。
微阵列
从成人胰岛提取总RNA,评估胰岛纯度,并匹配4对对照和突变RNA样本。使用Ovation扩增25 ng每个RNA样本™RNA扩增系统V2(Nugen,Inc.)。小鼠PancChip 6.0用于微阵列分析(Kaestner等人,2003年). 显示倍数变化>1.5、FDR≤5%的基因如所示表S1和S2。完整数据集可在ArrayExpress上获得,实验登录号为E-MTAB-152。
统计
结果表示为平均值±S.E.M.,显著性由学生的t吨-双尾非配对组的测试。P≤0.05被认为是显著的。