人体进食后,食物经由肠的消化分解成为葡萄糖进入血液中,体内血糖的升高会被胰腺中的beta细胞所感受到,通过复杂的分子过程然后触发细胞释放胰岛素,释放的胰岛素会作用于下游的靶器官,如肝脏,脂肪和骨骼肌等,从而抑制糖原的分解和促进葡萄糖的吸收,降低血糖水平。人体中胰腺beta细胞是唯一生产及分泌胰岛素的细胞,在血糖调控中起到非常重要的作用。不论是I型还是II型的糖尿病,胰岛素分泌的异常都是导致血糖调控紊乱的重要原因之一。因此,研究胰岛功能以及胰岛素、胰高血糖素等激素分泌的动力学变化对于阐明糖尿病的发病过程有着重要的意义。针对这个关键的科学问题,我们将结合电生理学、分子生物学和分子遗传学等手段,发展和应用先进的显微成像技术和分析手段,从分子—细胞——胰岛—动物活体这四个不同的层次阐明代谢相关疾病发生过程中胰岛素分泌的时空变化,以及这些变化与疾病发生和发展的关系。

主要研究方向:

糖尿病相关的胰腺β细胞钙信号和胰岛素分泌机制

发展新的光学成像技术和方法。

一、正常和糖尿病小鼠胰岛素分泌随时间变化的分子机制

不管是I型还是II型糖尿病在正式被诊断为糖尿病之前都有一段血糖水平正常或是间歇葡萄糖耐受不良的时间长短不定的静息期。而胰腺beta细胞功能的变化以及如何应对逐渐增高的血糖水平对于是否发病,以及发病的早晚至关重要。在I型和II型糖尿病病人和动物模型的早期都发现都存在一个过量胰岛素分泌的亢奋期,在亢奋期之后,随着时间的推移,细胞功能下降,胰岛素分泌减少,细胞凋亡增加,胰腺β细胞的减少和胰岛素分泌下调到一定程度会导致糖尿病的发生。实验证据表明,胰岛β细胞功能随时间的动态变化与糖尿病的发病过程密切相关,但其中的分子机制还不清楚。

围绕着这个科学问题,本实验室在国内做了一系列的工作。细胞内钙信号和胰岛素分泌是胰腺beta细胞功能的重要标志,胰腺beta细胞的钙信号直接决定了细胞的胰岛素分泌过程。因此,我们首先比较不同年龄正常小鼠和糖尿病小鼠的胰腺beta细胞中钙信号转导的异同。比较发现,不论是在I型糖尿病模型NOD小鼠,还是在II型糖尿病模型db/db小鼠上,发病早期胰腺β细胞内的葡萄糖刺激的钙信号动力学过程会发生变化。通过分别比较在正常和糖尿病前期的胰腺β细胞上不同的钙调控途径,我们发现不同糖尿病小鼠早期细胞的内质网上的SERCA钙泵蛋白都会受到显著抑制,导致细胞内的钙离子清除的过程变慢。

SERCA在胰腺β细胞里是最主要的钙清除机制,直接调控去极化后细胞Ca2+升高的幅值。因此,我们发现SERCA蛋白的下调会导致去极化刺激会在糖尿病beta细胞里诱发了更高的局部[Ca2+]i升高,从而显著增强胰岛素分泌。 找到胰岛素过量分泌的机制后,我们希望下一步阐明长时间的胰岛素过量分泌影响beta细胞的功能变化的机制。糖尿病情况下beta细胞凋亡的一个公认的重要机制是内质网的应激反应。一方面,SERCA蛋白的下调会减少内质网内的钙离子浓度,可能引起内质网的应激反应。但我们的结果表明,即使是SERCA2和3显著下调的db小鼠的beta细胞内质网内,其钙库容量与正常相比也只有少量下调 (<15%),表明SERCA下调本身对内质网钙离子浓度的影响有限。另一方面,有理论认为过量的胰岛素分泌导致胰岛素在内质网内的大量合成,引起内质网的强烈应激反应,最后诱发胰腺细胞凋亡。我们的假说是认为胰岛素囊泡快速回收是长时间维持高水平胰岛素分泌和细胞功能的必要条件(图1)。当快速胞吞途径有缺陷时,一方面分泌相关蛋白不能够正确地分拣到成熟的胰岛素囊泡上,导致胰岛素分泌能力下降。另一方面,回收的缺陷可能导致内质网内需要重新合成大量囊泡相关的除胰岛素外的新蛋白,引起内质网应激反应和细胞凋亡。

图1. 糖尿病发生过程中胰腺beta细胞功能变化的示意图

为了证明这个假说,还有许多问题有待阐明。例如,什么分子机制导致内质网上的SERCA蛋白的下调? 快速胞吞的缺陷影响了那些囊泡膜蛋白的循环利用?怎样影响胰岛素的分泌?又激发了内质网的那些应激反应以及β细胞的凋亡?哪些分子可以特异增强β细胞的快速胞吞?阐明了此过程将有望为找到增强β细胞功能、逆转糖尿病进程的药物提供重要信息。

研究的另一个方向是是探讨我们所发现的机制是否有普适性,是否能够应用到灵长类动物,是否能对临床研究有指导意义。啮齿类动物和灵长类动物的胰岛结构完全不同,因此其功能有可能有差别。1999年,在2型糖尿病病人中曾发现SERCA3基因的一个突变,暗示SERCA蛋白的下调也可能是糖尿病人的发病过程中的一个原因。分子医学研究所里的灵长类动物中心是国内首家经AAALAC认证的中心。目前已有正常的和自发2型糖尿病的恒河猴,为研究人类的2型糖尿病模型提供了很好的模型。应用这些恒河猴为模型,系统检测在这些灵长类动物模型的胰岛中是否也存在相应的基因下调和调控通路的变化过程。

二、发展新的光学成像技术和方法:

对于生命科学研究人员来说,“Seeing is believing”(眼见为实)。因此,用光学成像来直接观察细胞内的生命活动现象一直是生物学研究最重要的手段之一,而光学成像手段的进步也推动着生命科学的发展。本实验室有着交叉科学的背景,在先进荧光成像技术的领域一直进行着自主创新的工作。我们曾开发出了一系列的国际领先的新型荧光成像技术,应用这些技术来看到通常的成像方法所不能够看到的生命现象。除此之外,实验室也会应用传统的电生理学(如膜片钳、碳纤电极和荧光成测钙像等)技术,并结合分子生物学(竞争性抑制、基因沉默以及腺病毒载体质粒构建等)和生物化学(定量RT-PCR、western等)等手段,从多个层次应用不同方法综合研究正常和糖尿病状态下胰岛素分泌的调控机制。

在分子水平上,我们正在开发超高分辨率的活细胞成像系统,希望能够在微观的纳米尺度上更清楚的看到不同的蛋白如何运动和发生变化的过程。在胰岛水平上,将胰岛作为一个整体,其胰岛素分泌过程与分离的单个细胞水平的过程有明显差异。而近年来人们逐渐认识到,糖尿病不仅仅只是影响胰岛素分泌,更全面的说法是影响了胰岛这个网络里各种不同激素(包括胰岛素、胰高血糖素等)的分泌过程。目前国际上还没有任何方法来直接观察分离或者在体的完整胰岛内的胰岛素分泌过程。下一步,我们将发展在活体小鼠内的实时荧光成像手段,在在体水平上检测糖尿病发生过程中胰岛素分泌的变化过程。

研究室成员

研究室主任(PI):陈良怡 教授 Ph.D. E-mail: lychen@pku.edu.cn,

co-PI:刘彦梅 副研究员Ph.D., E-mail: yanmeicool@gmail.com

PI助理:孙彤 助理研究员, E-mail: suntong1980@sina.cn

博士后:杨璐, Ph.D., E-mail: yanglu130@gmail.com

研究生:袁天一,郑晓璐,亢飞,维力斯,赵佳,朱文桢,黄小帅,韩成盛,张郁林

访问进修生:王意,彭晓红,宗伟建

研究室地址:国家纳米科学中心南楼2层231室

联系电话:86-10-62764959