中国科大合作团队发现神经调控囊泡分泌与代谢稳态的GPCR通路新信使IP7

　　

糖尿病发生一般会伴有胰岛素水平的异常。因此，胰岛素分泌的严格调控对于机体维持葡萄糖稳态具有重要的生理病理意义。体内β细胞胰岛素分泌受到葡萄糖，激素，神经递质等的严格调控，副交感神经刺激胰岛素分泌是其中一种重要机制。副交感信号在β细胞里感知的信号通路以及如何刺激胰岛素囊泡释放，并不完全清楚。

高级多磷酸肌醇是源于GPCR信使IP₃,由一系列肌醇激酶层级磷酸化所形成的代谢小分子，进化上保守但功能所知甚少 (图1)。焦磷酸肌醇5-IP₇（IP₇）由其合成激酶IP6K磷酸化IP₆生成。IP₇能量高，在 IP6K和磷酸酶(DIPP)的作用下与IP₆动态转换，具有信使分子的瞬时合成降解属性。根据IP6K敲除小鼠和细胞系的表型，IP₇应参与很多生理与疾病过程，如调控肿瘤细胞凋亡和转移的命运抉择。但是，IP₇ 的普适性作用原理和所转导的生理信号通路及其作用的分子机制尚不清楚。

 

图1:高级多酸肌醇代谢分子的信使功能与机制研究

IP6K介导的IP₆-IP₇间的动态转换可能参与了细胞对外界信号/刺激/胁迫的应答。然而，IP6K参与应答的信号以及IP₇的靶标与作用机制未知。

 

近日，我校细胞动力学教育部重点实验室王朝团队与南方科技大学生命科学学院饶枫团队合作，在Nature Metabolism在线发表了题为：“5-IP₇ is a GPCR messenger mediating neural control of synaptotagmin-dependent insulin exocytosis and glucose homeostasis”的研究论文。报道了一个新的₇，以及其感应副交感神经信号刺激胰岛素分泌的功能和分子机制。

 

在此项研究中，作者首先解析了生理状态下IP6K1的磷酸化活化调控机制，在副交感神经激活时，分布于胰岛β细胞表面的乙酰胆碱受体接受到来自于神经末梢的乙酰胆碱，通过一系列信号转导过程（Ach-M3R-G_αq/11-PLC-PKC/PKD-IP6K1）磷酸化IP6K1，促进生成IP₇（图2）。进一步，作者通过构建模拟磷酸化修饰的IP6K1 S118/121D突变体小鼠和β细胞IP6K1特异敲除的IP6K1^fl/fl:MIP-Cre小鼠，并表征其相关代谢指标,发现副交感神经调控胰岛β细胞中的5-IP₇生成，可以促进胰岛素分泌和葡萄糖稳态调控。如发现IP6K1 S118/121D鼠具有更高的血清胰岛素水平，更好的葡萄糖耐受，并且其islets也具有更强的胰岛素分泌能力。相反，IP6K1^fl/fl:MIP-Cre小鼠表现出受损的葡萄糖诱导的胰岛素分泌以及更差的葡萄糖耐受。由此，作者得出结论，IP6K1受副交感递质乙酰胆碱受体激活后，通过其酶活产物5-IP₇实现促进胰岛素分泌的功能。这是关于IP6K酶活的生理调控的首次报道，是中枢调控外周的一项新发现。

研究团队进一步解析了胰岛素分泌相关突触结合蛋白Syt7与磷酸肌醇复合物的晶体结构，作者发现IP₇可与PIP2竞争结合Syt7，从而抑制无刺激时的自发囊泡释放。在钙内流刺激的胰岛素囊泡与细胞膜融合过程中，钙离子可与5-IP₇结合，从而促进Syt7与细胞膜上的PIP2结合，催发SNARE介导的囊泡与细胞膜自然融合。而IP₇的前体IP₆与钙离子的结合能力较弱，此差异在IP6K1激活时或IP6K1 S118/121D突变体里被放大，导致鼠胰岛素分泌高于正常水平（图3）。基于此，作者提出，当Gq偶联的GPCR被激活时，IP₇是与Ca²⁺共同作用的“共发”信使(coincident messenger)来参与囊泡释放。该工作首次发现IP₇是Gq偶联的GPCR的第二信使，与著名的信使分子cAMP有类通性（注：cAMP是Gs偶联的GPCR的第二信使）。代谢小分子IP₇更为广泛重要的信使功能有待进一步挖掘。

 

 

图2:乙酰胆碱受体-Gq-PLC-PKC信号通路对IP6K1的磷酸化修饰调控路径和参与神经调控代谢的生理背景

研究团队进一步解析了胰岛素分泌相关突触结合蛋白Syt7与磷酸肌醇复合物的晶体结构，作者发现IP₇可与PIP2竞争结合Syt7，从而抑制无刺激时的自发囊泡释放。在钙内流刺激的胰岛素囊泡与细胞膜融合过程中，钙离子可与5-IP₇结合，从而促进Syt7与细胞膜上的PIP2结合，催发SNARE介导的囊泡与细胞膜自然融合。而IP₇的前体IP₆与钙离子的结合能力较弱，此差异在IP6K1激活时或IP6K1 S118/121D突变体里被放大，导致鼠胰岛素分泌高于正常水平（图3）。基于此，作者提出，当Gq偶联的GPCR被激活时，IP₇是与Ca²⁺共同作用的“共发”信使(coincident messenger)来参与囊泡释放。该工作首次发现IP₇是Gq偶联的GPCR的第二信使，与著名的信使分子cAMP有类通性（注：cAMP是Gs偶联的GPCR的第二信使）。代谢小分子IP₇更为广泛重要的信使功能有待进一步挖掘。

 

图3:5-IP7与作为乙酰胆碱受体GPC通路下游的"共发"信使(coincident messenger)刺激胰岛素囊泡释放的作用模式图  

南方科技大学饶枫课题组博士生张晓哲，博士生李娜、硕士生张隽、中国科学技术大学王朝课题组博士生张彦申、以及饶枫课题组科研助理杨晓丽为本论文的共同第一作者。王朝教授和饶枫教授为本文的共同通讯作者。此外，工作得到了南方科技大学张明杰院士，广州生物岛实验室韩卫平教授、北京生命科学研究所齐湘兵研究员、华大基因任艳研究员、华中科技大学马聪教授、南方科技大学肖国芝和张文清教授、南方科技大学第二附属医院姜楠教授以及西安交通大学王昌河教授团队的支持与帮助。

该研究获得了中国科学技术大学细胞动力学教育部重点实验室、微尺度物质科学国家研究中心、双一流建设专项资金，及国家自然科学基金、重点研发计划等的资助。

 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42255-021-00468-7

 

（细胞动力学教育部重点实验室、合肥微尺度物质科学国家研究中心、生命科学与医学部、科研部）