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陈帅课题组在《Cell Discovery》发表相分离调控胰岛素信号转导的新机制
2022-07-08     

202275日,南京大学模式动物研究所陈帅课题组在国际学术期刊《Cell Discovery》上在线发表了题为 ”Spatiotemporal regulation of insulin signaling by liquid-liquid phase separation” 的研究成果(全文下载:https://rdcu.be/cQ1Jl[1]。这项工作发现了由蛋白质液相分离liquid-liquid phase separationLLPS控制的不同于经典胰岛素信号转导模型的新机制,并提出了基于蛋白相变的胰岛素抵抗发生新机理

胰岛素是调控全身糖、脂代谢稳态的关键激素,它可靶向多个组织器官、通过胰岛素受体(IR)调控多种细胞过程。在病理条件下,机体对胰岛素敏感性下降,从而产生胰岛素抵抗,这是2型糖尿病发病的核心原因[2]。在经典胰岛素作用模型中,胰岛素结合并激活细胞质膜上的IRIR通过自磷酸化募集胰岛素受体底物-1/2IRS1/2)并对其上多个酪氨酸位点进行磷酸化,酪氨酸磷酸化的IRS1/2进而招募下游磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K),后者将细胞质膜上的磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)转化为磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(PIP3);PIP3进一步招募下游的蛋白激酶PKB以及其激活所必需的PDK1mTORC2。这一系列胰岛素信号通路近端反应都发生在细胞质膜上并依赖于膜组分。而受胰岛素信号通路调控的远端组分很多都在细胞浆中,甚至是在细胞核中。胰岛素信号如何从细胞质膜转导到细胞内部目前尚不清楚。在此经典模型中,PKCmTOR等激酶可磷酸化IRS1/2上的多个丝氨酸位点,从而抑制其酪氨酸磷酸化,进而导致胰岛素抵抗。除此机制外,是否还存在其他胰岛素抵抗机制,也是领域内思考的一个重要问题。这些问题对于认识2型糖尿病发病机理有重要意义。

在该研究中,研究人员首先通过生物信息学分析发现胰岛素信号相关分子中具有较高的相分离倾向;接着研究人员利用光诱导相分离工具以及体外纯化蛋白模拟相分离的方法,证明胰岛素信号通路中包括IRS1在内的多种蛋白确实具备相分离能力。鉴于IRS1在胰岛素信号转导中的核心位置以及其在细胞和体外表现出的强烈的相分离现象,研究人员重点关注了这个蛋白,并提出IRS1相分离产生的颗粒或可在细胞内形成胰岛素信号枢纽的假设。研究人员深入探讨了这一猜想,从多个方面证实了IRS1可在细胞浆和细胞核中发生相分离、形成相变颗粒;细胞中IRS1相变颗粒的形成至少有两种驱动力:胰岛素刺激和IRS1蛋白浓度。在浓度依赖形成的IRS1相变颗粒中,IRS1可通过其PH-PTB结构域结合PIP2,从而将后者带到颗粒中,为下游一系列反应提供了最初的底物;同时,PI3K以及PKB的关键激酶PDK1mTORC2也会组成型出现在IRS1相变颗粒中。与此相反的是,PIP3只有在胰岛素刺激之后才会在IRS1相变颗粒中产生,并进一步招募PKBIRS1相变颗粒中。这些结果表明,细胞内IRS1相变颗粒可作为信号枢纽,将胰岛素信号转导到细胞浆甚至是细胞核中。更为重要的是,研究人员通过IRS1P85(PI3K调节亚基)PKB抗体以及PIP2PIP3感受器等工具,在内源水平进一步证明了胰岛素可以诱导IRS1相变颗粒并形成信号枢纽。

IRS1-G972R突变会加剧肥胖病人的胰岛素抵抗。研究人员发现该突变会减弱IRS1相变颗粒中蛋白的流动性以及对p85-PI3K的募集,这说明IRS1相变颗粒与遗传性突变引发的胰岛素抵抗密切相关。棕榈酸是饮食因素导致胰岛素抵抗的关键因子,研究人员发现棕榈酸会抑制胰岛素诱导的IRS1相变颗粒形成,棕榈酸的这一作用由蛋白激酶PKC介导。抑制PKC活性可恢复IRS1相变颗粒的形成,从而阻断棕榈酸诱导的胰岛素抵抗。这说明IRS1相变颗粒与饮食因素引发的胰岛素抵抗也密切相关。

综上所述,该研究发现了一种基于蛋白相分离的细胞内部分布式胰岛素信号转导机制,这一新发现作为经典胰岛素信号转导模型的补充为细胞内部胰岛素信号转导提供了一种机理解释;同时,这一研究也揭示了胰岛素抵抗发生的新机理,为将来改善胰岛素敏感性提供了新思路。值得指出的是,浙江大学周以侹教授团队也在《Cell Discovery》上背靠背发表独立研究论文,报道了IRS1相变现象[3]

该项研究得到了国家自然科学基金委、科技部、江苏省基础研究计划自然科学基金、中央高校等基金的支持。

南京大学医学院博士研究生周锟、副研究员陈俏利博士为论文共同第一作者,陈帅教授和副研究员全超博士为通讯作者。

1. 细胞内IRS1相变颗粒扮演胰岛素信号枢纽角色(摘自《Cell Discovery》(https://rdcu.be/cQ1Jl))

1. Zhou K, Chen QL, et al. (2022) Spatiotemporal regulation of insulin signaling by liquid-liquid phase separation. Cell Discovery, 8:64

2. Czech MP. (2017) Insulin action and resistance in obesity and type 2 diabetes. Nat Med, 23(7): 804-814.

3. Gao XK, et al. (2022) Phase separation of insulin receptor substrate1 drives the formation of insulin/IGF1 signalosomes. 8: 60.

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