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Nat Metab:饶枫/王朝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

已有 678 次阅读 2021-10-19 11:43 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年10月18日晚23时,南方科技大学生命科学学院饶枫课题组和中国科学技术大学生命科学与医学部王朝课题组合作,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。


该研究报道了一个新的GPCR信使——IP7,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。


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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)。南方科技大学生命科学学院饶枫课题组主要研究以高级多磷酸肌醇为代表的细胞内新兴小分子信使的功能机制。曾发现六磷酸肌醇(IP6)是促进CSN-CRL泛素连接酶调控复合物组装的分子间“胶水”【1】;还通过表征IP6结合缺失的CSN2-K70E突变体小鼠,发现了一条感知葡萄糖刺激胰岛素分泌的蛋白质降解通路【2】。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【3,4】。但是,IP7的普适性作用原理和所转导的生理信号通路尚不清楚。


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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。


在最新这项研究中,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-Gαq/11-PLC-PKC/PKD-IP6K1)磷酸化IP6K1,促进生成IP7(图2A)。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IP6K1fl/fl:MIP-Cre小鼠,并表征其相关代谢指标,发现副交感神经刺激胰岛β细胞所生成的IP7可进一步促进胰岛素分泌和葡萄糖稳态调控。比如发现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,IP6K1fl/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。

 

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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。

 

为进一步解析IP7促进胰岛素分泌的机制,作者系统表征了胰岛的数量、大小和胰岛素含量与囊泡对接程度,发现IP7不参与这些过程。通过解析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。

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图3: 5-IP7与Ca2+作为乙酰胆碱受体GPCR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。

 

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。

 

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。饶枫教授王朝教授为共同通讯作者。


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。研究受深圳市科创委、国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学基金、中国科学技术大学“细胞动力学”教育部重点实验室、微尺度国家研究中心和双一流建设专项资金等的资助。

 

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s42255-021-00468-7


饶枫课题组招聘启事

饶枫课题组计划招收研究助理或博士后共2-3名,本招聘广告在较长时间内有效,直到聘任到合适人才为止。


课题组简介:饶枫,南方科技大学生命科学院研究员,博士生导师。主要研究信使与代谢生物学,从分子、细胞和和小鼠模型三个层面综合探索胞内新兴小分子信使的功能机制和蛋白质稳态的代谢调控, 以及疾病微环境中这些生命过程如何参与神经与代谢和肿瘤组织的互调互作。对所招聘人才将要展开的研究课题已准备了基础,将集中攻关焦磷酸肌醇的GPCR信使功能、营养物质感知引发的蛋白质稳态重编程等。


课题组研究经费充足。待遇优厚,根据深圳市标准执行,成绩突出者可研究助理教授等,协助解决子女入托入学。详情请见课题组主页:

http://faculty.sustech.edu.cn/raof/

联系方式:raof@sustech.edu.cn

 

王朝课题组招聘启事

王朝课题组计划招收特任副研究员或博士后共2-3名,本招聘广告在较长时间内有效,直到聘任到合适人才为止。


课题组简介:王朝,中国科学技术大学生命科学与医学部教授,博士生导师。主要研究方向为神经结构化学生物学,通过系统性地研究神经系统中重要的支架蛋白介导的蛋白复合物的结构功能和化学生物学调控,来深入理解神经细胞极性建立与维持,以及神经网络环路调控的分子机制。对所招聘人才将要展开的研究课题已准备了基础,将集中攻关神经轴突起始段的组织构架、鉴定蛋白质组和相互作用网络等。


课题组研究经费充足。待遇根据中国科学技术大学相关管理规定执行,成绩突出者可申报特别资助等,解决子女入托入学(安徽省最好的幼儿园和中小学)。

联系方式:cwangust@ustc.edu.cn


参考文献

1,Lin, H. et al. Basis for metabolite-dependent Cullin-RING ligase deneddylation by the COP9 signalosome. Proc Natl Acad Sci U S A 117, 4117-4124, doi:10.1073/pnas.1911998117 (2020).

2,Lin, H. et al. IP6-assisted CSN-COP1 competition regulates a CRL4-ETV5 proteolytic checkpoint to safeguard glucose-induced insulin secretion. Nat Commun 12, 2461, doi:10.1038/s41467-021-22941-3 (2021).

3,Rao, F. et al. Inositol pyrophosphates mediate the DNA-PK/ATM-p53 cell death pathway by regulating CK2 phosphorylation of Tti1/Tel2. Mol Cell 54, 119-132, doi:10.1016/j.molcel.2014.02.020 (2014).

4,Rao, F. et al. Inositol pyrophosphates promote tumor growth and metastasis by antagonizing liver kinase B1. Proc Natl Acad Sci U S A 112, 1773-1778, doi:10.1073/pnas.1424642112 (2015).




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