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代谢学人--Science子刊近期精选与解析
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撰文 | 刘爽 张婷 张彦康 李雨 郑宇含
编辑 | 孟美瑶
一定是因为清除了衰老细胞！
衰老细胞清除疗法已被发现有诸多好处
近期研究发现
细胞衰老会抑制小鼠肾损伤后的再生
而清除衰老治疗则可以促进修复
下面的几位可就不怎么有活力
一副不愿意上班的亚子
看来需要激活一下精力
在肝细胞中
Notch信号通路可不能随意去激活
不然会有罹患非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的风险
近期研究揭示了肝细胞中Notch信号通路
促进NASH的机制
原来是它的配体JAG1在搞鬼！
猫咪行动迅速
当然也有例外
一般出入的成功率与体重呈负相关
胰岛β细胞能够响应葡萄糖分泌胰岛素
这是机体保证糖稳态的重要机制
那么胰岛β细胞分泌胰岛素出胞又是如何调控的呢？
近期研究对这一基础科学问题做出了解答
发现PAX6基因在胰岛素胞吐作用中
至关重要
Sci Transl Med
1、细胞衰老抑制小鼠肾损伤后的再生，抗衰老治疗则促进修复
抗衰老助攻肾损伤后再生
中文摘要
在衰老、慢性肾脏疾病和辐射的影响下，肾脏的损伤后再生修复能力逐渐丧失。导致肾脏再生能力减弱的分子机制仍不清楚，而细胞衰老在该修复过程中的潜在作用正越来越被关注。在本文研究中，研究人员证明了在人体衰老和慢性肾脏疾病（包括放射性肾病）中细胞衰老程度与肾功能损失之间的关系，并揭示了在衰老小鼠和辐照小鼠肾脏损伤后，细胞衰老促进了肾纤维化程度的增加。通过对人近端肾小管上皮细胞的体外研究以及对小鼠的体内研究发现，衰老的肾上皮细胞可以分泌多种与衰老表型相关的因子，如转化生长因子β1，从而诱导肾脏纤维化并抑制损伤后的肾小管增殖。而利用B细胞淋巴瘤2/w/xL抑制剂ABT-263处理衰老小鼠和辐照小鼠后，发现小鼠肾脏中的衰老细胞数量下降，并恢复其肾再生表型，表现为肾小管增殖增加，功能改善，并减少缺血再灌注损伤所导致的纤维化。总之，细胞衰老是小鼠肾脏再生过程的决定因素，也是保护人类衰老/脆弱肾脏的潜力治疗靶点。
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衰老对肾脏功能的影响
肾脏衰老与慢性肾病或肾脏移植后的功能恢复息息相关。有研究发现，肾脏皮层细胞中的端粒随着年龄的增长而逐渐缩短，从而影响肾脏的发育以及肾脏抵抗压力的能力；也有研究表明，供体的衰老程度与被移植器官的存活率呈正相关关系，在肾移植手术过程中，抑制管状细胞（肾移植失败的标志是管状萎缩和间质纤维化）衰老，可以显著减少肾脏纤维化和管状萎缩，提高肾移植的成功率。而在本文研究中，研究人员发现，衰老的肾上皮细胞可以分泌多种与衰老相关的因子如转化生长因子β1，从而诱导肾纤维化并抑制肾小管增殖，而清除小鼠肾脏中的衰老细胞后，肾小管的增殖能力提高，损伤后的肾纤维化程度减轻，肾再生功能增强。
B细胞淋巴瘤抑制剂ABT-263与衰老细胞
ABT-263是B细胞淋巴瘤2/w/xL的特异性抑制剂，可靶向抑制肿瘤的发展。2016年发表在Nat Med上的一项研究发现，ABT-263可以以诱导细胞凋亡的方式清除培养中的衰老细胞。给辐照小鼠或衰老小鼠口服ABT-263，可以有效消耗衰老细胞，从而减轻了辐照小鼠中由辐照诱导的造血系统过早衰老现象，并使衰老小鼠中的造血干细胞恢复活力。此外，有研究发现综合使用达沙替尼和槲皮素（dasatinib and quercetin）也可以有效地清除衰老细胞；而Ewen Callaway实验室在2016年发现了一种药物AP20178，它可以靶向清除小鼠体内的衰老细胞，且不伤害健康的细胞；也有研究发现GLS1（谷氨酰胺酶1）分解谷氨酰胺产生的氨，可以中和衰老细胞中由于溶酶体破损而引起的酸中毒，从而维持衰老细胞的生命进程，而靶向抑制GLS1可以使衰老细胞“自杀”，从而逆转由衰老引起的生理病理变化。
参考文献
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[8] Ewen Callaway, et al. Nature. 2016.
Cellular senescence inhibits renal regeneration after injury in mice, with senolytic treatment promoting repair
发表单位：Centre for Inflammation Research, Queen’s Medical Research Institute, University of Edinburgh
一作：Katie J. Mylonas，PI：David A. Ferenbach
Abstract
The ability of the kidney to regenerate successfully after injury is lost with advancing age, chronic kidney disease, and after irradiation. The factors responsible for this reduced regenerative capacity remain incompletely understood, with increasing interest in a potential role for cellular senescence in determining outcomes after injury. Here, we demonstrated correlations between senescent cell load and functional loss in human aging and chronic kidney diseases including radiation nephropathy. We dissected the causative role of senescence in the augmented fibrosis occurring after injury in aged and irradiated murine kidneys. In vitro studies on human proximal tubular epithelial cells and in vivo mouse studies demonstrated that senescent renal epithelial cells produced multiple components of the senescence-associated secretory phenotype including transforming growth factor β1, induced fibrosis, and inhibited tubular proliferative capacity after injury. Treatment of aged and irradiated mice with the B cell lymphoma 2/w/xL inhibitor ABT-263 reduced senescent cell numbers and restored a regenerative phenotype in the kidneys with increased tubular proliferation, improved function, and reduced fibrosis after subsequent ischemia-reperfusion injury. Senescent cells are key determinants of renal regenerative capacity in mice and represent emerging treatment targets to protect aging and vulnerable kidneys in man.
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abb0203
2、肝细胞TLR4激活肝细胞间Jagged1/Notch信号导致NASH诱导的纤维化
NASH诱导肝纤维化的幕后推手——Toll样受体4
中文摘要
在肝细胞中，异常的Notch信号可以促进NASH（非酒精性脂肪肝炎）诱导的肝纤维化，但在已发育完全的肝脏中，Notch被再激活的分子机制尚不清楚。在本文研究中，研究人员发现，在人类肝脏活检标本和NASH小鼠模型中，JAG1（Jagged1，Notch的配体）表达量的增加与Notch的激活和NAFLD（非酒精性脂肪肝）的NAS（活动分数）积分（NAS积分是用来评估脂肪肝受损的严重程度）相关，而JAG1表达量的升高由中心周围肝细胞（依据肝小叶位置，将肝细胞分为中心周围肝细胞和门静脉周围肝细胞两种）中的TLR4—NF-κB（Toll样受体4-核因子κB）信号通路所介导。此外，肝细胞特异过表达JAG1小鼠在高脂饲料或富含棕榈酸、胆固醇和蔗糖的促NASH饲料喂养下，肝纤维化程度加重，并令肝细胞特异性TLR4敲除所介导的保护作用失效；而肝细胞特异性敲除JAG1基因小鼠中，NASH诱导的肝纤维化减轻。为了检测JAG1对NASH是否具有治疗潜力，研究人员设计了JAG1导向的ASO（反义寡核苷酸，可以与靶基因的DNA或mRNA序列上某一区段互补，抑制靶基因的表达）和肝细胞特异性GalNAc（乙酰半乳糖胺，可以与肝细胞表面表达的唾液酸糖蛋白受体ASGR1和ASGR2结合，可辅助药物靶向肝脏）修饰的siRNA，发现这两种核酸序列均可以抑制NASH饮食诱导的小鼠肝纤维化。总之，研究人员发现，在小鼠肝细胞中，JAG1表达量的增加是Notch诱导肝纤维化的直接信号，这表明JAG1抑制剂有望治疗NASH。
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Notch信号是一种进化上高度保守的细胞间通讯途径。信号细胞上的Notch配体（如Jagged1/2）与靶细胞上的Notch受体（Notch1-4）相结合，促进Notch水解并释放NICD（Notch在细胞内的结构域），促进癌症相关基因的表达。在肝脏发育过程中，门静脉附近的肝脏祖细胞内，Notch信号活跃，促进肝脏祖细胞向胆管细胞分化；而在肝脏发育后期，肝细胞中的Notch信号保持休眠状态；但肥胖和NASH可以异常激活Notch信号，促进肝脏纤维化。
NASH是一种以肝脏脂质过度积累和炎症发生为特征的严重肝损伤过程，在NASH的发生发展进程中，肝脏处理初级能量代谢底物如碳水化合物、脂肪酸等的能力受损，使肝脏中的脂质堆积，进而导致肝纤维化、肝硬化等肝损伤。其中，TLR4在介导肝脏炎症发生中起重要作用。在高脂肪蛋氨酸胆碱缺乏饮食诱导的NASH小鼠模型中，肝脏TLR4表达上升，而通过抑制TLR4则可以在一定程度上缓解肝脏炎症。此外，在过量果糖摄入通过肝肠轴引发的肝脏炎症中，TLR4也起重要作用。过量果糖摄入破坏肠道屏障，增加肠粘膜通透性，导致血液中LPS水平上升，LPS与肝脏中的TLR4结合，激活NF-κB，促进TNF-α等促炎因子的表达，诱发肝脏炎症，促使肝脏纤维化，促进NASH的发展。本文研究发现，肝细胞中的TLR4（Toll样受体4）可以促进Jagged1的表达，而Jagged1表达量的升高激活了Notch信号，从而进一步促进NASH诱导的肝纤维化；抑制Jagged1的表达后，NASH诱导的肝纤维化的发展受到了抑制。
参考文献
[1] Zhu, C. et al. Journal of Hepatology. 2020.
[2] R. Wiest. et al. J. Hepatol. 2017.
[3] T. Luedde. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 2011.
Hepatocyte TLR4 triggers inter-hepatocyte Jagged1/Notch signaling to determine NASH-induced fibrosis
发表单位：Department of Medicine, Columbia University
一作：Junjie Yu，PI：Utpal B Pajvani
Abstract
Aberrant hepatocyte Notch activity is critical to the development of nonalcoholic steatohepatitis (NASH)–induced liver fibrosis, but mechanisms underlying Notch reactivation in developed liver are unclear. Here, we identified that increased expression of the Notch ligand Jagged1 (JAG1) tracked with Notch activation and nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) activity score (NAS) in human liver biopsy specimens and mouse NASH models. The increase in Jag1 was mediated by hepatocyte Toll-like receptor 4 (TLR4)–nuclear factor κB (NF-κB) signaling in pericentral hepatocytes. Hepatocyte-specific Jag1 overexpression exacerbated fibrosis in mice fed a high-fat diet or a NASH-provoking diet rich in palmitate, cholesterol, and sucrose and reversed the protection afforded by hepatocyte-specific TLR4 deletion, whereas hepatocyte-specific Jag1 knockout mice were protected from NASH-induced liver fibrosis. To test therapeutic potential of this biology, we designed a Jag1-directed antisense oligonucleotide (ASO) and a hepatocyte-specific N-acetylgalactosamine (GalNAc)–modified siRNA, both of which reduced NASH diet–induced liver fibrosis in mice. Overall, these data demonstrate that increased hepatocyte Jagged1 is the proximal hit for Notch-induced liver fibrosis in mice and suggest translational potential of Jagged1 inhibitors in patients with NASH.
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abe1692
胰岛发生障碍？别怕！转录因子PAX6来了！
中文摘要
转录因子PAX6（配对盒因子6）对胰岛的正常发育和功能至关重要。在人体中，PAX6的杂合突变（仅在基因的一个等位基因上发生的突变）与胰岛素分泌受损和早发型糖尿病相关。然而，PAX6调控人胰岛β细胞分泌胰岛素的分子机制及其在T2D（2型糖尿病）中的病理生理作用尚不明确。在本文中，研究人员利用人胰腺β细胞系EndoC-βH1、db/db小鼠模型和人源原代胰岛来研究PAX6调控胰岛素分泌的分子机制及其在T2D中的潜在治疗价值。研究人员通过功能缺失和功能获得的研究方法，揭示了PAX6通过CREB（cAMP反应元件结合蛋白）/Munc18-1/2通路来调节GSIS（葡萄糖刺激的胰岛素分泌）的机制。此外，研究人员还发现，在糖尿病条件下，β细胞和原代胰岛中PAX6/CREB/Munc18-1/2通路被抑制，GSIS受损，而补充PAX6可以逆转这一现象。在db/db小鼠的胰腺β细胞中使用AAV（腺相关病毒）过表达PAX6基因可以持续改善db/db小鼠的血糖紊乱，但对其胰岛素抵抗没有作用。总之，本文研究发现了PAX6在人类T2D相关胰岛β细胞功能障碍中发挥着重要的病理生理作用，表明PAX6基因导入具有维持和修复胰岛β细胞功能的潜力。
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CREB（cAMP（环磷酸腺苷）反应元件结合蛋白）是调节胰岛β细胞增殖和存活的关键转录因子。一方面，在葡萄糖刺激下，细胞内的糖酵解和线粒体氧化代谢增加，ATP/ADP（三磷酸腺苷/二磷酸腺苷）比例增加。ATP通过腺苷酸环化酶转化为cAMP，cAMP浓度升高，促进葡萄糖刺激的胰岛素分泌过程（GSIS）。另一方面，cAMP激活PKA（蛋白激酶A），活化的PKA磷酸化CREB的Ser（丝氨酸）133位点。磷酸化的CREB与保守的CRE（cAMP反应元件）结合，促进控制β细胞增殖和生存相关基因的表达，维持胰岛β细胞的增殖和存活。当β细胞中CREB活性被破坏时，β细胞会发生凋亡、葡萄糖不耐受，最终导致糖尿病的发生。β细胞产生的胰岛素主要通过胞吐作用分泌到细胞外。SM（Sec1/Munc18）蛋白和SNARE（可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子附着蛋白受体）蛋白是胞吐过程中的两个关键蛋白。SNARE可以形成异三聚体复合物，通过促进SM与突触融合蛋白结合，来促进囊泡与细胞膜的对接或融合。SM蛋白主要分为Munc18-1，Munc18-2和munc18-3三种亚型。在小鼠和人类胰岛中，Munc18-1或Munc18-2的过度表达可以促进GSIS（胰岛素分泌过程）。在本文研究中，研究人员发现，在胰岛β细胞中，转录因子PAX6可以通过激活CREB信号通路，促进Munc18-1和Munc18-2的转录，促进胰岛素分泌。
在本文中，研究人员发现db/db小鼠胰岛中PAX6/CREB/Munc18轴被抑制，GSIS受损，从而使小鼠体内的葡萄糖稳态受损，而回补PAX6可以逆转这一现象。因此，接下来研究人员利用AAV-PAX6技术在db/db小鼠胰岛β细胞中特异性过表达PAX6基因，来探究PAX6在db/db小鼠血糖稳态方面的潜在作用。腹腔葡萄糖耐量实验（IPGTT）结果发现，在AAV-PAX6注射2周后db/db小鼠的葡萄糖耐量得到明显改善（图A）。并且在IPGTT期间对胰岛素分泌量的检测结果发现在给小鼠腹腔注射葡萄糖初期，db/db小鼠的胰岛素分泌能力丧失，而过表达PAX6则恢复了db/db小鼠的胰岛素分泌能力（图B），且高血糖现象也在不影响体重的情况下逐步得到缓解（图C和D）。由于胰岛素抵抗是引起2型糖尿病中葡萄糖耐受不良的另一因素，于是研究人员进行了胰岛素耐量实验（ITT），来评估PAX6对胰岛素敏感性的影响，结果发现db/db小鼠的胰岛素敏感性并没有发生明显变化（图E）。这表明过表达PAX6后db/db小鼠的葡萄糖耐量得到改善是因为胰岛素分泌能力的增强。总而言之，在db/db小鼠中过表达PAX6基因，改善了小鼠的血糖稳态，但对其胰岛素抵抗并没有作用。
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[6] N. Takahashi, et al. Cell Metab. 2010.
Paired box 6 programs essential exocytotic genes in the regulation of glucose-stimulated insulin secretion and glucose homeostasis
Abstract
The paired box 6 (PAX6) transcription factor is crucial for normal pancreatic islet development and function. Heterozygous mutations of PAX6 are associated with impaired insulin secretion and early-onset diabetes mellitus in humans. However, the molecular mechanism of PAX6 in controlling insulin secretion in human beta cells and its pathophysiological role in type 2 diabetes (T2D) remain ambiguous. We investigated the molecular pathway of PAX6 in the regulation of insulin secretion and the potential therapeutic value of PAX6 in T2D by using human pancreatic beta cell line EndoC-βH1, the db/db mouse model, and primary human pancreatic islets. Through loss- and gain-of-function approaches, we uncovered a mechanism by which PAX6 modulates glucose-stimulated insulin secretion (GSIS) through a cAMP response element–binding protein (CREB)/Munc18-1/2 pathway. Moreover, under diabetic conditions, beta cells and pancreatic islets displayed dampened PAX6/CREB/Munc18-1/2 pathway activity and impaired GSIS, which were reversed by PAX6 replenishment. Adeno-associated virus–mediated PAX6 overexpression in db/db mouse pancreatic beta cells led to a sustained amelioration of glycemic perturbation in vivo but did not affect insulin resistance. Our study highlights the pathophysiological role of PAX6 in T2D-associated beta cell dysfunction in humans and suggests the potential of PAX6 gene transfer in preserving and restoring beta cell function.
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.abb1038
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