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糖尿病人迎来曙光?Cell Metab:明星分子GDF15成为治疗新靶标

2020-05-11
中科新生命
2018

1型糖尿病(T1D)是一种慢性疾病,多见于儿童和青少年,19岁及以下新诊断的糖尿病患者中T1D约占2/3。T1D的特点是胰岛β细胞遭到破坏,导致体内胰岛素绝对缺乏,该过程由促炎性细胞因子介导,破坏了促凋亡和抗凋亡蛋白之间的平衡,但其具体机制尚不清楚。

近日,美国太平洋西北国家实验室和美国印第安纳大学医学院研究人员共同合作,在《Cell Metabolism》(IF=22.415)杂志上在线发表了题为“Comprehensive Proteomics Analysis of Stressed Human Islets Identifies GDF15 as a Target for Type 1 Diabetes Intervention”的研究论文。作者对细胞因子刺激后人胰岛组织进行蛋白质组学分析,确定生长/分化因子15(GDF15)作为β细胞保护因子,是T1D的潜在靶标。


No.1 研究材料

10个非糖尿病尸体供体的胰岛组织,50 U/mL IL-1β + 1,000 U/mL IFN-γ处理或未处理24小时。


No.2 技术方法

TMT定量蛋白质组学


No.3 研究路线

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No.4 研究结果


组学筛选:人胰岛组织全蛋白组学筛选

为了筛选导致β细胞死亡的关键促炎分子,作者利用TMT蛋白质组学技术,对用细胞因子白介素-1β(IL-1β)和干扰素-γ(IFN-γ)处理和未处理的人胰岛进行蛋白质组学研究,从中得到11,324种定量蛋白质信息,其中387种蛋白质发生显著变化。

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作者利用DAVID数据库进行了功能富集分析,发现IL-1β和IFN-γ处理调节了与NF-κB信号传导、细胞因子-细胞因子受体相互作用、细胞凋亡、抗原加工和呈递、细胞外基质、凝血和补体级联、类风湿性关节炎以及癌症中转录失调有关的蛋白质;并从中筛选出54种细胞因子、趋化因子和生长因子,其中19种受白介素-1β和干扰素-γ调节(16种上调,3种下调)。综上,促炎性细胞因子处理的胰岛中参与细胞因子信号传导和细胞凋亡相关的蛋白质发生显著变化。

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筛选靶点1:体内、体外实验筛选关键目标蛋白GDF15

作者根据需求制定了蛋白筛选标准:(1)参与凋亡功能,(2)分类为细胞因子、趋化因子或生长因子,(3)通过label-free蛋白质组学分析进行验证。从中筛选到5种蛋白质:fractalkine、IL-1α、IL-1β、SPP1和GDF15。其中SPP1和GDF15在T1D中报道有限,因此选择SPP1和GDF15进行进一步研究。

首先,作者通过用IL-1β和IFN-γ处理人β细胞系EndoC-βH1和小鼠β细胞系MIN6,免疫印迹分析证实EndoC-βH1细胞中响应细胞因子处理的SPP1和GDF15蛋白表达分别降低了25%和35%,在MIN6细胞中观察到了相似的结果。

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接下来,作者对非肥胖糖尿病(NOD)小鼠体内胰岛中GDF15和SPP1的表达进行分析,与没有胰岛炎的NOD小鼠相比,患有胰岛炎的NOD小鼠的胰岛中GDF15和SPP1的丰度降低。

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筛选靶点2:人胰岛中GDF15表达受转录后调控(翻译过程)

为研究其确切机制,作者分别用IL-1β和IFN-γ处理的人胰岛组织,并检测其中GDF15和SPP1的转录和蛋白表达水平。相比于SPP1在mRNA和蛋白水平均下调,GDF15在蛋白水平发生下调,而在mRNA水平增加两倍,表明该蛋白在转录后水平上有调节作用。为验证细胞因子处理所致GDF15蛋白水平的下降是否是由于GDF15 mRNA翻译受阻所致,作者进行了多核糖体谱分析实验,结果表明,在细胞因子处理过程中, GDF15 mRNA主要存在于单核糖体组分中。综上,促炎细胞因子处理可阻断GDF15 mRNA的翻译。

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机制挖掘1:GDF15和SPP1均可抑制β细胞凋亡

为明确下游信号通路,作者首先使用Metacore数据库对GDF15和SPP1调控的下游信号进行了网络分析,结果提示GDF15和SPP1均可调节细胞凋亡。此外,作者通过细胞实验证实,GDF15和SPP1可抑制EndoC-βH1细胞和人胰岛发生凋亡。

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机制挖掘2:GDF15抑制NOD小鼠的胰岛炎并降低糖尿病的发病率

为验证GDF15在体内作用,作者每两天用rGDF15或对照物治疗6周龄的雌性NOD小鼠(n=5),持续2周,并在治疗期间对体重和血糖水平进行了监测。结果显示体重和血糖平稳、不受GDF15给药的影响。

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接着,作者对治疗结束后的小鼠胰腺组织进行病理学分析。该分析表明,与对照组相比,经GDF15处理小鼠的胰岛炎及氧化应激显著减少。

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GDF15是否通过减少胰岛炎症从而预防或延迟糖尿病发生呢?作者每两天用rGDF15处理6周龄NOD小鼠(n=20),持续4周,并监测24周龄以内糖尿病的发生。GDF15处理使糖尿病发作期的发病率降低了53%。综上所述, GDF15可以减少胰岛炎和氧化应激,从而降低NOD小鼠中糖尿病的发生率。

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临床升华:糖尿病个体胰腺切片中的GDF15水平

为证明GDF15作为药物靶点在临床转化中潜力,作者分析了糖尿病供体胰腺中GDF15表达水平。免疫荧光染色结果表明,T1D患者胰岛中的GDF15丰度降低,与动物和细胞实验结果一致。

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结论

本研究通过对细胞因子处理的胰岛组织进行蛋白质组学分析,证实细胞因子诱导的β细胞死亡,是由于打破了凋亡和促凋亡信号之间的平衡所致。总体而言,该治疗显示出对NF-κB信号传导、细胞因子-细胞因子受体相互作用、细胞凋亡以及抗原加工提呈等途径的调节作用。支持了β细胞死亡的原因是促凋亡因子和抗凋亡因子之间的失衡这一假说,为进一步发现糖尿病治疗新途径指明了方向。