线粒体视角下的2型糖尿病研究与动物模型 | MCE直播回放原创

嗯，哈喽，大家好，我是今天的直播讲师常婷婷，然后接下来我给大家介绍一下线粒体视角下的2型糖尿病研究。嗯，我将从以下四个方面对本次直播内容进行讲解。嗯，首先我们会来看一下2型糖尿病的发病机制，然后我们再了解线粒体功能的基础之上，我们会对2型糖尿病研究当中的核心功能做一下具体的介绍。还有第三部分，我们会对2型糖尿病当中的动物模型做简单的介绍，以及第4部分针对于糖尿病研究，我们MCE可以提供哪些产品。首先，对于2型糖尿病的发病机制。嗯，糖尿病是一种以慢性高血糖为特征的高度抑制性综合征，可分为1型糖尿病、2型糖尿病以及其他类型的糖尿病。对于1型糖尿病，它主要是源自于自身免疫，会破坏胰岛贝特细胞，然后导致胰岛素分泌的绝对不足，从而导致高高血糖。而对于2型糖尿病来说，它的主要致病机理是胰岛素抵抗，也就是说体内的靶器官或者是说靶组织对于胰岛素的应答能力减弱，不敏感。嗯，对于目前的发病率来说，2型糖尿病占所有糖尿病发病病例的90%以上，它已经成为一个非常普遍的非传染性慢性病之一。

嗯，对于2型糖尿病的发病机制有很多，包括遗传因素和环境因素，嗯，也就是说如果父母患糖尿病，那么孩子得糖尿病的几率会非常高，然后在长期的高脂高糖饮食下，也会造成后天2型糖尿病的发生。

对于2型糖尿病，主要的分子机制还是胰岛素抵抗和胰岛素分泌不足。当身体的细胞使用胰岛素的效率低于正常水平时，机体就会发现，嗯，常规分泌的胰岛素不能有效的降低血糖，那么机体就会分泌更多的胰岛素来降血糖。但是随着时间的推移呢，维特细胞对于血糖的变化反应能力会下降，会导致胰岛素分泌不足，从而有效的阻止身体去降血糖。但是随着年龄的增长，可能大部分的人都会出现一些胰岛素抵抗现象，特别是那些对于运动不足或者是说体重过度增加的情况，会使这种情况变得更糟，然后从而造成了患2型糖尿病的概率会变大。嗯，对于发生胰岛素抵抗之后，它会促进肝脏产生相应的葡萄糖，同时也会对肌肉，肝脏或者呃脂肪组织对呃葡萄糖的吸收造成影响，这种胰岛素作用与分泌之间反馈的回路缺陷呃从而造成了高血糖。

嗯，第二部分线粒体在2型糖尿病研究当中的核心功能，在进行线粒体和2型糖尿病的发病呃核心功能讲解之前，我们首先来看一下线粒体它的主要功能有哪些？呃线粒体是呃双层，就是双双膜结构结构的细胞器，在结构上它可以分为线粒体外膜、线粒体内膜、线粒体核糖体，线粒体DNA等重要的结构。线粒体在生物的合成，包括细胞内、细胞间的信号通路当中呈现出多方面的作用，比如说能量供应，膜电位的稳态，还有比较重要的线粒体自适，以及呃细胞器间的钙离子调节呃代谢信号传传导等等一系列重要的作用。我们今天就线粒体的四个主要功能嗯，能量代谢，Is平衡，独立的基因组以及膜动力学呃做一下介绍。

首先在能量供应方面，线粒体能量产生的核心在于呼吸链，大家可以看右边的机制图，可以发现由TC循环和电子传输呃来提供动力，我们会发现机体的三大重要代谢向脂肪，呃，嗯，脂肪酸代谢，碳代谢，然后嗯。氨基酸代谢，它们最终都会汇呃汇合到这个一些辅酶A以及阿尔法酮物二酸，从而很好的参与到TCA循环当中，然后在TC循环当中也会产生相应的NAD h fadh2作为电子菜体，然后参与到电子传递链当中，最终在电子传递链的ATP合酶的部分去呃合成ATP，然后从而给机体功能。

嗯，对于第二部分iOS平衡，嗯，Roos主要是源自于氧的分子种类的集合，包括氧自由基，嗯，像一些嗯，超氧阴离子自由基，羟自由基，还有一些非自由基氧化剂，像我们经常所遇到的过氧化氢，还有又或者是说是单线太氧，嗯，ROS的主要内源性来源主要是跨膜的NNADPH氧化酶和线粒体的电子传递链。对于呃电子传递链来说，产生的呃ROS主要是电子沿着线粒体在电子传递链有序的传递到复合物4当中，他们会最终沉积到氧中形成水，但是在这个过程中，也有可能呃电子在复合物1或者是说复合物3当中过早的与氧气结合，然后就会呃导致。

呃，过氧化氢的产生。第三部分，呃，独立的基因组，因为呃D线粒体DNA，它是一种双链的环状结构，嗯。几乎所有的线粒体DNA编码的成分，它都构成了复合物呃电子的电子传递链，复合物的核心亚基，并且在所有生命领域都是保守的。但是会由于以下原因，线粒体的基因组发生的突变率会远高于核DNA。首先对于线粒体DNA来说，由于它比较靠近氧化磷酸位点，所以它们更容易被ROS氧化。其次就是DNA的呃，有限的DNA修复能力也可能是线粒体DNA呃发生突变的一个重要原因。

嗯，第4部分膜动力学主要涉及到线粒体的裂变、融合，还有线粒体自适。线粒体的融合和裂变的两个过程，在代谢或者是说环境胁迫中，在维持线粒体功能方面起着作重要作用。融合可以通过混合部分受损的线粒体内容物作为互补这样的形式来减轻应激反应，而裂变它既可呃，既可能实现线粒体的生物发生，又能够有效去除受损的线粒体。除了膜动力学以外，线粒体自噬也是质量控制的重要方面。

呃，线粒体自式，它是一种特殊形式的姿式，然后它可以致力于去清除老化受损的线粒体，这一个过程是受到了很多呃信号调节，其中比较呃最有特征的就是这个picking one parking通路，在线粒体受到损伤或者是应激时，呃，PK呃。Pick one在线粒体外膜上进行积聚，同时会募集13泛素连接酶parking，这随后会触及线粒体蛋白的泛素化，有效的标记这些受损成分以进行去除这些线粒体。呃，这些泛素化的线粒体随后会被自噬体进行吞噬，自噬体与溶酶体结合，从而会促进线粒体内容物的系统降解和回收。

嗯，在看完了线粒体的主要功能之后，我们再来看一下糖尿病和线粒体它们之间会有哪些关系。2005年lawyer等人在SS的一篇文章当中，他们根据2型糖尿病的两个突出特征胰岛素抵抗、胰岛素分泌不足，提出了2型糖尿病的发生可以归因于线粒体缺陷，然后分别针对这两个突出的特征做出了广泛的机制假设。呃，首先对于胰岛素抵抗，由于是呃线粒体功能障碍和线粒或者是说线粒体含量减少，会造成线粒体的脂肪酸氧化减少，从而会进一步导致细胞内脂肪酸的代谢物水平升高，会进一步激活三氨酸级联反应，会导致胰岛素受体底物1它发生一系列磷酸化的影响，进而去抑制P瑞激酶。

而这种抑制作用呢，可以导致胰岛素刺激的葡萄糖运输受到抑制。嗯，对于第二方的第二个突出特征，呃，胰岛素分泌不足，它提出主要是由于这个UCP2介到的，它是一种解偶联蛋白，正是由于葡萄糖。呃，这是由于在2型糖尿病患者中，贝特细胞不能正确的感知葡萄糖，因此他们不能释放适量的胰岛素，而葡萄糖的感知是需要线粒体氧化代谢导致ATP的产生。在2型糖尿病患者中，呃，解偶联蛋白2通过增加线粒体内膜上的质子泄露来减少ATP的产生，从而减少了葡萄糖刺激的胰岛素分泌。基于以上两个假设理论，我们再来看一下研究性论文当中有哪些关于糖尿病线粒体的研究。

嗯，首先通过电镜结果可以看到2型糖尿病贝特细胞的线粒体呈现圆形和增厚，大家可以看白色箭头所指的2型糖尿病患者贝特细胞的线粒体密度和体积明显是高于非糖尿病足的。然后嗯，对线粒体的形态进行观察之后，我们再来看一下对于线粒体的功能会有哪些改变。我们首先通过线粒体膜电位的测量，它可以从侧面说明呃ATP的形成的情况，会发现在进行外源葡萄糖刺激之后，膜电位的呃模电位的变化值它会显呃，相较于正常组来说，它的变化幅度更小。同时我们也对线粒体当中的一些关键蛋白的表达进行了定量，我们发现解偶联蛋白2，然后还有电子传递链中比较重要的复合物5，也就是ATP核酶还有复合物1，它的表达量呈现了显著上升的趋势。

然后说明在糖尿病当中，呃胰岛贝特细胞的线粒体形态和功能是发生了显著改变的。那么呃糖尿病的发生和线粒体功能之间它们存在哪些联系？然后我们也呃也找到了近期发表的两篇高分文献，做了相关的2型糖尿病线粒体研究。首先第一篇是今年发表在嗯SS的一篇文章，提出呃线粒体质量控制MQC缺陷会导致2型糖尿病的发生。鉴于呃，以往的研究已经揭示了2型糖尿病患者和贝特细胞存在线粒体结构和功能异常，作者首先提出了这些现象是不是源于更上游的线粒体质量控制，是呃本身发生了故障。首先研究团队检测了2型糖尿病患者和非糖尿病供体的人胰岛样本，结果发现，与非糖尿病呃者的呃者的样本相比，2型糖尿病患者胰岛中的线粒体DNAMTDNA含量显著下降并呃，并且通过单细胞测呃转录组数据显示像图B当中显示的结果。

嗯，线粒体基因组编码的多种rnat RNA的表达水平呈现了普遍的下调。但是在其他胰岛细胞中是没有观察到这个现象的。嗯，此外他们也进行了相关线粒体测试的研究，呃，像图C所示的结果，然后发现2型糖尿病患者的贝特细胞在受到损伤刺激后，线粒体测试是受到了呃显著影响的，他们没有办法有效的去清除异异常的线粒体。这些结果证明了2型糖尿病患者贝特细胞的功能缺陷与线粒体质量控制的受损是密切相关的。

嗯，随后研究团队的他们呃构建的三种呃线粒体质量控制MQC缺陷模型，来研究相关呃线粒体和胰岛贝特细胞功能间的关系，然后多种不同的MQC缺陷小鼠呃。发现他们都能够导致贝特细胞丧失身份。因此作者提出在这背后是不是存在一个共同的由线粒体发出的呃逆行信号在起作用。然后他们分别对构建的这三种呃嗯、MQC缺陷小鼠进行了转录组学的对比分析，筛选在所有模型当中共同上调或下调的基因，并且发现这些显著差异的基因最后都富集在一个叫综合应激反应IS2的信号通路当中。

嗯，那么究竟是线粒体内的哪种损伤发出了激活IS2的上游信号呢？他们在这之后，呃，作者又锁定了线呃细胞内能量代谢的核心，也就是电子传递链。然后他们得到了呃MQC缺陷会导致电子传递链的功能障碍，会导致is SR的激活进呃，进而导致胰岛贝塔细胞的身份丧失。在这样的逻辑之后，他们进行了呃体内实验进行验证，然后像PPT中显示的呃显示的结果图，然后呃会发现在经过isr抑制之后，不仅成功阻止了贝特细胞数量的丢失。

然后也显著改善了小鼠的糖耐量，让贝特细胞重新表达了一些成熟标志物，从而呃说明了，从而说明了成功恢复贝特细胞的数量以及成熟度还有功能。第二篇文献是近期发表在nature子刊上的一篇文献，嗯，它表明2型糖尿病是一种线粒体蛋白质错误折叠的相关疾病。首先，研究团队对来自于2型糖尿病的患者和健康供体的人胰岛进行了相关定量蛋白质组织的分析。结果显示，对于2型糖尿病，胰岛的可溶性蛋白显著减少，而对于不溶性蛋白聚集明显增加，并且对这种不溶性蛋白的功能进行负极分析，像图C。

所示的结果，他们发现它主要是来源于线粒体蛋白。尤其是是参与到了呼吸链复合体和线粒体基质蛋白当中，并且通过进一步的检测显示到线粒体蛋白酶LNPE1以及伴侣蛋白MT热机蛋白7始在不溶组分中复极，嗯，电子传递链相关的蛋白ACO2，然后也是出现了一些积累。对于呃，之后的免疫荧光又显示了对于2型糖尿病，贝特细胞中嗯，MT热激蛋白70呈强烈的斑点状，也进一步指示了线粒体蛋白发生了聚集。

以上结果表明，2型糖尿病胰岛的蛋白溶解性会发生变化，并且线呃和线粒体蛋白错误折叠是密切相关的。嗯，研究基于2型糖尿病胰岛当中线粒体蛋白错误折叠的特征，分析了贝特细胞线粒体伴侣和蛋白酶的表达。经过RNA测序，结果显示，对于2型糖尿病供体，贝特细胞中LNPE1MRA的含量会显著下调，2型糖尿病胰岛当中LNPE1蛋白的含量也是呈现显著降低的。为了研究LNPE1对于贝特细胞功能的作用，作者构建了LNPE1基因敲除模型，也发现了基因敲除小鼠会出现相关的高血糖。

呃高血糖的特征。然后作者进一步评估了LNP缺失对于贝特细胞线粒体功能和蛋白折叠的影响。如图A所示，对于lon PE翘除的小鼠胰岛表现出了葡萄糖刺激的氧耗以及ATP水平的显著下降。对于图B呃的结果进行相关的蛋白分析表明经敲除小鼠胰岛呃在电子传递链。系统多种亚基是在不溶组分中复集，同时对于嗯MT热基蛋白和共伴侣DNAGA3以及蛋白酶CLPP也是出现了显著的积累。然后图C所示的结果是对于线粒体透射电镜图像定量的结果会发现基因敲除的小鼠白特细胞线粒体的基因结构严重畸变，面积增大，并且机质密度异常。以上结果表明LNPE1在维持贝特细胞线体蛋白稳态、呼吸以及质量中的关键作用，它的缺失可以导致电子传递链的不稳定和蛋白的错误折叠。

嗯，此后作者又通过实验排除了氧化应激对于2型糖尿病当中LNP缺失以及线粒体蛋白错误折叠的主导影响作用，最终得到了LNPE1的缺失首先会引发线粒体蛋白错误折叠，继而影响到电子传递链的呃功能障碍、贝特细胞衰竭以及高血糖的核心机制，同时也证明了LNPE1通过MT热气蛋白侵蚀伴侣。伴铝活性来维持维特细胞存活和蛋白稳态的共同作用。

嗯，综上所述，糖尿病的发生和发展与线粒体的结构和功能异常密切相关。一些针对于线粒体治疗糖尿病的策略及相关药物的研究，目前主要集中在以下几个方面。第一点，呃，是以抗氧化剂靶向线粒体的治疗策略，像这个met q和SKQ 1是已经被报道的两种靶向线粒体的抗氧化剂，可以在线粒体当中特异性的积累，并中和ROS。嗯，然后第二点是对于线粒体的生物发生，就是说细胞内产生新的线粒体的过程，在这个过程中，维持线粒体功能和能量代谢中发挥着重要作用。其中重要的调节因子是PG，呃，PGCER、阿尔法和AMPK，它们的激活和表达都有助于促进线粒体的生物发生。并且，呃，并且研究也表明，运动也是可以诱导线粒体生物发生的有效刺激。

呃，第三点调节线粒体的动力学，主要包括融合分裂线粒体姿势。第二P1是线粒体分裂的关键参与者刚刚也讲到了，这个parking是自适研究的关键，通过增强融合，抑制过度裂变和促进线粒体自适，为改善糖尿病线粒体的功能和代谢可以提供新的思路。第4点，呃线粒体的解耦联剂，嗯，因为这种解耦联剂可以打破氧化磷酸化过程中氧化和磷酸化的偶联，我们优先去诱导葡萄糖的氧化，从而可以降低血糖水平，从而改善胰岛素抵抗。嗯。第5点，呃是针对于线粒体功能的抑制剂，因为现在线粒体功能研究主要集中在呃呼吸链，所以呼吸链被认为是线粒体功能抑制剂的主要靶点。研究发现像我们经常用的二甲双胍等药物可以通过抑制呼吸链复合物1来抑制呼吸链，而像这种嗯，白藜芦醇、槲皮素可以通过抑制ATP核酶，抑制线粒体的氧化磷酸化功能，诱导和升高a AMP和ATP的比率，进一步激活AMPK通路，从而改善糖脂代谢。

嗯，第三部分我们对2型糖尿病动物模型做相关的介绍。其实通过自发性手段，化学药物诱导、手术造膜，包括转基因等手段都可以进行糖尿病动物模型的造模，但是化学诱导模型因为它是一种比较简单，相对于廉价并且短期内可以实现的一种方法，在目前的科研当中是受到了广大老师的喜欢。然后对于一些呃。

一些化学物质可以呃导致糖尿病作用的主要包括这种四氧嘧啶AX呃，利尿左菌素SSPZ、双硫棕黄原酸钾等等。但是基于目前的使用来看，只有这个STZ和ALX这两种药物是被广泛应用的。嗯，STZ主要是通过产生DNA烷化来引起毒性。而饲养嘧啶诱导的糖尿病则是由于ROS介导的贝特细胞毒性。这两种都在很多的模式当呃模式动物当中被成功应用。但是和STZ相比，ARX引起的高血糖具有不稳定性和可定性，ARX造出的模型可能更加适合于短期观察。所以后面如果说大家在选择动物模型上，要根据自己的实验目的选择适合自己的，呃，化学诱导药物。

嗯，对于2型糖尿病当中经常用的模型，我们从文献的调研结果来看，主要是高脂饮食，同时辅以注射STZ。嗯，对于高脂饮食，目前最常用的是呃，45%脂肪功能的饲料和60%脂肪功能的饲料。对于呃一些文献当中的总结，我们发现45%的脂肪功能饲料可能呃更加适合于实验大鼠，而60%的脂肪功能饲料更加适合于实验小鼠。然后嗯，然后对于高脂饮食和STG造膜，我们怎么样来评定我们造的2型糖尿病是不是成功了呢？通常是用血呃进行血糖水平的检测，比如说空腹血糖，它达到了一个大于等于16.67mmol/L的呃这样的一个数值，或者是说是呃，模式动物出现了糖尿病的。

呃，突出特征三多一少，就是说多饮多食，多尿的现象，并且他们的体重降低。嗯，然后也可以通过一些糖尿病并发症，它的一些指标来判断造膜成功向血浆胆固醇升高，低密度脂蛋白的水平显著升高等等。然后这里是客户使用我们的，呃，相关造膜产品发表的文献我们可以看到呃。糖呃对于小鼠给予6周的高脂饮食之后，我们在进食5天对小鼠进行腹腔注射STZ，在注射两周之后，然后会出现空腹血糖大于呃大于等于16.7mmol这样的一个数值，我们认为是造模成功了，并且可以看到在实验第8周之后。

嗯，2型糖尿病小鼠，它的体重是低于对照组的，血糖水平是显著高于对照组的，这也证明了我们MCE的产品在诱导糖尿病模型方面的呃质量是非常可靠的，并且我们对于这种呃高脂饮食和STZ这种模型组合方式的方法也进行了呃相关的验证。