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黄成虎,潘磊,彭彩碧,李敏,郭奕飞,李雪峰那 “小檗碱通过调节胰岛代谢应激下的自噬来重塑局部肾素-血管紧张素系统的平衡“,肾素 - 血管紧张素 - 醛固酮系统杂志那 卷。2021那 文章ID.9928986那 12 页面那 2021。 https://doi.org/10.1155/2021/9928986
小檗碱通过调节胰岛代谢应激下的自噬来重塑局部肾素-血管紧张素系统的平衡
摘要
假设/介绍。Berberine是一种天然化合物,具有多种药理活性来促进胰岛功能。我们假设小檗碱可以重塑当地肾素 - 血管紧张素系统(RAS)余额来改善肥胖的发展通过自噬。材料和方法。在给予胃酸胃酸8周后,检测到OB / OB小鼠,代谢参数,胰岛结构和血管紧张素转换酶2(ACE2)表达。此外,ACE2敲除(ACE2KO)小鼠喂食低脂饮食16周。此外,我们通过OB / OB和ACE2KO小鼠的免疫组织化学通过透射电子显微镜(TEM)和LC3和SQSTM1 / P62的透射电子显微镜(TEM)和蛋白表达测量了胰岛超微结构的变化。结果。长时间暴露于棕榈酸增加ACE和AngII的1型受体(ATR1)的表达,降低了ACE2表达,而被部分抵消小檗碱。在ob / ob小鼠,黄连在公差增加到葡萄糖,提高异常β- 细胞和α.-Cell分布,上调ACE2表达,并降低自噬复印物和LC3和SQSTM1 / P62的表达。在ACE2KO小鼠中增加了自噬体和LC3和SQSTM1 / P62的表达。结论。我们证明小檗碱可以通过在代谢应力下调节局部Ras介导的自噬来改善胰岛胰岛功能。
1.介绍
由于能量“输入”和“输出”之间的长期不平衡,肥胖已成为一个主要的公共健康问题,因为它在全球范围内的流行比例[1].大量研究已经证明,肾素 - 血管紧张素系统(RAS)的强烈肥胖所带来的能量失衡,器官功能障碍有关[2那3.].除了全身RAS该调制体液和心血管稳态,组织RAS的概念,位于单独的组织类型内,以调节本地器官功能,现已公认[3.].已在内分泌和外分泌胰腺中鉴定出完整组织RAS,其各种成分的表达已在朗格汉斯胰岛中得到证实[3.].RAS由两个不同的反调节轴组成。通常,血管紧张素转换酶(ACE)/Ang II(血管紧张素II)/AngII 1型受体(ATR1)轴负责有效的血管收缩、促炎、促氧化、增殖和肥厚效应。ACE2/Ang-(1-7)/Mas受体(Mas)轴构成一个替代轴,代表通过调节ACE/Ang II/ATR1轴诱导反向作用的内在机制,从而诱导能量平衡和β细胞保护的许多有益作用[4.].代谢应激是激活ACE/Ang II/ATR1轴和抑制ACE2/Ang-(1-7)/Mas轴RAS失衡的重要触发因素,可通过ATR1拮抗剂或Ang(1-7)逆转[5.那6.].我们以前的研究进一步证实,ACE2 / ANG-(1-7)/ MAS轴是跨界剖腹产的剖宫产机制之一α-和β- 细胞,其改善β-cell去分化和功能障碍由代谢应激诱导的[5.].因此,RAS平衡在调节代谢过程中起着至关重要的作用,并且代表了治疗代谢疾病的有希望的靶标。
自噬溶酶体途径既诱导肥胖和牵连在2型糖尿病的发展[7.那8.].自噬是各种生物的活动,如发育和分化,适应应激条件时细胞重塑,而且寿命[延伸至关重要9.].代谢应激(小鼠模型包括高脂饲料喂养的小鼠和ob/ob小鼠)诱导微管相关蛋白1轻链3 (LC3)增加,LC3在自噬途径中起核心作用[10].选择性自噬底物隔离体1 (SQSTM1,又称p62)通过与LC3结合介导泛素化蛋白聚集物的特异性识别,然后被自噬清除。此外,在肥胖或糖尿病表型的动物模型中,某些自噬基因(如Atg7, Lamp2, p62)的整体和胰脏特异性缺失和/或突变会导致血糖水平升高、葡萄糖不耐受、少量增加β- 胰岛的肿块和退行性变化[8.那11].重要的是,它已经变得越来越明显,可以将自噬视为链接RAS的生物学效果和RAS平衡的典型调节器的LINCHPIN。RAS平衡的干扰(增加Ang II和其下游信号的激活)通过NOx和ROS生产增加了自噬体形成[12那13].有些证据表明,通过刺激自噬抑制ATR1受体的抑制和患有2型糖尿病DB / DB小鼠的高脂质血症和肝脏脂肪变性[14].然而,关于自噬信号如何影响RAS的平衡,尤其是在胰岛中,文献中仍然存在很大的空白。
小檗碱是一种从植物中分离出来的天然化合物黄连和Hydradisis canadensis.具有多种药理活性,如抗菌、抗糖尿病、抗高脂血症、抗炎和抗氧化特性[15-17].重要的是,黄连,用作非典型AMP活化的蛋白激酶(AMPK)激动剂上调自噬,治疗糖尿病经由抗氧化和抗炎活性[18].在这项研究中,我们假设黄连将重塑局部RAS平衡,改善肥胖的发展,并通过自噬的调节促进胰岛功能,我们利用小檗碱作为机理研究的工具以及对胰岛可能的活性成分功能障碍。
2.材料和方法
2.1。动物
6周龄ob/ob雄性小鼠(C57BL/6J背景)和野生型C57BL/6J雄性对照小鼠维持在标准光照条件下(12/12小时光/暗循环),并允许自由获取食物和水。野生型C57BL/6 J小鼠和ob/ob小鼠对照小鼠购自北京鸿福凯生物科技有限公司(中国北京)。雄性ace2敲除小鼠(ACE2KO) (C57BL/ 6j背景)来自中国医学科学院实验动物研究所。小鼠喂食标准的鼠粮(低脂饮食;20%蛋白质,70%碳水化合物,10%脂肪),购自北京鸿孚生物科技有限公司(中国北京)。动物的护理和实验治疗得到了十堰湖北医学院动物研究委员会的批准。ob/ob小鼠随机分为药物处理(0.5%羧甲基纤维素)组(ob/ob)或小檗碱处理(100 mg/kg/d小檗碱+ 0.5%羧甲基纤维素)组(ob - bbr) (Sigma-Aldrich, MO, US)。每周两次记录体重、膳食摄入量和饮水量。总热量摄入量根据膳食热量摄入量计算,以g/小鼠/d表示。灌胃小檗碱8周后称重,腹腔注射戊巴比妥0.6 mg/kg麻醉。 Beginning at 6 weeks of age, ACE2KO mice were fed a low-fat diet for 16 weeks according to previously described methods [5.].
2.2.代谢测量
At sacrifice, ~1 ml of blood was collected from the orbital vein under anesthesia. Plasma insulin concentrations were determined using an insulin enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) kit (Millipore, Billerica, MA, USA). For intraperitoneal glucose tolerance tests (IPGTT), after 4 and 8 weeks on their respective treatment, mice were fasted overnight and injected intraperitoneally (i.p.) with 2 g/kg glucose the following morning. Blood glucose was measured with an UltraTouch glucometer from cut tail tips at 0, 15, 30, 60, 90, and 120 min following glucose injection.
2.3.胰岛分离和功能研究
野生型对照C57BL/6 J小鼠的胰岛按上述方法分离[19].胰腺经胆总管灌注1.5 mg/mL胶原酶P(罗氏应用科学公司,Mannheim,德国)。手取胰岛,按功能研究步骤操作。将胰岛置于24孔板中,每孔25个胰岛。棕榈酸盐溶液如前所述制备[20.].此外,为了测试小檗碱的效果,实验在不存在或存在小檗碱存在下进行(10 μ.M)按照以前的文献[21.].
2.4.Real-Time PCR分析mRNA表达
使用TRIzol Reagent (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA)从分离的胰岛和小鼠胰腺组织中提取总RNA。采用LightCycler (Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Germany)进行实时定量聚合酶链反应(QPCR)。相对转录水平归一化为36B4,并使用2计算-ΔΔCT统计方法。使用的PCR引物序列如下:ACE(正向底漆:5 -TGA GAA AAG CAC GGA GGT ATC C-3和反向底漆:5 -Aga GTT TTG aaa GTT GCT cac atc a-3 ),ATR1(正向引物:5 -CCA TTG TCC ACC CGA TGA AG-3和反向底漆:5 -TGC AGG TGA CTT TGG CCA C-3 ),ACE2(正向底漆:5 -Gca CTC tca Gca gac aag aac aa-3和反向底漆:5 -Att tca TCC aat CCT GGC tca agt-3 ),和Mas(前引物:5 -Att tca TCC aat CCT GGC tca agt-3和反向底漆:5 -GAC TAA CGA TGC CAC CGA TGC-3 ).
2.5。Western Blotting分析
使用Cytobuster蛋白提取试剂(Beyotime生物技术研究所,北京,中国)提取来自300个胰岛的蛋白质。如前所述进行蛋白质印迹[22.].蛋白质样品(30μ.g)经8% sds -聚丙烯酰胺凝胶电泳分离,转移到0.45 mm的纯硝酸纤维素膜上;Bio-Rad,大力神,加州,美国)。膜被阻断,用一种特定的抗体在4°C孵育过夜。用过氧化物酶标记的山羊抗小鼠免疫印迹进行检测β-actin (Pierce Biotechnology, Rockford, USA)或过氧化物酶偶联山羊抗兔ACE2 (1: 500;Abcam, Cambridge, MA, USA)和ACE (1: 500;Abcam, Cambridge, MA, USA)在室温下1小时,然后进行化学发光检测(Amersham Pharmacia Biotech, Piscataway, NJ, USA)。
2.6。免疫组织化学
石蜡切片(5 μ.M)被再水化,并且使用巯基压力锅进行抗原检索。使用的主要抗体是豚鼠抗胰岛素(1:150; Abcam,Cambridge,Ma,USA),兔子反ACE2(1:200; Abcam,Cambridge,Ma,USA)和兔子反ACE(1: 200; Abcam, Cambridge, MA, USA). Secondary antibodies were conjugated to Alexa Fluor 488 (Jackson ImmunoResearch Laboratories, West Grove, PA, US) or Dylight 549 (Abbkine, CA, US). The nuclear counterstain 46.- 还使用了亚胺胺-2-苯基吲哚(DAPI,1:1000; Invitrogen,Carlsbad,CA,USA)。所有数字图像都是使用配备DC 200数码相机(C-1 / TE200U,NIKON,TOKYO,JAPAN)的荧光显微镜获取,并随后使用Image-Pro加软件版本5.0(媒体网络网络)进行分析。密度阈值选择工具用于选择标有胰岛素和胰高血糖素的胰岛区域,其被描绘为平均胰岛横截面积的百分比[23.].此外,胰腺切片进行LC3染色(1:500;美国沃本生物医学实验室有限公司)或p62/SQST1 (1: 500;Abcam, Cambridge, MA, USA)使用抗兔一抗。酶标山羊抗兔IgG (1: 200;作为二抗,稀释倍数为1:100。所有的切片都使用光学显微镜进行分析,并使用计算机图像分析系统捕捉图像。
2.7。透射电子显微镜
胰腺切片用4%戊二醛固定,4°C后用1%四氧化锇固定。随后再次洗涤样品,用分级酒精脱水,并包埋在epon-araldite树脂中。使用超微切片机获得超薄的50 nm切片。切片用醋酸铀酰和柠檬酸铅染色。采用日立H-7500透射电镜(TEM)观察自噬体。
2.8。统计数据
结果表示为 。使用SPSS统计分析程序进行统计分析。使用对差异(ANOVA)测试的分析来评估定量结果的统计显着性。一个2尾的值小于0.05被认为是统计学意义的。
3.结果
3.1.棕榈酸盐在体外诱导胰岛RAS不平衡
为了进一步探讨代谢应激对RAS表达的影响,我们检测了在棕榈酸培养下RAS成分的表达。当胰岛细胞在0.2或0.4 mmol/L棕榈酸酯预培养48 h时,ACE mRNA的表达量分别增加了2.32倍和3.27倍(图3)1(a)).ATR1的表达与ACE同时升高( );因此,棕榈酸盐诱导ACE / ATR1轴的活化(图1(b)).However, with the administration of palmitate at 0.2 or 0.4 mmol/L, the ACE2 mRNA expression was markedly decreased by 23% or 41%, respectively ( )(数字1(c)).有趣的是,MAS和ACE2 mRNA的表达具有相同的趋势,但没有统计显着性( )(数字1(d)),而随着ACE和ACE2的表达,ace / Ace2的增加很容易明显( )(数字1 (e)).为了进一步证实棕榈酸棕榈酸在RA的作用,我们在随后的研究中施用0.4mm棕榈酸族培养的胰岛细胞。类似于mRNA表达,ACE表达显着上调,而ACE2表达明显减少(图1 (f)).这些结果表明,棕榈酸酯激活ACE / ATR1轴,并抑制ACE2 / MAS轴取决于孤立的胰岛中的棕榈酸盐浓度。
(一)
(b)
(C)
(d)
(e)
(F)
3.2.小檗碱改变胰岛局部RAS的平衡
我们给予黄连10 μ.研究小檗碱对胰岛细胞RAS平衡的影响。相对于棕榈酸盐0.4 mmol/L预培养48 h的胰岛细胞,小檗碱可显著降低ACE mRNA表达55.07% ( )(数字2(a)).而黄连素对ATR1 mRNA的表达略有抑制15.84%(图)2 (b)).然而,黄连不ACE和ATR1的表达降低至正常水平,表明棕榈酸的恶性影响可能仅部分逆转。重要的是,相对于棕榈酸单独,黄连大大增强了ACE2 mRNA表达3.27倍,甚至更比正常对照组的( )(数字2 (c)).Berberine对Mas mRNA表达影响不大(图1(d)).因此,小檗碱对ACE/ACE2比值的影响更为明显(图)图2(e)).类似的mRNA表达的结果,黄连大幅抑制ACE的蛋白质表达和显着增加了ACE2(图的1 (f)).
(一)
(b)
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3.3。小檗碱改良后的代谢参数和结构失调
如预期的那样,与野生型C57BL/6 J小鼠相比,ob/ob和ob - bbr组小鼠的体重和摄食量(g/kg/h)显著增加(图)3(一个)和3(b)).治疗4周用黄连后,观察到体重的ob / ob小鼠的明显下降持续直到干预期结束(图3(一个)).在IPGTT表明,ob / ob小鼠具有受损的耐受葡萄糖,而黄连似乎显着改善的公差(图3(c)).ELISA结果显示,ob/ob组血浆胰岛素浓度明显高于WT组,升高6.13倍,几乎是ob - bbr组的2倍(图)3(d)).为了进一步研究小檗碱对胰岛素抵抗的影响,计算了HOMA-IR(稳态抵抗胰岛素抵抗的稳态模型),我们发现Berberine在OB-BBR组中部分地降低了HOMA-IR(图3(e)).免疫荧光显示,在ob/ob小鼠中,胰岛素和胰高血糖素细胞的胰岛结构保持完整(图)3 (f)).与定义α.细胞地幔和β在野生型C57BL/ 6j小鼠中,ob/ob小鼠的胰岛组织保持了较分散的组织结构和较高的比例α.-细胞。增加α.-细胞团块在小檗碱治疗后没有发生,并且在本组中α./β比率显然较低。
(一)
(b)
(C)
(d)
(e)
(F)
3.4.自噬可能介导小檗碱的保护作用
我们进一步通过透射电镜(TEM)证实自噬参与了小檗碱介导的对胰岛的保护作用(图)4.).两种ob/ob小鼠组透射电镜超微结构显示线粒体、内质网、游离核糖体、不规则核等异常细胞质,自噬体和溶酶体较少。透射电镜分析显示,ob/ob组中有大量电子密度均匀的球形颗粒,而ob - bbr组中较淡且密度较低的颗粒比例下降(图)4.(a))。Ob-BBR组胰岛中自噬体和溶酶体比例降低,表明小檗碱促进了自噬。免疫组化检测LC3和SQSTM1/p62在细胞内的定位和表达(图)4.(b)和4.(C))。有趣的是,LC3的蛋白质表达在胰岛中显示出与P62相同的趋势。此外,它们均在OB / OB组中增加,并且可以通过Berberine进一步诱导OB-BBR组。然而,在细胞质中浓缩在核和P62表达中的LC3浓缩。
3.5。ACE2诱导的患者诱导的自噬形成
为了证实RAS是否参与了小檗碱对胰岛自噬的影响,我们对两个ob/ob小鼠组的胰腺切片进行了双重免疫染色。有趣的是,ace2阳性细胞多定位于胰岛周围,位于α.- 如我们以前的研究所示[5.].此外,OB-BBR组中ACE2阳性细胞增加(图5.(a))。这些结果表明,小檗碱改善通过在ACE2减少本地RAS的代谢应激诱导的不平衡。因此,我们进一步探讨自噬是否参与了ACE2基因敲除(ACE2 KO)小鼠胰岛黄连素介导的保护作用。超微结构的改变在ACE2 KO TEM图像显示小鼠几个自噬体和溶酶体(图5.(b))。我们还发现在ACE2 KO小鼠中LC3和SQSTM1/p62的表达增加(图)5.(C))。
4。讨论
自噬是同样生理生存反应,消除异常长寿命的蛋白质和细胞器受损,以保持细胞质的质量和促进下的应力/饥饿细胞的存活。
自噬是小檗碱介导效应的中枢调节因子[24.-26.].应激通过不同机制触发,诱导自噬体与溶酶体融合形成自溶酶体,导致货物降解。因此,自噬是一个非常重要的生存过程。蛋白微管相关蛋白1,轻链3 (LC3),在自噬体形成中起作用,并在自噬通路中起核心作用[27.].在基础条件下,LC3已知以可溶形式存在称为LC3-I,并且在自噬途径的上调,LC3被转换成脂化形式称为LC3-II与自噬体膜相关联。在我们的研究中,ob / ob小鼠,黄连宽容增加到葡萄糖,改善异常β- 细胞和α.-Cell分布,上调ACE2表达和减少的自噬体和溶酶体以及LC3和Sqstm1 / p62的表达。在ACE2缺陷小鼠的胰岛胰岛中观察到自噬的激活,如增加的自噬粒组织数和LC3和SQSTM1 / P62的表达所示。我们注意到,AMPK依赖性自噬是Berberine治疗效果的主要目标[28.那29.].AMPK是ACE2介导的保护作用的重要下游调节因子[30.].最近的研究表明,ATR1的抑制依赖于AMPK途径以激活自噬[31.].
自噬最初被定义为蛋白质、其他大分子和细胞器的降解和循环过程。据报道,自噬缺陷可引起结构异常β细胞功能障碍[8.那32.].本研究的主要发现是代谢应激诱导胰岛局部RAS不平衡,包括ACE/ATR1轴的增加和ACE2/Mas轴的抑制,而黄连素可以逆转这一现象。ACE2敲除促进了自噬体的形成和自噬相关蛋白LC3、p62的表达。此外,小檗碱降低代谢应激诱导的自噬,以改善代谢参数和结构紊乱。在这里,我们合理化了自噬可能介导黄连素如何重塑胰岛局部RAS平衡的想法。
黄连素已被发现有效而安全的改良β-Cell功能并衰减高脂饮食喂养和糖尿病小鼠中的胰岛素抵抗力[33.那34.].在目前的代谢应激模型中,我们通过TEM和H&E染色发现,长期使用小檗碱可以显著提高ob/ob小鼠对葡萄糖的耐受性,降低体重和脂质异位积聚。这些数据表明小檗碱能有效地消除代谢应激时的胰岛功能障碍。有趣的是,在ob/ob小鼠治疗8周后,ELISA检测到小檗碱降低了血浆胰岛素水平,而增加了胰岛素蛋白表达,这似乎是矛盾的β- 细胞如图所示通过免疫荧光。然而,这些结果是非常合理的,因为代谢应激,如肥胖,会导致高胰岛素血症也引起β-cell去分化和细胞凋亡[35.-37.].总的来说,这些研究结果与先前的研究表明,黄连素具有充当肥胖治疗剂和2型糖尿病[潜力一致38.].
所述RAS在胰岛素抗性和随后的多能毒性因子和主要贡献者β细胞功能障碍[39.].在代谢压力下,ATR1阻断或激活ACE2/Ang [1-7.不仅能减弱胰腺β-细胞去分化和凋亡,但也促进胰岛重塑和葡萄糖稳态[5.那40].据我们所知,这项研究表明,黄连重塑局部RAS的胰岛,包括ACE / ATR1的抑制ACE2 / MAS轴的轴和激活的平衡。回顾目前的文献,的黄连素诱导的保护作用的可能机制在于所述ACE / ATR1轴的抑制。小檗碱调控对血管紧张素Ⅱ诱导的增殖,胶原蛋白合成,并通过心脏成纤维细胞的细胞因子分泌AMPK-mTOR信号-p70S6K的信号传导途径[41.].发现小檗碱因剂量依赖方式废除了人脐静脉内皮细胞中的Ang II诱导的反应性氧物质和MCP-1表达的产生[42.].此外,小檗碱被发现是一种直接的双抑制剂α.-Glucosidase和Ace [43.].此外,我们的数据首次发现小檗碱增加了ACE2的表达,这可能与抑制ACE/ATR1轴有关[44.].总之,这些数据证实黄连重塑在胰岛局部RAS的因果作用。
这项研究的局限性应注意。虽然我们已经表明,自噬是黄连素的目标,并没有研究了ACE2 KO高脂饮食喂养的糖尿病小鼠的自噬局部RAS的影响。此外,AMPK通道,黄连素和RAS的经典下游靶标,并没有在本研究中使用。需要进一步的研究来验证上述机制。
综上所述,肥胖增加了ACE1/ATR1活性,降低了ACE2表达,导致RAS失衡β细胞功能。小檗碱抑制ACE1 / ATR1表达和自噬,激活ACE2,和改进的β细胞功能障碍。ACE2 KO模拟RAS失衡,导致高脂饮食喂养小鼠的LC3和LAMP2水平失调,并增加自噬溶酶体数量。许多关于这些反应背后的分子网络的问题必须得到解答。然而,ras介导的自噬可能在小檗碱诱导的细胞自噬改善中发挥重要作用β代谢应激中的细胞功能障碍是非常令人兴奋的。
数据可用性
没有数据支持本研究。
利益冲突
作者声明不存在利益冲突,可能被视为损害研报的公正性。
作者的贡献
黄成虎和宣秀萍对这部作品的贡献是一样的。
致谢
湖北省教育厅自然科学基金项目(no . D20182104);湖北省十堰市科技攻关项目(no . 16K67);湖北医药学院硕士研究生项目(no . 2016QDJZR08)资助。
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