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Cell Metabolism | SARS-CoV-2感染促进胰岛β细胞凋亡及信号通路发生功能改变

已有 189 次阅读 2021-10-8 09:13 |系统分类:科研笔记

新冠病毒 (SARS-CoV-2) 疫情持续至今,全球累计新冠确诊病例已超2亿例,而多种SARS-CoV-2变异株的出现,也令疫情防控变得雪上加霜。全球医学界在紧抓新冠灭活疫苗研发生产的同时,也渐渐开始重视SARS-CoV-2与其他已知疾病的关联性。


去年,糖尿病专家在《新英格兰医学杂志》指出,SARS-CoV-2可能导致健康人群罹患糖尿病,并导致糖尿病患者出现严重代谢并发症 [1]。在全球新冠确诊病例中,研究人员发现有20%至50%患有胰岛素依赖型糖尿病,提示糖尿病是与SARS-CoV-2感染严重程度密切相关的基础疾病之一[2]。然而,由于部分研究指出SARS-CoV-2的受体蛋白ACE2在胰岛 (α, β, δ细胞) 中表达较低,因此至今仍不清楚SARS-CoV-2是否会直接感染胰岛细胞,特别是分泌胰岛素的β细胞,导致细胞死亡或功能障碍引发糖尿病。

近日,斯坦福大学医学院Peter K.  Jackson教授及其合作团队,在Cell Metabolism (IF=27.3) 发表研究论文 “SARS-CoV-2 infects human pancreatic β cells and elicits β cell impairment"[3],他们证明胰岛β细胞表达ACE2及病毒入侵相关因子 (TMPRSS2、NRP1和TRFC),并且SARS-CoV-2可以直接感染人胰岛β细胞,导致胰岛素含量降低。结合磷酸化蛋白质组学,研究人员进一步证实了SARS-CoV-2感染导致胰岛β细胞中凋亡调控激酶及信号通路发生功能改变。

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1
胰岛β细胞中高表达SARS-CoV-2感染相关蛋白质

血管紧张素转换酶2 (ACE2) 是SARS-CoV-2进入细胞所需的受体,由于β细胞中ACE2 mRNA表达水平较低,许多研究推测SARS-CoV-2无法感染β细胞。然而,实际上除了ACE2,跨膜丝氨酸蛋白酶2 (TMPRSS2)、神经纤维蛋白-1 (NRP-1)、转铁蛋白受体 (TFRC) 以及Furin蛋白酶同样参与SARS-CoV-2感染宿主细胞过程。利用免疫荧光,研究人员证实了ACE2在正常人胰岛 (α, β细胞) 中蛋白表达水平的确较低,但NRP-1、TFRC则在β细胞中特异性高表达。这些结果表明β细胞含有SARS-CoV-2病毒侵入宿主细胞过程所必需的关键蛋白分子,而NRP1和TFRC的高表达也提示SARS-CoV-2更易感染β细胞。


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图1. SARS-CoV-2感染相关蛋白质在胰腺细胞中的表达情况


2
SARS-CoV-2在体外感染β细胞过程依赖NRP1

SARS-CoV-2体外感染人胰岛细胞2天、6天后,研究人员发现SARS-CoV-2核衣壳蛋白NP和棘突蛋白SP主要存在于β细胞中,而α, δ细胞以及内皮细胞中则含量较低,证明SARS-CoV-2的确更易感染β细胞。更为重要的是,在新冠感染导致死亡患者的胰腺组织样本中,也含有SARS-CoV-2 NP和SP蛋白。为了研究β细胞高表达NRP1对SARS-CoV-2感染的影响,研究人员利用NRP1选择性抑制剂EG00229体外处理胰岛细胞,结果表明,SARS-CoV-2感染后β细胞中NP蛋白含量降低,提示NRP1在SARS-CoV-2感染β细胞过程具有重要作用。

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图2. SARS-CoV-2体外感染人胰岛细胞


3
SARS-CoV-2促进β细胞凋亡


胰岛β细胞受SARS-CoV-2感染后,基础胰岛素量以及葡萄糖刺激胰岛素分泌量 (GSIS) 都明显减少,提示β细胞功能损害。已有研究表明冠状病毒可以引起细胞凋亡,为了探讨β细胞功能受损是否由细胞凋亡所引起,研究人员进一步利用 TUNEL标记受SARS-CoV-2感染的胰岛细胞,发现感染后的细胞TUNEL荧光信号明显增强,证明SARS-CoV-2诱导胰岛β细胞凋亡。

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图3. SARS-CoV-2损害β细胞功能


4
SARS-CoV-2改变β细胞磷酸化信号通路

考虑到细胞凋亡受磷酸化蛋白相关信号通路调控,研究人员随后利用磷酸化蛋白质组学 (phosphoproteomic) 进一步分析了SARS-CoV-2 SP对人胰岛细胞的影响,发现SARS-CoV-2促进细胞JNK/p38和PAK激活激酶活性,抑制蛋白激酶C (PKC) 活性;GO富集责则表明,凋亡信号相关通路被明显激活。为了验证JNK和PAK确实是在SARS-CoV-2感染后激活,研究人员在胰岛细胞中,用荧光抗体标记了磷酸化的JNK1/2(pJNK1/2)和PAK1/2 (pPAK1/2),发现pJNK1/2和pPAK1/2主要存在于含有SARS-CoV-2 SP的细胞中,证实了SARS-CoV-2激活JNK和PAK。

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图4 SARS-CoV-2对蛋白质磷酸化修饰的影响


总的来说,此项研究在人胰岛细胞中首次明确了SARS-CoV-2进入细胞相关分子ACE2、TMPRSS2、NRP-1、TFRC的蛋白质表达情况,证明了SARS-CoV-2更易感染胰岛β细胞。并利用磷酸化修饰组学,深入揭示了SARS-CoV-2激活胰岛细胞凋亡相关调控激酶及信号通路,抑制胰岛素合成与分泌。这些结果不仅为新冠诱发糖尿病提供了合理的科学解释,也开辟了新冠相关糖尿病治疗新思路。


参考文献:

1. Francesco Rubino, et al. 2020. New-Onset Diabetes in Covid-19. N Engl J Med.
2. Stefan R Bornstein, et al. 2020. Practical recommendations for the management of diabetes in patients with COVID-19. Lancet Diabetes Endocrinol.
3. Chien-Ting Wu, et al. 2021. SARS-CoV-2 infects human pancreatic β cells and elicits β cell impairment. Cell Metabolism.




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