NRF2通过维持氧化还原平衡和促进线粒体生物合成与功能来保障新生小鼠β细胞生长

目的/假设：所有形式的糖尿病均由功能性β细胞质量不足引起。由于多种抗氧化酶的表达相对有限，β细胞极易受到病理水平活性氧（ROS）的损害，这可能导致功能性β细胞质量减少。在出生后早期阶段，人类和啮齿动物的β细胞均经历一段快速增殖期，随后随年龄增长迅速下降。新生儿β细胞增殖的确切机制尚未充分研究，但线粒体释放适度水平的ROS被认为是主要驱动因素之一。我们先前研究表明，除了在保护β细胞免受氧化应激中的传统作用外，核因子E2相关因子2（NRF2）对β细胞增殖也至关重要。因此我们假设，受ROS激活的NRF2在出生后早期β细胞增殖中发挥关键作用。方法：检测不同年龄段（儿童期与成年期）非糖尿病人体捐献者胰腺切片中β细胞NRF2水平与β细胞增殖情况。评估1、7、14、28日龄β细胞特异性Nrf2（又称Nfe2l2）敲除小鼠（βNrf2KO）与对照小鼠（Nrf2lox/lox）胰腺切片的β细胞NRF2水平、增殖、氧化应激、死亡、核内胰腺十二指肠同源框蛋白1（PDX1）水平及β细胞质量。对7日龄βNrf2KO与Nrf2lox/lox小鼠每日注射N-乙酰半胱氨酸（NAC）或生理盐水（154 mmol/l NaCl），探究氧化应激对出生后早期βNrf2KO小鼠表型的潜在影响。对7日龄βNrf2KO与Nrf2lox/lox小鼠进行RNA-seq，研究NRF2在出生后早期促进β细胞增殖的机制。通过测量MitoTracker荧光强度、mtDNA/gDNA比值和ATP/ADP比值，分析7日龄小鼠分散胰岛的线粒体生物合成与功能。为研究新生儿期β细胞特异性Nrf2缺失对成年期葡萄糖稳态的影响，检测3月龄βNrf2KO与Nrf2lox/lox小鼠在常规饮食（RD）或高脂饮食（HFD）下的血糖、血浆胰岛素、胰岛素分泌及葡萄糖耐量试验（GTT）。结果：主要抗氧化调节因子NRF2在出生后早期的人类（1天至19个月，31%）和小鼠（7日龄，57%）β细胞中表达升高，并随年龄逐渐下降（成年人类8%，成年小鼠3.77%）。人类β细胞增殖与NRF2水平呈显著正相关（R2=0.568；p=0.001）。与对照小鼠相比，7日龄βNrf2KO小鼠的β细胞增殖减少65%、β细胞核PDX1水平降低23%、β细胞质量减少67%，同时β细胞氧化应激增加3倍、死亡增多。注射NAC使7日龄βNrf2KO小鼠β细胞增殖较生理盐水组增加3.4倍。值得注意的是，7日龄βNrf2KO小鼠胰岛RNA-seq显示线粒体RNA基因及电子传递链相关基因表达下调。与对照小鼠相比，βNrf2KO小鼠胰岛的MitoTracker荧光强度降低47%、mtDNA/gDNA比值下降75%、ATP/ADP比值减少68%。最后，高脂饮食喂养的3月龄βNrf2KO雄性小鼠较对照组表现出β细胞质量显著减少35%、非空腹血糖轻度升高1.2倍、血浆胰岛素下降14%、葡萄糖耐量降低1.3倍。结论/阐释：本研究揭示NRF2是维持新生儿期氧化还原平衡、线粒体生物合成与功能及β细胞生长，并在代谢应激下保护成年期功能性β细胞质量的关键转录因子。数据可用性：测序数据保存于NCBI基因表达综合数据库，登录号GSE242718（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/query/acc.cgi?acc=GSE242718）。