原標(biāo)題：轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)探究鎘暴露誘導(dǎo)胰腺 β 鐵死亡和免疫反應(yīng)分子機(jī)制

前言

鎘（Cd）是一種分布廣泛的內(nèi)分泌干擾物，與糖尿病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。胰腺 β 細(xì)胞丟失和功能障礙是糖尿病發(fā)病機(jī)制的核心，因此研究鎘對(duì)胰腺 β 細(xì)胞的毒性及其分子機(jī)制是一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。然而，近年來(lái)關(guān)于鎘如何誘導(dǎo)胰腺 β 細(xì)胞死亡和功能障礙的研究較少。

近日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院周舟教授、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院陸遠(yuǎn)強(qiáng)教授為共同通訊作者，在 Science of The Total Environment (IF:10.753) 期刊在線發(fā)表了題為“Cadmium induces ferroptosis mediated inflammation by activating Gpx4/Ager/p65 axis in pancreatic β-cells”的研究論文，報(bào)告了鎘暴露激活胰腺 β 細(xì)胞鐵死亡的機(jī)制及其免疫調(diào)節(jié)作用，為緩解胰腺 β 細(xì)胞功能障礙提供了一個(gè)潛在的調(diào)節(jié)毒性靶點(diǎn)。

研究結(jié)果

1、鎘暴露導(dǎo)致 MIN6 細(xì)胞的細(xì)胞活力下降和胰島素分泌功能障礙

將胰腺 β 細(xì)胞 MIN6 暴露于不同劑量的 CdCl，結(jié)果顯示鎘暴露劑量依賴性與時(shí)間依賴性抑制 MIN6 細(xì)胞活力和胰島素分泌（圖 1A-D）。

圖1 | 鎘暴露抑制 MIN6 細(xì)胞活力和胰島素分泌

2、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序顯示鎘暴露觸發(fā) MIN6 細(xì)胞鐵死亡

為進(jìn)一步研究鎘暴露影響 MIN6 細(xì)胞活力和胰島素分泌的機(jī)制，對(duì)鎘暴露的 MIN6 細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。與對(duì)照組相比，有 511 個(gè)基因存在表達(dá)差異（圖 2A-D）。對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行 GO 富集分析，結(jié)果顯示鎘暴露導(dǎo)致 MIN6 細(xì)胞存在免疫應(yīng)激和免疫系統(tǒng)過(guò)程失調(diào)（圖 2E）；KEGG 富集分析和 GSEA 分析顯示，與鐵死亡相關(guān)的代謝通路顯著激活（圖 2F-G）。

圖2 | 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序顯示鎘暴露激發(fā) MIN6 細(xì)胞鐵死亡

3、鎘暴露阻斷了 Slc7a11-GSH-Gpx4 抗氧化軸并激活了 MIN6 細(xì)胞鐵死亡

已有研究表明 Slc7a11 和 Gpx4 缺失會(huì)引起脂質(zhì)過(guò)氧化，進(jìn)而導(dǎo)致鐵死亡的發(fā)生。與對(duì)照相比，鎘暴露條件下 Gpx4 mRNA 和蛋白質(zhì)表達(dá)水平顯著下降（圖 3A-C），GSH 含量顯著下降（圖 3D），線粒體形態(tài)異常（圖 3E）。

同時(shí)利用鐵死亡抑制劑 Fer-1 共處理 MIN6 細(xì)胞，結(jié)果顯示，F(xiàn)er-1 可以顯著抑制鎘暴露誘導(dǎo)的活性氧累積（圖 3F-H）、顯著降低脂質(zhì)活性氧水平（圖 3I-J）、鎘暴露誘導(dǎo)的鐵積累被清除（圖 3K-L）。

總之，鎘暴露損害了 Slc7a11-GSH-Gpx4 軸抗氧化性，促進(jìn)了過(guò)氧化作用，加劇了鐵的積累，破壞了線粒體超微結(jié)構(gòu)，并誘導(dǎo)線粒體膜電位的喪失，從而激活細(xì)胞鐵死亡。并且，鐵死亡抑制劑可以有效逆轉(zhuǎn)這些失調(diào)。

圖3 | 圓錐角膜和健康角膜中角膜基質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄改變和異質(zhì)性分析

4、鎘暴露激活 Ager 介導(dǎo)的 MIN6 細(xì)胞炎癥途徑

已有研究表明鐵死亡會(huì)參與多種失調(diào)的免疫反應(yīng)，包括 Agr 介導(dǎo)的炎癥信號(hào)通路（圖 4A）。RT-PCR 結(jié)果顯示 MIN6 細(xì)胞鎘暴露會(huì)激活 Ager-Prkcg-p65 信號(hào)通路（圖 4B）。同時(shí)促炎細(xì)胞因子 TNF-α、IL-1β、IL-6 表達(dá)上升，抗炎細(xì)胞因子 IL-10 表達(dá)下降（圖 4C-D）。這些發(fā)現(xiàn)表明，鎘暴露激活了 MIN6 細(xì)胞中的 Ager-Prkcb-p65 炎癥途徑。

圖4 | 鎘暴露激活 Ager 介導(dǎo)的 MIN6 細(xì)胞炎癥途徑

5、Fer-1 可以抑制鎘暴露誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)

利用鐵死亡抑制劑 Fer-1 共處理 MIN6 細(xì)胞，結(jié)果顯示可以拮抗鎘暴露誘導(dǎo)的 Ager、Prkcb 和 p65 的激活（圖 5A），逆轉(zhuǎn)了鎘暴露下 TNF-α、IL-1β、IL-6 表達(dá)的上升和 IL-10 的表達(dá)下降（圖 5A-C）。

圖5 | Fer-1 可以抑制鎘暴露誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)

6、鎘暴露在體內(nèi)誘導(dǎo)小鼠胰島鐵死亡并導(dǎo)致全身炎癥

以含 100mg/L CdCl 的飲用水喂飼小鼠，6 周后小鼠血糖水平顯著升高（圖 6A），血清胰島素顯著降低（圖 6B），胰腺中有明顯的鐵積累（圖 6C），并且小鼠胰島素分泌和 Gpx4 表達(dá)下降（圖 6D-E）。RT-PCR 結(jié)果顯示，小鼠胰腺中 等基因表達(dá)升高且 表達(dá)下降（圖 6F）。血清和胰腺中 TNF-α、IL-1β、IL-6 表達(dá)的上升，IL-10 表達(dá)降低（圖 6H-O），表明鎘暴露導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)慢性炎癥反應(yīng)，可能導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生。

圖6 | 鎘暴露誘導(dǎo)小鼠胰島鐵累積，降低 Gpx4 表達(dá)和炎癥

研究結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，在體外和體內(nèi)，鎘暴露誘導(dǎo)胰腺 β 細(xì)胞胰島素分泌減少。KEGG 和 GESA 分析表明，在鎘暴露下 MIN6 細(xì)胞中的鐵死亡被激活。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，鎘導(dǎo)致 MIN6 細(xì)胞中 GSH 耗竭、Gpx4 減少、脂質(zhì)過(guò)氧化、超微結(jié)構(gòu)損傷和線粒體膜電位喪失。此外，鎘觸發(fā)的鐵死亡參與了Ager 介導(dǎo)的炎癥，促炎細(xì)胞因子 TNF-α、IL-1β 和 IL-6 增加，而抗炎細(xì)胞因子 IL-10 減少。Fer-1 的聯(lián)合治療可以有效緩解這些炎癥過(guò)程。本研究還驗(yàn)證了鎘在體內(nèi)誘導(dǎo)全身和胰腺炎癥反應(yīng)。此外，在小鼠胰島中觀察到鐵累積和 Gpx4 減少。

本研究為預(yù)防 Cd 誘導(dǎo)的胰腺 β 細(xì)胞功能障礙和改善糖尿病前期預(yù)防的慢性炎癥狀態(tài)提供了一個(gè)新的靶點(diǎn)。

本研究中轉(zhuǎn)錄組測(cè)序及分析技術(shù)，做了很大的貢獻(xiàn)

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