超重或肥胖的人患糖尿病的风险显著增加，2型糖尿病（T2D）的高血糖是由β细胞功能障碍引起的，通常是在胰岛素抵抗的情况下发生的，但是目前尚不清楚胰岛素分泌的增加是否会导致β细胞衰竭或促进糖尿病进程。营养过剩导致组织脂质堆积在T2D中很常见，而脂肪酸棕榈酸酯水平的升高与高胰岛素血症和β细胞功能障碍有关。

2023年1月6日，武汉轻工大学董桂芳教授与美国华盛顿大学Clay F. Semenkovich教授合作，在Cell Metabolism上发表了题为“Palmitoylation couples insulin hypersecretion with β cell failure in diabetes”的文章。该研究发现人体组织胰岛素的过量生产与棕榈酰化过程相关，并且这种棕榈酰化作用可被酰基蛋白硫酯酶1（APT1）逆转。通过棕榈酰化修饰蛋白组发现，Scamp1是定位于胰岛素分泌颗粒的APT1底物，被敲低后会引起胰岛素分泌过多，促进β细胞衰竭，提示棕榈酰化参与糖尿病的发病过程。该研究不仅有助于理解糖尿病发病机制，同时为高风险人群提供了预防或延缓糖尿病的潜在靶点。

英文标题：Palmitoylation couples insulin hypersecretion with β cell failure in diabetes

中文标题：棕榈酰化连接糖尿病患者的胰岛素过度分泌和β细胞衰竭

期刊：Cell Metabolism

影响因子：IF=31.373

发表时间：2023年1月6日

研究材料：人/小鼠胰岛细胞、组织

组学技术：棕榈酰化修饰蛋白组

主要研究结果

1.APT1表达、活性变化及对胰岛素分泌的影响

通过糖尿病患者和非糖尿病患者的比较，研究发现糖尿病患者中的APT1 mRNA升高（图1 A）。APT1酶活性的结果显示，高糖降低了三个不同的非糖尿病患者供体胰岛的去棕榈酰化活性，糖尿病患者β细胞APT1酶活性降低（图1 B-C）。通过对APT1 KD小鼠的研究，发现APT1的下降会引起葡萄糖刺激的胰岛素分泌升高（图1 G-H）。

图1 人胰岛APT1表达、酶活性及APT1缺陷对胰岛素分泌的影响

（图片再编辑，源自：Dong G, et al., Cell Metab, 2023）

进一步通过对APT1 KO小鼠的研究，发现16.7 mM葡萄糖刺激时，胰岛素分泌增加（图2 A）；动态葡萄糖刺激实验显示，敲除组胰岛素双相释放增加（2 B、C）。

图2 APT1缺陷小鼠分离的胰岛可增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌

（图片再编辑，源自：Dong G, et al., Cell Metab, 2023）

2.Scamp1是APT1的底物，棕榈酰化缺陷突变体Scamp1的表达可挽救APT1缺陷引起的胰岛素高分泌和营养诱导的细胞凋亡

棕榈酰化通过许多参与胰岛素分泌的蛋白介导神经元突触囊泡融合，APT1会影响神经元疾病模型中的功能和细胞内运输，为深入探究APT1及其底物相互作用关系，研究人员进行了棕榈酰化修饰蛋白组研究。结果显示，从对照组和APT1 KO组胰岛中检测到390个棕榈酰化蛋白（图3 A）。RAC测定显示，与对照细胞相比，APT1 KD细胞中Scamp1棕榈酰化增加（图3 B-C）。当Scamp1被敲除时，葡萄糖依赖性胰岛素分泌增加（图3 D-E）。进一步分析表明，Scamp1的半胱氨酸残基上会发生突变，与野生型Scamp1相比，C132S突变体的棕榈酰化修饰减少（图3 G-H）。

图3 Scamp1是APT1的底物

（图源：Dong G, et al., Cell Metab, 2023）

深入研究发现，C132S Scamp1可以阻止APT1缺乏引起的胰岛素高分泌（图4 B）。葡萄糖和棕榈酸酯联合作用24h后，APT1 KD细胞的凋亡率显著增加，C132S Scamp1可挽救APT1 KD细胞的凋亡（图4 C-E），表明APT1活性改变Scamp1棕榈酰化修饰的状态与营养诱导的细胞凋亡有关。

图4 C132S可挽救APT1缺陷细胞中胰岛素分泌过多和营养诱导的细胞凋亡

（图源：Dong G, et al., Cell Metab, 2023）

3.胰岛特异性APT1基因敲除小鼠和APT1全敲db/db小鼠表现出更多的β细胞衰竭

为了确定T2D中β细胞衰竭的表型，对胰岛特异性APT1基因敲除小鼠和APT1全敲db/db小鼠进行研究。高脂饮食12周后，比较胰岛特异性APT1基因敲除小鼠和对照组小鼠，结果显示敲除组出现糖耐量受损的现象，这与给糖后15分钟胰岛素分泌和C-肽降低有关；并且出现β细胞面积下降（图 5）。

图5 胰岛特异性APT1缺乏可促进高脂饮食诱导的小鼠β细胞衰竭

（图源：Dong G, et al., Cell Metab, 2023）

对APT1缺陷的db/db小鼠进行研究，结果表明，APT1 KO组的糖耐量受损，并且胰岛素和C-肽的分泌减少（图6 A-I）；β细胞面积显著减少，并出现明显的葡萄糖不耐受（图6 J-M）。比较有无Lypla1（编码APT1的基因）的小鼠，发现db/db小鼠胰岛中的Scamp1棕榈酰化程度高于对照db/+小鼠（图6 N），表明db/db小鼠的β细胞衰竭可能与清除Scamp1中棕榈酸盐的功能受损有关。

图6 APT1缺乏可促进db/db小鼠的β细胞功能衰竭

（图源：Dong G, et al., Cell Metab, 2023）

小结

综上所述，该研究表明，APT1在人类胰岛中受到调节，APT1缺乏会导致胰岛素高分泌进而导致β细胞衰竭，其底物是Scamp1，棕榈酰化缺陷突变体Scamp1的表达可挽救APT1缺乏引起的胰岛素高分泌和营养诱导的细胞凋亡，提示棕榈酰化参与了糖尿病的发病机制。该研究模拟了某些形式的人类2型糖尿病的发病机制，为高风险人群提供了预防或延缓糖尿病的潜在靶点。

APT1影响胰岛素分泌

（图源：Dong G, et al., Cell Metab, 2023）

拜谱小结

棕榈酰化是重要的脂质化修饰形式，一般发生在半胱氨酸残基上。棕榈酰化修饰最重要的功能是增强可通行蛋白与膜的亲和性，从而调控蛋白质的定位与功能。拜谱生物独家组学技术，不仅可以对半胱氨酸残基上的棕榈酰化修饰进行测定，还可以测定半胱氨酸残基上的亚硝基化、氧化还原修饰，优化修饰肽段富集流程，修饰位点鉴定数目大幅度提升，低丰度修饰位点定量准确，助力病理机制、治疗靶点等研究。

参考文献：Dong G, Adak S, Spyropoulos G, et al. Palmitoylation couples insulin hypersecretion with β cell failure in diabetes [published online ahead of print, 2023 Jan 6]. Cell Metab. 2023; S1550-4131(22)00549-6. doi:10.1016/j.cmet.2022.12.012.