iHuman研究所安德烈·薩利課題組為胰島素釋放中肌動蛋白絲的結構性重塑提供新證據

ON2024-02-27CATEGORY科研進展

近日,iHuman研究所安德烈·薩利課題組在Nature Communications發表了題為In situ structure of actin remodeling during glucose-stimulated insulin secretion using cryo-electron tomography”的研究論文,利用超分辨率熒光成像和冷凍電子斷層掃描技術,結合量化分析,深入探討了葡萄糖刺激下胰島素分泌(Glucose stimulated insulin secretion, GSIS)過程中肌動蛋白絲的重塑現象。這項研究為肌動蛋白絲在胰島素釋放過程中的結構性重塑提供了直接的原位證據。

 


肌動蛋白絲是細胞骨架的關鍵組成部分,在細胞的結構維持、遷移、分裂以及對線粒體、溶酶體和胰島素分泌顆粒等亞細胞結構的運動控制中也扮演了重要角色。肌動蛋白絲的重塑通過Rho GTPasePI3K/Akt的相關細胞信號通路觸發。在胰島β細胞中,肌動蛋白絲在GSIS過程中起著雙重作用,不僅調節胰島素分泌顆粒(ISGs)的運輸和釋放,還在細胞膜附近由障礙物轉變為助推器。盡管早期的二維成像技術已捕捉到肌動蛋白絲重塑的輪廓,熒光成像和蛋白質免疫印跡(western blot)技術也揭示了肌動蛋白絲的解聚和重聚過程,但對肌動蛋白絲在重塑前后的納米級結構仍知之甚少。此外,對于胰島素分泌顆粒在GSIS過程中的運動至關重要的肌動蛋白絲、微管以及ISGs之間相互作用的確切結構細節也尚未完全明了。

這項研究利用多模態成像技術深入探索了INS-1E β細胞在靜息狀態(2.8 Glu – 30 min)及GSIS的初期和后期階段中肌動蛋白絲重塑。結果顯示,在高濃度葡萄糖刺激下的最初5分鐘內(16.7 Glu – 5 min),細胞外圍的肌動蛋白絲幾乎完全解聚,而在30分鐘后(16.7 Glu – 30 min),這些肌動蛋白又重新聚合形成絲狀結構。值得注意的是,與細胞底膜(VM)準垂直(45-90°)排列的肌動蛋白絲在重塑的數量明顯增加,從饑餓狀態的3%增加到16.7 Glu – 30 min條件下的15%(圖1)。

 

圖1. 細胞外圍的肌動蛋白絲和微管在GSIS 中的定量分析


通過對INS-1E β細胞外圍的冷凍電鏡成像,研究團隊觀察到肌動蛋白絲網絡在重塑期間的結構變化。盡管肌動蛋白絲的總體積并未顯著改變,且大部分肌動蛋白絲以0-15°的角度形成束狀結構以維持細胞結構。然而,與饑餓條件相比,在16.7 Glu - 30 min條件下,肌動蛋白絲束的數量有所減少;與VM準垂直的肌動蛋白絲間距顯著增大。此外,在使用粘著斑激酶抑制劑Y15處理的INS-1E β細胞中,肌動蛋白絲重塑后,與VM0-15°角度排列的肌動蛋白絲量顯著減少,而大于45°角度的肌動蛋白絲量增加(圖2)。值得注意的是,Y15處理消除了重塑前后肌動蛋白絲角度的變化,這表明粘著斑復合體在肌動蛋白角度變化中起著促進作用,且這種變化對胰島素在β細胞中的分泌具有重要的生理意義。此外,在重塑后,與VM準垂直排列的肌動蛋白絲與彼此平行,形成了一種從VM錨點放射出的“blooming”結構,這種結構的形成可能是為了促進亞細胞成分,尤其是ISGs,從細胞外圍運輸到VM并最終釋放。

 

圖2. 細胞外圍肌動蛋白絲的定量分析


先前的研究已經證明,肌動蛋白絲能夠通過與微管的相互作用來促進胰島素的分泌。具體來說,ISGs首先沿微管從細胞內部向細胞外圍移動,隨后通過肌動蛋白絲從細胞外圍進一步運輸至底膜。在對細胞外圍進行的冷凍電鏡成像中,研究團隊發現一些ISGs位于肌動蛋白絲和微管的附近。在16.7 Glu – 30 min條件下,靠近重新排列的肌動蛋白絲的ISGs數量有所增加,表明這一過程可能與ISGs的運輸過程密切相關。通過進一步定量分析了ISGs與肌動蛋白絲及微管之間的最短距離,結果表明,與饑餓條件相比,在16.7 Glu - 30 min條件下ISGs與肌動蛋白絲之間的距離有所拉近,說明在重塑后肌動蛋白絲與ISGs之間的空間布局發生了變化,從而有利于ISGs的進一步運輸和釋放。此外,基于熒光顯微鏡的觀察結果表明,微管在饑餓條件下通過限制ISGs的運動來負面調控胰島素的分泌。通過計算微管與ISGs之間的距離,本研究提供了微管在饑餓條件下對ISGs釋放進行負面調控的納米級結構信息。最后,通過計算每根肌動蛋白絲與最近微管之間的距離,結果顯示,在16.7 Glu - 30 min條件下,無論是與底膜平行還是準垂直的肌動蛋白絲都更接近微管??傮w而言,無論是與底膜平行還是準垂直的肌動蛋白絲,在16.7 Glu - 30 min條件下都比在饑餓條件時更接近微管。

本研究捕捉了胰島β細胞外周和內部納米尺度上的肌動蛋白絲重塑結構并進行定量分析,包括GSIS期間肌動蛋白絲網絡結構的變化、肌動蛋白絲的排列以及肌動蛋白絲、微管和ISGs之間的相互作用。這些分析有助于更好地理解肌動蛋白絲重塑及其在調控胰島β細胞雙相胰島素分泌中的作用(圖3)。

 

圖3. GSIS 期間細胞外圍肌動蛋白絲重塑模型示意圖

 

上??萍即髮W生命學院2020級博士研究生李偉民為該論文的第一作者。上??萍即髮WiHuman研究所副研究員孫立萍,德國Helmholtz Pioneer Campus教授Marion Jasnin,美國University of California, San Francisco教授安德烈·薩利和德國Max Planck Institute of Biochemistry教授Wolfgang Baumeister為共同通訊作者。Kate L. White教授、Raymond C. Stevens教授均為本研究合作者。上??萍即髮W為第一完成單位。

論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41467-024-45648-7