Nrf2在砷暴露致胰岛β细胞内质网应激及细胞损伤中的作用

The association between environmental arsenic exposure and increased type 2 diabetes prevalence has been proven by epidemiological and animal studies, but the mechanism is unclear. Previous studies have shown that Nrf2 activation was involved in the development of arsenic induced type 2 diabetes in pancreatic β cells and adipocytes. Accumulating evidence suggests arsenic exposure causes endoplasmic reticulum (ER) stress and its adaptive unfolded protein response (UPR). Furthermore, ER stress contributes to pancreatic β cells function loss and plays an important role in the pathogenesis of diabetes. We hypothesize that Nrf2 plays a key regulatory role in arsenic induced ER stress and UPR, as well as pancreatic β cells damage and function loss. In this study, we will start with the relationship of Nrf2 activation and ER stress/UPR caused by arsenic exposure using stable Nrf2 deficient pancreatic β cells and Nrf2 knockout islets. We propose to clarify the effect and molecular mechanism of Nrf2 activation and ER stress/UPR caused by arsenic exposure on pancreatic β cell damage and dysfunction. This will be the first mechanism study from the angle of Nrf2 and ER stress/UPR on arsenic induced pancreatic β cell damage and dysfunction. In addition, Nrf2 activators intervention will be applied in pancreatic β cells and isolated islets, which will help us to explore prevention strategy and treatment of arsenic induced ER stress and pancreatic β cell damage/dysfunction.

砷暴露与2型糖尿病的发病密切相关，但确切机制不清。砷暴露诱导的核转录因子Nrf2活化，参与砷导致的胰岛β细胞、脂肪细胞损伤和功能障碍；且砷暴露可以引起多种细胞的内质网应激及其适应性未折叠蛋白反应（UPR），而内质网应激调控胰岛β细胞功能和糖尿病的发生。因此本研究假设：Nrf2在砷暴露导致的胰岛β细胞内质网应激及UPR和细胞损伤过程中起到关键调节作用。本研究以砷诱导的Nrf2活化与内质网应激及UPR关系作为切入点，拟应用Nrf2基因沉默胰岛β细胞系和Nrf2基因敲除胰岛，在分子水平阐明Nrf2活化和内质网应激及UPR在砷暴露导致的胰岛β细胞损伤和功能障碍中的关系。从Nrf2和内质网应激关系角度探讨砷致胰岛β细胞损伤的机制，以前未有报道。此外，我们拟应用Nrf2激活剂干预，初步探讨砷暴露导致的内质网应激和胰岛β细胞损伤和功能障碍的防治策略，为砷暴露现场人群糖尿病防治工作提供理论基础和科学依据。

流行病学调查发现急慢性砷暴露与2型糖尿病的发病密切相关，但确切机制不清。砷暴露诱导核转录因子Nrf2活化，还可以引起多种细胞的内质网应激及未折叠蛋白反应（UPR）、氧化应激及其介导的适应性抗氧化反应，因此本研究从Nrf2在砷暴露导致的胰岛β细胞内质网应激和细胞损伤过程中的关键调节作用入手，应用Nrf2基因稳定沉默胰岛β细胞MIN6细胞系和Nrf2基因敲除胰岛等模型，在分子水平阐明Nrf2活化和内质网应激及UPR和氧化应激及抗氧化反应在砷暴露及其介导的内质网应激和氧化应激导致的胰岛β细胞损伤和功能障碍中的关系。本项目研究发现急性砷暴露导致胰岛β细胞活力下降、细胞凋亡、胰岛素表达和分泌功能障碍，这与砷暴露导致的胰岛β细胞内质网应激和UPR相关通路的改变有关。进一步研究证实Nrf2是以砷化物为代表的环境内质网应激和氧化应激所致胰岛β细胞损伤和功能障碍的关键调节因子，通过结合抗氧化基因启动子区抗氧化反应元件（ARE）和调节UPR关键蛋白GRP78/CHOP建立氧化应激和内质网应激间的关联。另外，Nrf2激活剂tBHQ、DMF和CDDO预处理能够保护胰岛β细胞损伤和功能障碍，这为初步探讨以砷化物为代表的环境内质网应激和氧化应激物导致胰岛β细胞损伤和功能障碍的预防策略提供实验基础和理论依据。本项目执行过程中还发现了Nrf2的同源基因长型Nfe2l1通过调节Nrf2的活性，调控胰岛β细胞内砷甲基化代谢，以及与急性砷暴露导致的胰岛β细胞损伤和功能障碍间的关系及其机制，这些都提示胰岛β细胞内Nrf2介导的抗氧化系统和UPR系统稳态调节的可代偿性和复杂性，为进一步深入研究奠定基础。