微囊藻毒素-LR对胰岛β细胞的损伤作用及与糖尿病发生的潜在关系研究

As water eutrophication increase globally, the secondary metabolism of cyanobacteria, microcystins (MCs), present health risks for wild and domestic animals as well as humans. However, to date, the studies on the adverse effects of MC on human life and health are still limited. Our previous studies for the first time showed that the diabetes gene significantly changed after both low and high-dose MC exposure, which means that MC may play important role in the occurrence of diabetes mellitus, but the exact mechanisms are not clear. Therefore, based on our previous studies, this project will focus on the mechanisms of MC-LR-induced impairment of islet β cell by utilizing biochemical, pathological and molecular analysis. We will also verify the role of diabetes gene in MC-LR-induced damage in β cell. Then, the cells will be exposed to MC-LR to understand the molecular alteration associated with diabetes by using toxicogenomics and bioinformatics analysis. These results will help us to fully understand the toxic effects of MC and the relationship with human health.

随着水体富营养化在世界范围内的不断加剧，其次生代谢产物微囊藻毒素（Microcystins, MCs）对动物及人类的健康产生了潜在的危害，而目前为止MC对人类健康效应的研究还非常有限。我们前期动物实验首次发现高低浓度的MC-LR均可诱导糖尿病基因的显著性变化，表明MC-LR暴露可能对广泛流行的糖尿病的发生发展有一定的作用，但具体的作用途径和机制并不清楚。因此，本研究在前期实验的基础上，以大鼠胰岛β细胞系INS-1细胞作为实验材料，运用生物化学、病理、分子生物学等技术进一步深入探讨MC-LR对胰岛β细胞的影响机制，并对前期获得的糖尿病基因在MC诱导的β细胞损伤中的作用途径进行验证；同时运用毒理基因组学和生物信息学技术，寻找MC-LR诱导的与糖尿病发生相关的分子标记物。项目的开展有助于人们全面了解广泛存在于各种水体的MC的毒性效应和作用途径以及与人类健康的潜在关系。

我国是世界上蓝藻水华暴发最为严重、分布最为广泛的国家之一。频繁暴发的蓝藻水华释放出大量的蓝藻毒素给环境带来了严重的危害。微囊藻毒素（microcystin，MC）是蓝藻毒素最常见，毒性最强的一种。它可在动物多种器官内富集并造成一定的损伤作用。我们前期研究发现，蓝藻毒素可在小鼠胰腺组织内富集，并影响了其胰岛素水平的变化，同时诱导了糖尿病基因的显著差异表达。因此，在前期数据的基础上，我们以大鼠胰岛β细胞为实验材料，深入探讨了MC暴露对胰岛β细胞的损伤途径和分子机制。研究结果表明，（1）MC-LR暴露改变了胰岛细胞的形态和功能。主要表现为MC-LR暴露降低了胰岛细胞存活率，并呈现剂量依赖趋势。MC-LR暴露降低了胰岛细胞对葡萄糖刺激的反应能力，抑制了胰岛素的分泌。MC-LR改变细胞内线粒体超微结构，引起了线粒体肿胀及脊和基质的损失；（2）MC-LR主要通过诱导细胞凋亡和抑制细胞G2/M期，减少胰岛素分泌的有效细胞数量，从而降低胰岛素含量，影响胰岛细胞功能；（3）MC-LR引起了胰岛细胞内质网应激，诱导内质网应激蛋白的异常表达，这些异常表达的内质网蛋白能够影响胰岛素的合成和分泌过程，并诱发细胞的凋亡程序，最终导致胰岛细胞损伤，降低胰岛素水平；（4）MC-LR暴露改变了胰岛β细胞的分子表达基础，mRNA水平变化是造成胰岛细胞生理生化（如细胞凋亡，氧化应激，细胞周期改变等）变化的主要原因。通过表达谱筛选出来的胰岛功能调控基因Pdx1和Neurod1基因在糖尿病发生发展的过程中有着非常重要的作用，预示MC-LR可能参与了人群高发疾病糖尿病发生发展的过程。因此，本项目研究成果深入揭示了MC长期污染对糖尿病发生发展的贡献，并有助于人们全面了解广泛存在于各种水体的MC的毒性效应和作用途径以及与人类健康的潜在关系。