基于脂肪酸膜受体GPR40信号通路探讨全氟烷基化合物的胰岛素分泌功能干扰效应及其分子作用机制

Perfluoroalkyl substances (PFASs), as a new class of persistent organic pollutants, have been wildly detected in the environment and human populations. Recently, several epidemiologic studies and animal experiments have found that increased serum PFASs concentrations were significantly associated with disruption of the β-cell insulin secretion function. However, the molecular mechanism is still unknown. In the present project, we will investigate the disruption activity of PFASs on insulin secretion function of the β-cell and further study the toxicity mechanism based on the fatty acid receptor GPR40 signaling pathway. This project will help to understand the molecular initiative event and toxicity mechanism of PFASs’ disruption effect on the β-cell insulin secretion function. We will study the disruption effect of PFASs on the insulin secretion function of mice β-cell by using the in vivo animal experiments, in vitro cell experiments. By using the GPR40 knockout mice, we will clarify the role of GPR40 signaling pathway in the insulin secretion disruption effect of PFASs. We will detect the direct binding of PFASs to GPR40 receptor, investigate the effect of PFASs on GPR40 signaling pathway, and further simulate the interactions of PFASs with GPR40 receptor. By combining the above results, we will reveal the toxicity mechanism of PFASs’ disruption effect on the β-cell insulin secretion function based on the GPR40 signaling pathway.

全氟烷基化合物（PFASs）是一类广泛分布于人体及环境中的持久性有机污染物。近年来多篇人类流行病学调查和动物实验研究显示PFASs暴露与胰岛β细胞的胰岛素分泌功能异常具有相关性，但其作用机制目前尚不清楚。本项目以β细胞内关键的调控胰岛素分泌的脂肪酸膜受体GPR40信号通路为PFASs的潜在作用靶标，研究PFASs对β细胞胰岛素分泌功能的干扰效应并探讨其分子起始事件和毒性作用机制。我们通过整体动物实验和细胞水平实验，系统地研究PFASs对小鼠β细胞胰岛素分泌功能的干扰效应。之后通过对GPR40进行基因敲除，探讨GPR40信号通路对PFASs胰岛素分泌功能干扰效应的介导作用。通过考察PFASs与GPR40受体的直接结合作用，研究PFASs对GPR40信号通路的影响，并计算模拟PFASs与GPR40受体的结合作用方式，揭示PFASs通过GPR40信号通路干扰β细胞胰岛素分泌功能的作用机制。

本项目探讨了全氟烷基化合物（PFASs）对β细胞的胰岛素分泌功能干扰效应及其可能的毒性作用机制。首先，我们采用成年小鼠进行全氟辛烷磺酸（PFOS）28天暴露，考察其对小鼠的体重、空腹血糖值、糖代谢能力和胰岛素敏感性等的影响。发现PFOS可导致雄性小鼠出现胰腺质量减轻，胰岛面积减小，空腹血胰岛素水平和葡萄糖刺激胰岛素分泌能力下降。我们进一步采用小鼠胰岛瘤β-TC-6细胞进行体外实验，发现PFOS暴露48小时可以导致细胞凋亡和坏死。通过分析细胞内的活性氧自由基（ROS）含量，发现PFOS可能会通过诱导ROS产生而对β细胞产生毒性作用。以上研究明确了PFASs对β细胞的胰岛素分泌的干扰效应以及对β细胞的毒性作用。. 胰岛β细胞中的G蛋白偶联受体40（GPR40）信号通路是调控胰岛素分泌的关键通路。本项目以GPR40为PFASs的潜在作用靶标，探讨PFASs是否可能通过作用于该受体通路而影响β细胞的胰岛素分泌功能。通过小鼠实验，我们发现PFOS灌胃1小时，野生雄性小鼠的血胰岛素水平相比对照组的血胰岛素水平显著增高，而GPR40基因敲除小鼠相比对照组的基因敲除小鼠没有显著差异。通过细胞实验，我们发现PFOS暴露1小时可刺激β-TC-6细胞分泌胰岛素，并且该激活效应可以被GPR40的特异性抑制剂显著抑制。以上结果在动物水平和细胞水平明确了PFOS对β细胞的胰岛素分泌刺激作用，并且证实了GPR40信号通路对PFOS产生胰岛素分泌刺激效应的介导作用。. 此外，我们还在分子水平通过荧光竞争结合实验获得15种不同结构的PFASs与GPR40蛋白的结合能力。我们发现了碳链长度以及末端基团是影响PFASs与GPR40受体结合能力的关键因素。通过计算机模拟，我们还获得了PFASs与GPR40可能的结合作用方式。结果显示PFASs与GPR40的结合作用方式与天然脂肪酸非常类似，表明PFASs可能通过与脂肪酸类似的作用机制激活GPR40受体信号通路。通过以上研究，我们明确了PFASs对β细胞的胰岛素分泌功能干扰效应，并且揭示激活β细胞的GPR40受体信号通路可能是PFASs干扰胰岛素分泌的关键分子起始事件和毒性作用机制。本项目所取得成果可以帮助明确PFASs导致胰岛素分泌功能异常的毒性作用机制。