糖尿病發生一般會伴有胰島素水准的异常。囙此，胰島素分泌的嚴格調控對於機體維持葡萄糖穩態具有重要的生理病理意義。體內β細胞胰島素分泌受到葡萄糖，激素，神經遞質等的嚴格調控，副交感神經刺激胰島素分泌是其中一種重要機制。副交感訊號在β細胞裏感知的訊號通路以及如何刺激胰島素囊泡釋放，並不完全清楚。
高級多磷酸肌醇是源於GPCR信使IP3，由一系列肌醇激酶層級磷酸化所形成的代謝小分子，進化上保守但功能所知甚少（圖1）。焦磷酸肌醇5-IP7（IP7）由其合成激酶IP6K磷酸化IP6生成。IP7能量高，在IP6K和磷酸酶（DIPP）的作用下與IP6動態轉換，具有信使分子的暫態合成降解内容。根據IP6K敲除小鼠和細胞系的錶型，IP7應參與很多生理與疾病過程，如調控腫瘤細胞凋亡和轉移的命運抉擇。但是，IP7的普適性作用原理和所轉導的生理訊號通路及其作用的分子機制尚不清楚。
圖1:高級多酸肌醇代謝分子的信使功能與機制研究。IP6K介導的IP6-IP7間的動態轉換可能參與了細胞對外界訊號/刺激/脅迫的應答。然而，IP6K參與應答的訊號以及IP7的靶標與作用機制未知。
近日，中國科學技術大學細胞動力學教育部重點實驗室王朝團隊與南方科技大學生命科學學院饒楓團隊合作，在Nature Metabolism線上發表了題為：“5-IP7is a GPCR messenger mediating neural control of synaptotagmin-dependent insulin exocytosis and glucose homeostasis”的研究論文。報導了一個新的GPCR信使：IP7，以及其感應副交感神經訊號刺激胰島素分泌的功能和分子機制。
在此項研究中，作者首先解析了生理狀態下IP6K1的磷酸化活化調控機制，在副交感神經啟動時，分佈於胰島β細胞表面的乙醯膽鹼受體接受到來自於神經末梢的乙醯膽鹼，通過一系列信號轉導過程（Ach-M3R-Gαq/11-PLC-PKC/PKD-IP6K1）磷酸化IP6K1，促進生成IP7（圖2）。進一步，作者通過構建類比磷酸化修飾的IP6K1 S118/121D突變體小鼠和β細胞IP6K1特异敲除的IP6K1fl/fl：MIP-Cre小鼠，並表徵其相關代謝名額，發現副交感神經調控胰島β細胞中的5-IP7生成，可以促進胰島素分泌和葡萄糖穩態調控。如發現IP6K1 S118/121D鼠具有更高的血清胰島素水准，更好的葡萄糖耐受，並且其islets也具有更强的胰島素分泌能力。相反，IP6K1fl/fl：MIP-Cre小鼠表現出受損的葡萄糖誘導的胰島素分泌以及更差的葡萄糖耐受。由此，作者得出結論，IP6K1受副交感遞質乙醯膽鹼受體啟動後，通過其酶活產物5-IP7實現促進胰島素分泌的功能。這是關於IP6K酶活的生理調控的首次報導，是中樞調控外周的一項新發現。
圖2:乙醯膽鹼受體-Gq-PLC-PKC訊號通路對IP6K1的磷酸化修飾調控路徑和參與神經調控代謝的生理背景。
研究團隊進一步解析了胰島素分泌相關突觸結合蛋白Syt7與磷酸肌醇複合物的晶體結構，作者發現IP7可與PIP2競爭結合Syt7，從而抑制無刺激時的自發囊泡釋放。在鈣內流刺激的胰島素囊泡與細胞膜融合過程中，鈣離子可與5-IP7結合，從而促進Syt7與細胞膜上的PIP2結合，催發SNARE介導的囊泡與細胞膜自然融合。而IP7的前體IP6與鈣離子的結合能力較弱，此差异在IP6K1啟動時或IP6K1S118/121D突變體裏被放大，導致鼠胰島素分泌高於正常水准（圖3）。基於此，作者提出，當Gq偶聯的GPCR被啟動時，IP7是與Ca2+共同作用的“共發”信使（coincident messenger）來參與囊泡釋放。該工作首次發現IP7是Gq偶聯的GPCR的第二信使，與著名的信使分子cAMP有類通性（注：cAMP是Gs偶聯的GPCR的第二信使）。代謝小分子IP7更為廣泛重要的信使功能有待進一步挖掘。
圖3: 5-IP7與Ca2+作為乙醯膽鹼受體GPCR通路下游的“共發”信使（coincident messenger）刺激胰島素囊泡釋放的作用模式圖。
南方科技大學饒楓課題組博士生張曉哲，博士生李娜、碩士生張隽、中國科學技術大學王朝課題組博士生張彥申、以及饒楓課題組科研助理楊曉麗為本論文的共同第一作者。王朝教授和饒楓教授為本文的共同通訊作者。此外，工作得到了南方科技大學張明傑院士，廣州生物島實驗室韓衛平教授、北京生命科學研究所齊湘兵研究員、華大基因任豔研究員、華中科技大學馬聰教授、南方科技大學肖國芝和張文清教授、南方科技大學第二附屬醫院薑楠教授以及西安交通大學王昌河教授團隊的支持與幫助。
該研究獲得了中國科學技術大學細胞動力學教育部重點實驗室、微尺度物質科學國家研究中心、雙一流建設專項資金，及國家自然科學基金、重點研發計畫等的資助。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s42255-021-00468-7