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本文揭示了胰腺 β 细胞中，营养传感器雷帕霉素靶蛋白复合物 1（mTORC1）可通过胰岛素分泌机制被葡萄糖迅速激活，负向调节胰岛素分泌。mTORC1 通过 RhoA 依赖的肌动蛋白重塑发挥作用，该发现为预防胰岛素过度分泌及维持代谢平衡提供新视角。
引言
在人体中，胰腺胰岛 β 细胞对于维持血糖平衡起着至关重要的作用。当血糖水平升高时，β 细胞会以双相方式分泌胰岛素。第一阶段，葡萄糖代谢引发一系列细胞反应，包括 ATP 依赖的钾（KATP）通道关闭、细胞膜去极化和细胞质 Ca2+浓度增加，促使储存的胰岛素颗粒快速释放。随后，胰岛素释放会暂时受到抑制，进入第二阶段。这一阶段需要将细胞内储存池的颗粒招募到质膜，而丝状肌动蛋白（F-actin）的重组在其中起着关键作用，它就像一道屏障，控制着胰岛素颗粒的释放 。虽然 Rho 家族的 GTPases（如 Cdc42、Rac 和 RhoA）对第二阶段胰岛素释放和 F-actin 重塑至关重要，但这一过程的具体调控机制，尤其是葡萄糖刺激与 GTPases 激活以及 F-actin 动态变化之间的信号联系，仍有待深入研究。
以往研究发现，虽然钾离子通道开放剂（KCl）等非营养性促分泌剂能诱导胰岛素第一阶段释放，但只有营养物质可以通过 F-actin 重塑维持第二阶段释放。而且，除了葡萄糖，氨基酸、代谢信号（如 NADPH、丙二酰辅酶 A 和谷氨酸）以及激素（如胰高血糖素样肽 1（GLP-1）和胃抑制多肽（GIP））也参与了胰岛素分泌的正向调节 。在负向调节方面，已有研究报道了一些旁分泌负调节因子，如生长抑素和肾上腺素，它们能暂时使 β 细胞复极化或提高葡萄糖诱导胰岛素分泌的阈值。然而，旁分泌调节不太可能是胰岛素第二阶段分泌的唯一抑制机制，β 细胞内很可能存在尚未被发现的内在抑制机制，以防止高胰岛素血症的发生。
雷帕霉素靶蛋白复合物 1（mTORC1）作为细胞内重要的信号枢纽，可被葡萄糖、氨基酸和生长因子激活，对胰腺 β 细胞的生长、适应和功能至关重要。它通过下游靶点（如 4E-BP1、rpS6 和 ULK1）整合细胞自主和系统生长信号。此前的研究利用 mTORC1 通路组件的基因功能获得和缺失模型，强调了其在 β 细胞生理过程中的关键作用，特别是在胎儿发育、出生后早期和功能成熟阶段。但 mTORC1 对 β 细胞功能的短期影响，尤其是对胰岛素分泌动态的影响，目前还知之甚少。本文旨在揭示 mTORC1 在 β 细胞中的新功能，探究其对胰岛素分泌的动态调节机制。
结果
- mTORC1 是细胞自主分泌传感器：为了研究 mTORC1 活性与胰岛素分泌的关系，研究人员用葡萄糖在含有丰富营养成分的 RPMI 1640 培养基中刺激原代小鼠胰岛。结果发现，高葡萄糖能强烈诱导 mTORC1 活性，其标志是核糖体蛋白 S6（pS6）的磷酸化增加，且这种增加与胰岛素分泌水平相关。同时，4E-BP1 的磷酸化也随葡萄糖增加而增加，而作为 mTORC1 调节因子的 AMPK 磷酸化则减少。进一步研究发现，胰岛素本身并不能直接激活 β 细胞中的 mTORC1，阻断 ATP 生成会有效消除 pS6 染色，这表明激活 mTORC1 的主要信号是内在的。此外，刺激胰岛素分泌的药物（如 forskolin 和 exendin-4）能增强 mTORC1 激活，而抑制胰岛素分泌的药物（如 diazoxide 和 nifedipine）则会降低 mTORC1 活性 。在体内实验中，给禁食小鼠注射葡萄糖和 forskolin 或 diazoxide，结果与体外实验一致，证实了 mTORC1 激活与胰岛素分泌之间的关联。而且，mTORC1 活性的变化与胰岛素分泌的第二阶段相关，表明其在胰岛素分泌途径中具有调节作用。综合这些结果，mTORC1 在 β 细胞中的激活依赖于胰岛素分泌途径的激活，包括葡萄糖代谢、ATP 依赖的膜去极化和钙内流，这表明 mTORC1 可作为 β 细胞的活性传感器。
- mTORC1 以反馈方式抑制胰岛素分泌：研究人员通过用 Torin-1（一种有效的 mTOR 抑制剂）急性抑制 mTORC1，发现 Torin-1 能有效抑制 S6 磷酸化，同时显著增加葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）。使用更具特异性的 mTORC1 抑制剂 rapamycin 进行实验，也得到了类似的结果，且这种效应在低葡萄糖水平下不明显，说明其对 GSIS 的影响具有特异性，并非由于非特异性的 β 细胞损伤。进一步实验发现，同时使用 Torin-1 和 diazoxide，diazoxide 能完全消除 Torin-1 诱导的胰岛素分泌增加，这表明 mTORC1 抑制是通过调节机制来增强胰岛素释放的。
在胰岛素分泌动力学研究中，灌注实验表明，Torin-1 主要增强 GSIS 的第二阶段，对第一阶段和低葡萄糖刺激下的分泌影响较小。同时，Torin-1 也能增强 KCl 刺激的分泌。在体内实验中，给小鼠注射 Torin-1 后再给予葡萄糖，小鼠的胰岛素水平显著增加，这进一步证实了 mTORC1 与胰岛素分泌之间的负相关关系。此外，mTORC1 抑制还会影响 α 细胞功能，导致胰高血糖素分泌增加，这表明 mTORC1 在调节内分泌细胞的分泌方面具有更广泛的作用。
3. 葡萄糖介导的蛋白质合成不依赖 mTORC1：通常认为 mTORC1 在蛋白质合成中起重要作用，但在本研究中，用嘌呤霉素掺入法检测蛋白质合成时发现，Torin-1 对葡萄糖刺激的 β 细胞蛋白质合成没有显著影响，而蛋白质合成抑制剂环己酰亚胺则能有效抑制蛋白质合成。在肝细胞中，胰岛素刺激能显著增加 mTORC1 活性和蛋白质合成，且 Torin-1 能几乎完全抑制这种合成，这表明在肝细胞中蛋白质合成高度依赖 mTORC1 信号 。在 α 和 δ 细胞中，Torin-1 也会使蛋白质合成减少，但效果不如环己酰亚胺明显。这说明 β 细胞在快速分泌后，利用了一种不依赖 mTORC1 的途径进行蛋白质合成。长期使用 Torin-1 会抑制葡萄糖刺激的 mTORC1 活性、蛋白质合成和胰岛素分泌，且这种对 GSIS 的影响部分可被 diazoxide 逆转，这表明 mTORC1 在不同时间尺度上对 β 细胞功能有重要调节作用，以防止高胰岛素血症和 β 细胞功能障碍。
4. 磷酸蛋白质组学揭示急性 mTORC1 抑制对人 β 细胞的多靶点影响：在对人 β 细胞的研究中，用 Torin-1 或 rapamycin 处理分离的人胰岛和人干细胞衍生的胰岛（SC-islets），发现两种抑制剂都能显著增加胰岛素分泌，这与在小鼠 β 细胞中的结果一致，说明 mTORC1 调节在人 β 细胞功能中同样重要。通过磷酸蛋白质组学分析，研究人员发现急性 mTORC1 抑制影响了多个信号通路，包括 mTORC1 通路、膜转运和胰腺 β 细胞功能相关通路。除了已知的 mTORC1 下游靶点外，一些 β 细胞特异性因子也被发现是 mTORC1 的作用靶点。通路富集分析显示，RhoA-GTPase 通路是受影响最显著的通路之一，该通路参与肌动蛋白聚合，且在调节胰岛素分泌中起重要作用。mTORC1 抑制导致 RhoA-GTPase 通路中多个控制 RhoA 激活的蛋白质发生改变，这表明 mTORC1 可能通过调节 RhoA-GTPase 通路来影响胰岛素分泌。
5. mTORC1 通过激活 RhoA 控制肌动蛋白重塑：为了探究 mTORC1 对 RhoA 活性的影响，研究人员检测了 RhoA 下游效应器 MLC2 的磷酸化水平。结果发现，急性 mTORC1 抑制会降低小鼠和人 β 细胞中 MLC2 的磷酸化水平，这表明 mTORC1 直接或间接调节 RhoA-GTPase 活性。与 RhoA 在肌动蛋白重塑中的作用一致，用 Torin-1 或 rapamycin 处理 β 细胞后，F-actin 水平显著降低，使用 RhoA 抑制剂 rhosin 或肌动蛋白聚合抑制剂 Latrunculin A 也能得到类似结果。通过 F/G - 肌动蛋白比率测定发现，Torin-1 处理后 G-actin 增加，F-actin 减少，这有利于胰岛素颗粒的移动和胞吐。在体内和体外实验中，mTORC1 抑制都导致了皮质 F-actin 的减少。此外，研究还发现 mTORC1 抑制会增加钙内流和振荡，这与 mTORC1-RhoA 信号通路的复杂效应一致。这些结果表明，mTORC1 通过激活 RhoA 促进肌动蛋白聚合，从而限制胰岛素颗粒的移动和分泌。
6. mTORC1 通过 RhoA 依赖的肌动蛋白重塑控制胰岛素分泌：研究人员进一步研究了 mTORC1 活性、肌动蛋白重塑和胰岛素分泌之间的关系。他们用 mTOR 激活剂 MHY1485 预处理小鼠胰岛，发现预处理后胰岛的 mTORC1 活性增加，肌动蛋白聚合增强，胰岛素分泌减少，尤其是在葡萄糖刺激的早期阶段（10 分钟），这进一步证实了 mTORC1 通过肌动蛋白重塑抑制胰岛素释放的作用 。有趣的是，在 45 分钟的葡萄糖刺激后，各指标恢复到与对照组相似的水平，这表明 β 细胞能动态调节 mTORC1 活性和肌动蛋白细胞骨架，以维持适当的胰岛素分泌。
为了证实 mTORC1 通过 RhoA 调节胰岛素分泌，研究人员将 mTORC1 抑制与 RhoA 激活相结合进行实验。结果发现，RhoA 激活能显著减弱 mTORC1 抑制诱导的胰岛素分泌增加，同时抵消 mTORC1 抑制导致的 F-actin 聚合减少。这表明 mTORC1 通过激活 RhoA-GTPase 通路和促进肌动蛋白聚合来抑制胰岛素分泌，揭示了一条将营养和活性传感与胰岛素释放的内在控制联系起来的关键调节机制。
讨论
本研究揭示了 β 细胞通过一种非相干前馈回路（IFFL）来调节胰岛素分泌。在这个回路中，葡萄糖作为输入因子，既正向调节胰岛素分泌，又正向调节 mTORC1 活性，而 mTORC1 则负向调节胰岛素分泌 。IFFL 在生物系统中具有多种重要功能，如产生脉冲、加速反应或实现完美适应，这对于 β 细胞控制胰岛素分泌以维持葡萄糖稳态至关重要。
mTORC1 作为关键的信号枢纽，不仅能感知多种信号（如生长因子、氨基酸、压力、氧气和能量水平）来控制细胞生长和代谢，还能感知 β 细胞的细胞活动。研究发现，mTORC1 的激活依赖于与胰岛素分泌相同的细胞过程，这表明 mTORC1 可能在更广泛的细胞活动调节中发挥作用，而不仅仅局限于其在生长和代谢方面的功能。
本研究聚焦于 mTORC1 激活对 β 细胞活动的短期影响，利用 Torin-1 和 rapamycin 等药物进行急性抑制实验，揭示了一种全新的胰岛素分泌调节机制。这种内在调节机制使 β 细胞能够精确控制自身的分泌输出，在系统信号不足或延迟时，能根据局部代谢信号快速调整分泌。与以往使用小鼠遗传模型或长期 mTORC1 抑制剂处理的研究不同，本研究的急性抑制实验更能直接揭示 mTORC1 在胰岛素分泌途径中的即时作用。以往研究主要关注 mTORC1 对胰岛素分泌的长期或间接影响，而本研究发现的 mTORC1 在急性调节中的作用，为理解 β 细胞功能和功能障碍提供了新的视角。
在 2 型糖尿病（T2D）中，mTORC1 活性失调。本研究结果表明，mTORC1 在 β 细胞中起着关键的调节作用，其信号不足可能导致高胰岛素血症，进而引发胰岛素抵抗和 β 细胞衰竭；而过度激活则可能通过改变肌动蛋白动力学和囊泡运输等机制损害胰岛素释放，这可能是 T2D 中 β 细胞功能逐渐下降的原因之一 。因此，了解 mTORC1 失调在 T2D 发病机制中的作用，对于开发新的治疗策略具有重要意义。例如，识别 β 细胞中 mTORC1 的上游调节因子，或针对其下游效应器（如肌动蛋白细胞骨架）进行干预，可能有助于恢复 β 细胞功能，延缓糖尿病进展并预防相关并发症。
研究局限性
本研究主要使用 Torin-1 和 rapamycin 等药物来研究 mTORC1 的短期效应，虽然这些抑制剂为研究提供了重要信息，但可能存在脱靶效应，尽管研究已验证了其特异性。由于遗传操作具有慢性性质，不适合研究急性 mTORC1 抑制下信号通路和细胞过程的动态变化。在使用人类样本时，由于人类胰岛稀缺且功能多变，样本量有限可能会影响研究结果的普遍性。尽管使用了多个供体的样本和技术重复，且 SC-islets 的实验结果与模型一致，但仍需要更多研究来进一步验证。此外，本研究虽然揭示了 mTORC1 调节胰岛素分泌的机制，但对于 mTORC1 和 mTORC2 如何调节胰岛素分泌动力学以及 β 细胞其他活动的分子细节，还需要进一步深入研究。
