砷通过ACO2-αKG-线粒体自噬通路促进MIN6细胞功能障碍

《Chemico-Biological Interactions》：Arsenic promotes MIN6 cells dysfunction via ACO2-αKG-mitophagy pathway

　　摘要：亚砷酸盐可损害胰腺β细胞功能，但线粒体代谢紊乱与这种毒性之间的关联机制尚不完全清楚。因此，通过溶酶体降解去除功能失调线粒体的线粒体自噬备受关注。线粒体（顺）乌头酸酶2（ACO2）是三羧酸循环中的关键酶，负责协调线粒体功能并参与能量代谢。然而，ACO2在亚砷酸盐诱导的胰腺β细胞线粒体功能障碍和线粒体自噬改变中的作用仍不明确。本研究表明，砷暴露导致线粒体ACO2下调。正如预期，ACO2过表达逆转了砷诱导的MIN6细胞功能障碍。此外，砷诱导胰岛β细胞线粒体自噬抑制，其特征为PTEN诱导激酶1（PINK1）、Parkin RBR E3泛素蛋白连接酶（Parkin）和sequestosome 1（p62/SQSTM1）下调，同时微管相关蛋白1轻链3-II（LC3-II）水平升高。ACO2逆转了这些蛋白表达的改变。同时，ACO2过表达升高了三磷酸腺苷（ATP）和线粒体膜电位（MMP）水平，降低了线粒体活性氧（mtROS）的产生，并减轻了砷诱导的β细胞功能损伤。此外，补充α-酮戊二酸（α-KG），一种ACO2的下游代谢产物，同样减轻了砷诱导的MIN6细胞线粒体自噬抑制和功能损伤。总之，本研究揭示了一种新机制，即无机砷可能通过ACO2-αKG-线粒体自噬途径导致胰腺β细胞功能障碍。这些发现推进了对亚砷酸盐诱导β细胞毒性的机制理解。引言：近年来，砷毒性因其对人类健康的不良影响而受到广泛关注。砷可导致多器官损伤并破坏细胞功能[1]。实验研究表明，亚砷酸盐损害胰腺β细胞功能，包括胰岛素合成和分泌[2]，[3]。阐明这些效应背后的细胞和分子机制对于理解砷诱导的胰腺毒性至关重要。先前的研究表明，砷诱导的胰腺β细胞功能障碍涉及多种生物学过程，包括胰岛素合成和分泌受损、Ca2?和氧化还原信号紊乱、氧化应激、内质网应激以及自噬相关通路失调[4]，[5]，[6]，[7]，[8]。这些发现表明，砷诱导的β细胞损伤是由多种相互作用机制介导的。在这些过程中，线粒体功能障碍可能有助于β细胞功能受损，因为线粒体代谢和ATP生成参与葡萄糖刺激的胰岛素分泌[9]，[10]。然而，线粒体功能障碍在砷诱导的MIN6细胞中的确切作用和机制尚不明确。线粒体自噬通过清除受损线粒体在维持线粒体稳态中至关重要，从而维持细胞平衡[11]。线粒体自噬主要由受损线粒体去极化和膜电位丧失触发，这进一步受到各种外部因素（包括活性氧（ROS）、营养缺乏和细胞衰老）反应变化的影响[12]。PTEN诱导激酶1（PINK1）和Parkin RBR E3泛素蛋白连接酶（Parkin）是线粒体自噬途径中的关键参与者。在正常情况下，PINK1被蛋白酶体持续降解，维持基础状态[13]。然而，在线粒体损伤时，PINK1在线粒体外膜上积累，招募并激活Parkin[14]。Parkin用泛素标记受损线粒体，使其被货物受体识别。线粒体自噬受损导致功能失调线粒体和细胞应激的积累。尽管我们先前的研究提示砷可诱导线粒体自噬，但对其潜在机制的深入探究是有必要的[15]。线粒体顺乌头酸酶（ACO2）是一种含有铁硫簇（FeS）的酶，催化三羧酸（TCA）循环中柠檬酸和异柠檬酸之间的关键互变，在线粒体和自噬功能以及能量代谢中发挥关键作用[16]。ACO2在生物体中广泛表达，并涉及一系列代谢紊乱，包括糖尿病、肿瘤疾病和神经退行性疾病[17]，[18]，[19]。然而，ACO2在亚砷酸盐诱导的MIN6细胞线粒体功能障碍和线粒体自噬改变中的作用仍不明确。为了研究亚砷酸盐诱导胰腺毒性的机制，我们检查了大鼠胰腺组织的改变，并在MIN6细胞中进行了机制实验。我们假设线粒体ACO2减少和α-酮戊二酸（αKG）可用性改变导致线粒体自噬受损、线粒体损伤和β细胞功能障碍。本研究旨在阐明ACO2-αKG-线粒体自噬轴在亚砷酸盐诱导的β细胞损伤中的作用。章节片段动物：无特定病原体（SPF）雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠购自人类疾病基因组工程动物模型研究所。十只SD大鼠随机分为2组，并保持一致的饲养温度、湿度和光照条件。亚砷酸钠（Sigma-Aldrich，S7400，纯度≥90%）溶于蒸馏水中制备10 mM工作液。暴露组给予亚砷酸钠灌胃（5 mg/kg），每日两次，间隔12小时。ACO2过表达减轻NaAsO?诱导的MIN6细胞葡萄糖刺激胰岛素分泌损伤：如图S1A所示，对照组胰岛细胞呈圆形或椭圆形，分布均匀，胰岛结构完整。与对照组相比，暴露于NaAsO?的大鼠出现胰岛细胞肥大，伴随胰岛边缘不规则和胰岛细胞分布不均。OGTT结果显示，NaAsO?组大鼠血糖显著高于对照组，表明NaAsO?暴露损害了葡萄糖代谢。讨论：本研究探讨了线粒体自噬在亚砷酸盐诱导的β细胞损伤中的参与。在MIN6细胞中，NaAsO?暴露降低了线粒体ACO2表达和αKG含量，并伴随线粒体自噬相关蛋白改变、线粒体功能障碍和胰岛素分泌受损。ACO2过表达部分减轻了这些改变，而αKG预处理减轻了线粒体功能障碍和线粒体自噬相关蛋白的变化。这些发现支持了ACO2-αKG-线粒体自噬轴在亚砷酸盐诱导β细胞损伤中的参与。CRediT作者贡献声明：Qi Wang：方法学。Shuang Liu：初稿撰写、调查。Yueyan Jia：方法学。Xiance Sun：项目管理、资金获取。Guang Yang：项目管理。Jingyuan Zhang：初稿撰写、调查、资金获取。Xiaofeng Yao：项目管理。Tianming Qiu：方法学。Ningning Wang：项目管理。Jie Bai：项目管理。伦理声明：本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究经大连医科大学批准。声明：作者声明本工作不存在利益冲突。资金声明：本研究由辽宁省高等教育机构基础科学研究教育创新团队项目（LJ222510161008）、大连医科大学跨学科研究合作项目团队资助（JCHZ2023012）、中国博士后科学基金博士后项目（GZC20251542）、辽宁省自然科学基金（2025-BS-0688）资助。大连市科技人才创新项目（2025RQ14）；大连青年人才发展资助。利益冲突声明：? 作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。Jingyuan Zhang|Shuang Liu|Qi Wang|Yueyan Jia|Tianming Qiu|Xiaofeng Yao|Jie Bai|Ningning Wang|Guang Yang|Xiance Sun大连医科大学公共卫生学院职业与环境健康系，大连市旅顺南路西段9号，116044，中国