章小清、刘玲、房玉江团队发现胞内pH-Smad5信号通路控制胰岛素加工与分泌新机制

稳定的细胞内外环境是细胞正常增殖、分化、代谢等功能活动的基础，而面对不断变化的细胞内外环境，细胞也需要及时做出适应性反应。另一方面，细胞如何感知及适应各种环境压力，如温度、氧气浓度、胞内外酸碱度（pH）、渗透压及营养匮乏等，是基本的细胞生物学问题。在影响细胞内外环境的因素中，胞内pH是重要的生化信号，与细胞生理功能紧密相关，但细胞如何感知及适应胞内pH变化仍然未知。章小清/刘玲/房玉江团队前期研究创新性的发现了Smad5是细胞内的共性酸碱度感受器（章小清组创新性研究揭示Smad5感受细胞内酸碱度的新功能），实时感知胞外微环境，包括温度、酸碱度和渗透压改变所导致的胞内pH变化，进而通过调控代谢反应来维持胞内能量稳态【1,2】。研究团队提出细胞中存在一条共性的胞内pH-Smad5信号转导通路的初步构想。

2024年3月20日，同济大学医学院、附属东方医院章小清、刘玲、房玉江团队在Cell Metabolism上发表了题为：Cytosolic pH is a direct nexus in linking environmental cues with insulin processing and secretion in pancreatic β cells 的研究成果。研究发现：胞内pH-Smad5信号通路调控胰岛素加工与分泌的全新生理功能，该通路异常是糖尿病发生发展的重要病理生理机制，为糖尿病的干预提供了新的视角。

研究人员通过建立的酸碱报告模型小鼠，发现高糖刺激会引起胰腺β细胞GFP-Smad5从细胞核转位至细胞浆，说明高糖刺激引起β细胞胞内pH升高。为了探究这一现象的生理病理意义，研究人员在胰腺β细胞条件敲除Smad5，敲除Smad5引起小鼠高血糖及糖耐量异常，而胰岛素耐量没有明显变化，说明敲除Smad5不影响胰岛素敏感性。研究人员进一步证实敲除Smad5引起小鼠高血糖的原因是胰岛素分泌水平降低及胰岛素原表达增加，说明敲除Smad5引起胰岛素加工过程受阻。

在分子机制方面，研究人员通过免疫共沉淀-质谱技术（IP-MS）来鉴定Smad5结合蛋白，通过免疫共沉淀证明Smad5与V-ATPase（胰岛素分泌囊泡酸化的关键调节酶）的亚基ATP6V1A结合，并进一步证明Smad5与ATP6V1A结合促进V-ATPase酶活性，加速分泌囊泡酸化，从而促进由胰岛素原剪切为成熟胰岛素的加工过程。

为了解析胞内pH-Smad5信号通路在糖尿病发生发展中的作用，研究人员发现高脂饮食诱导的2型糖尿病模型小鼠，β细胞GFP-Smad5向细胞核内聚集，说明β细胞胞内酸化，并进一步证实这一酸化抑制胞内pH-Smad5信号，削弱胰岛素加工。而通过模拟β细胞胞内碱化的Smad5突变体小鼠或长期小苏打碱性饮水可以矫正β细胞胞内酸化，促进胰岛素加工并有效减轻高脂饮食诱导的糖耐量异常表型。

该研究首次在体内证实了：胞内pH-Smad5信号通路的生理病理功能，揭示了这一通路异常在糖尿病发病中病理生理机制，以及通过模拟胞浆碱化来改善糖尿病胰岛素分泌不足表型，为糖尿病的防治提供了新的思路。

胞内pH-Smad5通路调控胰岛素加工与分泌机制

研究团队经过十余年专注研究探索，在领域内率先发现了胞内pH感受器，初步建立了胞内pH-Smad5信号转导通路的概念，并在体内体外研究了这一通路的生理病理意义。研究团队的研究揭示了胞内pH的共性感受器，为研究胞内pH这一重要信号提供了前所未有的手段，同时将胞内pH存在重要生物学功能这一设想通过体内体外模型进行了证实，有望快速推进相关领域研究。（ 特别说明：同济大学医学院、附属东方医院章小清教授、刘玲教授、房玉江助理教授为论文共同通讯作者，同济大学医学院房玉江助理教授、冯和玺博士、张博文博士为共同第一作者。）

参考文献

1. Fang, Y., Liu, Z., Chen, Z., Xu, X., Liu, L., Zhang, X., et al. Smad5 acts as an intracellular pH messenger and maintains bioenergetic homeostasis. Cell Research, 2017, 27, 1083–1099.

2. Orlowski, J. SMAD5 signaling: more than meets the nuclei. Cell Research, 2017, 27, 1075–1076.

来源：BioArt微信公众平台

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