Mechanisms of autophagy regulation and its disruption in pancreatic beta cells

• Project/Area Number: 23K27655
• Project/Area Number (Other): 23H02964 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 54040:Metabolism and endocrinology-related
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 綿田 裕孝 順天堂大学, 大学院医学研究科, 教授 (60343480)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西田 友哉 順天堂大学, 医学部, 准教授 (10581449)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2025: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2024: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2023: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: ２型糖尿病 / 膵β細胞 / オートファジー

Outline of Research at the Start

既報では、高血糖、高FFA負荷の培養膵β細胞ではオートファジー不全が認められるが、その本体はオートファゴゾーム形成過程での異常というよりはリソソーム機能不全であることが報告されている。我々はリソソーム機能不全を引き起こす分子として２型糖尿病の膵β細胞で発現が低下することが報告されているリソソーム分解酵素、CtsDに着目した。そして、CtsDが2型糖尿病膵島に沈着するアミロイドの構成成分であるヒトIslet Amyloid Polypeptide (IAPP)の分解に関わる可能性も含め、CtsD機能不全の観点から膵β細胞オートファジー不全の分子メカニズムを解明することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

２型糖尿病は徐々に膵β細胞機能不全が進行する疾患であるが、そのメカニズムに関しては明確にされていない。剖検膵を用いた研究では、２型糖尿病患者では膵島にアミロイド沈着が認められることが知られている。さらに、健常人に比べて２型糖尿病患者の剖検膵β細胞ではリソソーム分解酵素であるカテプシンDとBの発現が著明に低下していることが報告されている。カテプシンＤはアルツハイマー病の成因と考えられるアミロイドβの分解を行っている可能性が指摘されていることを考えると。膵β細胞で発現するアミリンを基として出現する細胞外アミロイド沈着とそれに起因する膵島障害の抑制にカテプシンDが関与している可能性がある。
そこで、本研究においては膵β細胞恒常性維持におけるカテプシンDの作用を解明することを目的とする。その目的で、CRISPR-Cas９システムを用いてカテプシンDノックアウトMIN6細胞株を樹立した。その結果、カテプシンD欠損は膵β細胞におけるリソソームの容積を増加させ、また、TFEBの発現を抑制した。また、膵β細胞特異的カテプシンD欠損マウスを作成した。本マウスでは膵β細胞のリソゾーム容積の増加を認めるものの、本マウスにおいては耐糖能障害を示さなかった。一方、本マウスとヒトIAPPを発現させたトランスジェニックマウスを掛け合わせると耐糖能の悪化を認めた。
本研究結果は、カテプシンDがヒトIAPPの毒性除去に関与している可能性を示唆している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

膵β細胞のおけるカテプシンDが何らかの特別な役割をもっているとの仮説のもと、膵β細胞特異的カテプシンD欠損マウスを作成した。本マウスでは膵β細胞のリソゾーム容積の増加を認めるものの、本マウスにおいては耐糖能障害を示さなかった。一方、本マウスとヒトIAPPを発現させたトランスジェニックマウスを掛け合わせると耐糖能の悪化を認め、カテプシンDがヒトIAPPの毒性除去に関与していることを示唆する結果を得ており、ある意味、仮説を支持する結果が得られている。

Strategy for Future Research Activity

今後、膵β細胞特異的カテプシンDノックアウトマウスとhIAPPトランスジェニックマウスを掛け合わせたマウスにおける耐糖能の悪化のメカニズムを検討することに注力する。
とくに、腫大したリソソームに含まれるものとしてhIAPPを想定しているが、それと同時に、客観的にリソソームに含まれる物質の同定を行う。また、アミロイド沈着による細胞毒性が膵β細胞のインスリン発現量低下を生じるメカニズムを検証する。