Nicotinamide riboside kinase 1 protects against diet and age-induced pancreatic β-cell failure
摘要
本研究揭示了烟酰胺核糖激酶1（NRK1）在肥胖与衰老背景下维持胰腺β细胞功能的关键作用。通过对全身性NRK1敲除（KO）和β细胞特异性敲除（BKO）小鼠模型进行高脂饮食（HFD）与衰老干预，发现NRK1缺失加剧葡萄糖不耐受和胰岛素分泌缺陷。值得注意的是，β细胞特异性NRK1缺失未重现表型，表明β细胞功能障碍源于肝脏、肾脏等外周器官NAD+代谢紊乱引发的系统性改变，而非β细胞自主性缺陷。关键机制包括：
- 循环DPP-IV升高：抑制GLP-1活性（图6H-I）；
- 组织纤维化：胰腺、肝脏和肾脏纤维化加重（图5K-L，图6D-E）；
- 线粒体功能受损：肝脏和肾脏复合物I呼吸能力下降（图6F-G）。 研究首次阐明NRK1依赖的NAD+合成通路在代谢应激下维持全身葡萄糖稳态的生理意义，为靶向NR代谢干预糖尿病提供了新视角。
引言：NAD+代谢紊乱与β细胞功能障碍的关联
代谢疾病与NAD+稳态的病理联系
胰岛素抵抗和2型糖尿病（T2DM）的发病率随肥胖与老龄化显著上升。研究表明，NAD+水平下降是代谢性疾病的共同特征：
- NAD+前体干预效果：补充烟酰胺核糖（NR）或烟酰胺单核苷酸（NMN）可改善胰岛素抵抗模型葡萄糖耐受性（参考文献4-7）。
- β细胞特异性机制：高糖或炎症因子刺激下，NMN能恢复β细胞葡萄糖刺激胰岛素分泌（GSIS）能力（参考文献8-9）。
NRK1的核心地位
NRK1是NR转化为NAD+的限速酶（图1A）。其组织分布具有特异性：
- 高表达组织：肝脏、胰腺胰岛；
- 低表达组织：骨骼肌中由NRK2部分代偿。
本研究首次聚焦NRK1在β细胞应激适应中的作用，通过双模型（全身KO vs β细胞特异性BKO）揭示其系统性保护机制。
图一
研究方法与模型构建
动物模型设计
| 模型类型 | 遗传背景 | 干预方案 |
|---|---|---|
| 全身NRK1 KO | C57BL/6NTac纯合 | HFD（8周起始）或自然衰老（24月） |
| β细胞特异性BKO | C57BL/6NTac × C57BL/6J杂交 | 同全身KO |
| 注：BKO通过Ins1-Cre与Nmrk1 floxed小鼠杂交实现（图1C-D）。 |
核心实验方法
- 代谢表型分析：
- 葡萄糖/胰岛素耐量试验（IPGTT/IPITT）
- 间接热量测定（CLAMS系统监测VO₂、RER）
- 胰岛功能评估：
- 离体GSIS检测（图3I, 图5H）
- 胰岛素/胰高血糖素免疫组化（图3D, 图5A）
- 分子机制解析：
- NAD+水平检测（EnzyChrom试剂盒）
- RNA-Seq转录组分析（QuantSeq 3’ mRNA-Seq）
- 线粒体呼吸测定（Oroboros Oxygraph-2k）
图二
结果解析：NRK1缺失加剧代谢应激下的β细胞衰竭
1. NRK1在胰岛β细胞中功能性表达
- 表达验证：
NRK1蛋白在胰岛富集（较全胰腺高3倍），INS-1E细胞系中显著表达（图1B）。 - NAD+合成能力：
NR处理（0.5 mM, 2h）使野生型（WT）胰岛NAD+升高40%，而KO胰岛无响应（图1E）。过表达NRK1可放大NR效应（图1G-H），证实NRK1是β细胞利用NR的关键酶。
2. HFD诱导的β细胞功能障碍依赖全身NRK1
- 全身KO表型：
HFD喂养16周后，NRK1 KO小鼠出现：- 葡萄糖不耐受（血糖曲线下面积↑30%，图3A）
- GSIS受损（胰岛素分泌↓50%，图3B）
- 胰岛代偿性肥大（面积↑25%，图3F）但胰岛素含量↓（图3J）
- β细胞特异性BKO无表型：
血糖稳态、GSIS及胰岛基因表达（如MafA、Gck）均与对照无异（图S4G-L），提示β细胞自主性NRK1非必需。
图三
3. 衰老通过降低β细胞质量损害胰岛素分泌
- 全身KO老龄鼠特征：
- 葡萄糖刺激后胰岛素分泌↓40%（图4G）
- 胰岛数量↓35%、纤维化面积↑3倍（图5B-C, L）
- 肝脏/肾脏NAD+水平较WT进一步降低20%（图6A-C）
- BKO无衰老相关缺陷：
胰岛素分泌、胰岛形态与对照无差异（图S5C-E），再证系统性机制主导。
图四
4. 全身性代谢紊乱的核心介质
- 循环因子异常：
- DPP-IV：HFD及老龄KO小鼠血浆水平均↑（图6H, S6B）
- GLP-1：老龄KO再进食后活性GLP-1↓50%（图6I）
- 器官纤维化与线粒体功能障碍：
- 肝/肾纤维化基因（Fn1, Tgfb）表达↑2倍（图6D-E）
- 肝脏复合物I最大呼吸能力↓30%（图6F）
图六
讨论：系统性NAD+失衡是β细胞衰竭的驱动因素
NRK1的生理独特性
本研究揭示NRK1在应激下的不可替代性：
- 基础状态：NAM仍可维持NAD+水平（图1F）；
- 代谢应激：NRK1缺失导致外周器官（肝/肾）NAD+储备耗竭，引发循环因子紊乱（如DPP-IV↑），间接损害β细胞。
DPP-IV-GLP-1轴的关键作用
DPP-IV升高通过降解GLP-1削弱肠-胰岛轴功能：
- 直接证据：老龄KO再进食后GLP-1应答受损（图6I）；
- 临床关联：DPP-IV抑制剂已是T2DM一线药物，本研究为其机制提供新佐证。
组织纤维化的恶性循环
胰腺纤维化减少功能性β细胞质量（图5K-L），而肝/肾纤维化进一步恶化全身代谢环境。NAD+前体干预可缓解纤维化（参考文献56-59），提示NRK1通路在此过程的保护作用。
结论与展望
本研究确立NRK1为肥胖和衰老背景下β细胞功能的系统性守护者：
- 机制创新：首次发现DPP-IV升高和GLP-1应答缺陷是NRK1缺失导致β细胞衰竭的关键介质；
- 临床意义：NR补充需解决胃肠降解问题（参考文献77-78），开发稳定NR前体或联合DPP-IV抑制剂可能是新方向；
- 局限性：BKO模型的混合遗传背景可能弱化表型，需在纯合背景中验证。
综上，靶向NRK1通路为代谢性疾病干预提供了新靶点，未来需深入探索器官间NAD+代谢的交互机制。
图表示例
表1. NRK1 KO与BKO模型在HFD和衰老下的表型对比
| 表型指标 | 全身NRK1 KO (HFD) | 全身NRK1 KO (衰老) | β细胞NRK1 BKO |
|---|---|---|---|
| 葡萄糖耐受 | ↓↓ | ↓ | ↔ |
| GSIS | ↓↓ | ↓ | ↔ |
| 胰岛数量/大小 | ↑ (肥大) | ↓ (萎缩) | ↔ |
| 循环DPP-IV | ↑ | ↑ | ↔ |
| 肝/肾NAD+水平 | ↓ | ↓↓ | ↔ |
图7. NRK1缺失通过全身性代谢紊乱损害β细胞功能的机制总结 （示意图展示DPP-IV升高、GLP-1抑制、纤维化与线粒体功能障碍四重通路）
| 名称 | 货号 | 规格 |
| U-PLEX Metabolic 3-Plex Combo 2 (ms) SECTOR (25 PL) | K15305K-4 | 25PL |
| U-PLEX Metabolic 3-Plex Combo 2 (ms) SECTOR (5 PL) | K15305K-2 | 5PL |
| U-PLEX Metabolic 3-Plex Combo 2 (ms) SECTOR (1 PL) | K15305K-1 | 1PL |
