《The Journal of Nutritional Biochemistry》：Selenium Accumulated Exposure Aggravates the Progression of Type 2 Diabetes Mellitus via Activating the IRF2/Caspase-4/GSDMD Pyroptosis Pathway
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硒暴露通过激活IRF2/Caspase-4/GSDMD通路诱导胰岛β细胞吡罗帕斯，导致胰岛素分泌受损和糖尿病进展。体内实验显示高硒组小鼠血清硒含量升高，血糖和炎症因子水平显著升高，胰腺组织萎缩及炎症反应增强；体外实验证实硒可降低INS-1细胞活力，并激活该通路。吡罗帕斯抑制剂DSF及IRF2基因沉默均有效抑制硒诱导的吡罗帕斯及炎症反应。
魏兰成|李振|单俊豪|陈晓朗|周慧娇|钟进|杨永梅|迟金凡|张北斯基|梁恒伟|莫志东|谢林飞|林瑞|吕英楠|李少军|张海英
中国广西南宁市广西医科大学公共卫生学院职业卫生与环境健康系
摘要
新证据表明，高硒（Se）暴露可能与2型糖尿病（T2DM）的发病有关，而2型糖尿病通常与慢性低度炎症相关。焦亡是一种程序性细胞死亡形式，其特征是Caspases切割并激活GSDMD。作为干扰素调节因子，IRF2在调节Caspase-GSDMD介导的焦亡中起着关键作用。然而，IRF2在硒诱导的胰岛细胞焦亡中的作用及其对2型糖尿病发病的贡献仍不清楚。本研究探讨了硒暴露与2型糖尿病之间的关系，重点研究了IRF2介导焦亡的分子机制。我们的研究发现，硒在糖尿病小鼠的血清中积累，加剧了高血糖，降低了血清胰岛素水平，并引发了胰腺组织萎缩和炎症。此外，硒暴露还导致INS-1细胞中硒的积累，降低了细胞活力并损害了胰岛素分泌。使用焦亡抑制剂双硫仑（DSF）处理有效抑制了硒诱导的GSDMD表达、GSDMD-N切割以及凋亡相关斑点蛋白（ASC）和白细胞介素（IL）-18的产生，证实硒暴露会触发胰岛细胞的焦亡。体内和体外实验均一致表明，硒暴露通过激活IRF2/Caspase-4/GSDMD信号通路诱导焦亡。值得注意的是，通过慢病毒介导的IRF2沉默显著抑制了硒诱导的焦亡。总之，我们的研究表明，硒暴露通过IRF2/Caspase-4/GSDMD介导的焦亡通路促进2型糖尿病的进展。此外，靶向IRF2表达可能有效缓解硒诱导的胰腺β细胞损伤，为2型糖尿病的预防和治疗提供了一个有前景的治疗靶点。
引言
国际糖尿病联合会报告称，2021年20-79岁人群的糖尿病全球患病率为5.36亿，预计到2045年将增加到7.83亿[1]。2型糖尿病（T2DM）占全球所有糖尿病病例的约90%，是主要类型[2]。2型糖尿病是一种进行性代谢紊乱，其特征是胰腺β细胞功能障碍和外周胰岛素抵抗。2型糖尿病患者常伴有慢性低度炎症，这种炎症由胰岛素抵抗引发，并是疾病进展的关键驱动因素[3]。这种慢性炎症可进一步促进焦亡，这是一种以细胞肿胀、膜破裂和炎症细胞因子释放为特征的程序性细胞死亡[4]。最新证据表明，NLRP3介导的经典焦亡通路在2型糖尿病发病中起重要作用[5,6]。然而，其他焦亡因子在2型糖尿病中的作用仍不完全清楚，需要进一步研究。
干扰素调节因子2（IRF2）属于干扰素调节因子家族，通过转录调控关键靶基因（如着丝粒蛋白N（CENP-N）和gasdermin D（GSDMD）[[7], [8], [9]]在免疫反应和细胞分化中发挥关键作用。GSDMD是gasdermin家族的核心蛋白，作为炎症Caspases（Caspase-1/-4/-5/-11）的底物，其切割产生活性的N末端片段GSDMD-N，从而导致焦亡性细胞死亡[10]。一项全基因组筛选研究表明，在脂多糖（LPS）诱导的人类单核细胞来源的巨噬细胞焦亡模型中，只有三个基因——Caspase-4、GSDMD和IRF2——与焦亡显著相关，其中IRF2通过直接调节Caspase-4水平起关键作用[11]。抑制IRF2表达已被证明可以减少糖尿病肾病的细胞焦亡，从而减轻肾损伤[12]。然而，IRF2通过Caspase-4/GSDMD焦亡通路调节胰岛细胞损伤的潜在作用尚未探索。
维持正常的身体功能依赖于膳食微量元素的微妙平衡，因为缺乏或过量都会引发各种健康问题[13,14]。值得注意的是，2型糖尿病的发病不仅受炎症介质的影响，还受微量元素摄入这种关键平衡的影响。硒（Se）是一种必需的微量元素，在调节脂质和葡萄糖代谢中起着关键作用[15]。尽管硒很重要，但其安全摄入范围较窄，因此尚未建立普遍接受的安全摄入阈值[16]。历史上，人们认为硒具有抗氧化和抗炎作用，因此可能在2型糖尿病中发挥治疗效果。然而，观察性研究发现，较高的血浆硒水平与较高的2型糖尿病发病率相关[17]。硒与氧化还原/胰岛素信号基因多态性之间的遗传相互作用为硒浓度与糖尿病发病率之间的关联提供了生物学基础[18,19]。此外，硒通过活性氧（ROS）调节经典NLRP3/Caspase-1/GSDMD焦亡通路的机制已经得到了很好的研究[20]。然而，尚不清楚硒暴露是否直接通过非经典的IRF2/Caspase-4/GSDMD通路触发焦亡，从而损害胰岛素分泌。
总之，我们假设硒暴露可能通过调节IRF2/Caspase-4/GSDMD非经典焦亡通路引发炎症反应，从而促进2型糖尿病的发展。为此，我们将建立硒暴露的体内和体外模型。将使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）量化生物样本中的硒水平。为了验证硒是否诱导焦亡，我们将使用特定的GSDMD抑制剂双硫仑（DSF）来阻断这一过程[21]。此外，为了探讨IRF2的作用，我们将使用慢病毒载体生成IRF2敲低细胞系，并研究IRF2在硒暴露下的具体作用。
化学试剂
硒-L-蛋氨酸（Se-L-Met）和链脲佐菌素（STZ）购自Sigma-Aldrich。DSF购自MedChemExpress（MCE）。IRF2、IL-1β和山羊抗兔IgG抗体购自Cell Signaling Technology。GSDMD和GSDMD-N抗体购自Abcam，而凋亡相关斑点蛋白（ASC）、Caspase-4和IL-18抗体购自Proteintech。环孢素B（CYPB）、一抗稀释缓冲液、二抗稀释缓冲液
硒积累加剧了2型糖尿病小鼠的代谢紊乱和胰腺损伤。
本研究展示了动物实验设计的流程图（图1A）。在最初的4周内，模型对照组、低硒组和高硒组的体重显著高于对照组。然而，在注射STZ后，这些实验组的体重下降，实验结束时各组之间没有显著差异（图1B）。
通过STZ诱导糖尿病后，模型对照组和低硒组的FBG
讨论
本研究首次证明，硒积累通过IRF2/Caspase-4/GSDMD介导的焦亡通路加速了2型糖尿病的进展。我们在体外和体内观察到IRF2、Caspase-4和GSDMD的上调，这与葡萄糖代谢受损相关。焦亡抑制剂DSF显著缓解了硒诱导的焦亡和炎症。IRF2敲低实验进一步证实，硒通过这一通路诱导焦亡
结论
总之，本研究揭示了硒积累通过在胰腺组织和β细胞中的积累，从而损害胰岛素分泌，加速了2型糖尿病的进展。体内和体外实验均一致表明，硒暴露激活了IRF2/Caspase-4/GSDMD介导的焦亡通路，导致炎症因子的释放。在体外沉默IRF2有效抑制了这一焦亡级联反应，保护了β细胞的活力并减少了炎症
资助
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号82160158、81760145）、广西自然科学基金（2017GXNSFDA198032）、广西医疗器械管理局（广西医疗器械管理局直接[2024]编号047）以及广西医科大学一流学科创新人才计划的支持。
CRediT作者贡献声明
魏兰成：撰写——原始草稿、正式分析、数据管理、概念构思。李振：方法学、数据管理。单俊豪：方法学、数据管理。陈晓朗：研究、正式分析。周慧娇：研究。钟进：研究。杨永梅：研究。迟金凡：研究。张北斯基：研究。梁恒伟：研究。莫志东：研究。谢林飞：研究。林瑞：监督、研究。吕英楠：撰写
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
