解码 GLP1R 纳米结构域！大视野单分子超分辨系统登 Cell Metab等高水平期刊，解锁胰岛素调节新通路

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胰岛由各种不同类型细胞组成，胰腺α细胞通过释放胰高血糖素以旁分泌方式调节β细胞功能以释放胰岛素。然而，α细胞对β细胞调节背后的详细分子机制仍未充分阐明。

英国牛津糖尿病、内分泌学和新陈代谢中心的David Hodson的研究组使用Abbelight SAFe 180大视野单分子超分辨系统，通过直接随机光学重构显微成像（dSTORM）成像发现胰高血糖素样肽-1受体（GLP1R）在与α细胞接触的β细胞膜上以纳米结构域形式富集，完成了胰腺激素分泌调控的关键研究，相关成果发表于《Cell Metabolism》及《Nature   Metabolism》高水平期刊上。

由于光学显微镜存在衍射极限，因此研究组采用了dSTORM成像，以便在β细胞-α细胞界面对GLP1R进行单分子级别的定量检测（图1A，B）。研究组使用了喂食标准饲料的GLP1RSNAP/SNAP小鼠胰岛，这些小鼠在GLP1R的N端敲入了SNAP-tag酶自标记，从而可以报告内源性GLP1R。由于GLP1R是β细胞特异性标志物，GLP1R阳性和阴性可分别用于鉴定β细胞和α细胞。胰岛使用BG-SulfoCy5进行标记，在dSTORM成像中表现出极佳性能。研究组拍摄了约40,000帧图像，并进行了GLP1R定位重构，dSTORM成像将分辨率从光学显微镜的约150 nm提高到了约30 nm，以超高的细节展示了β细胞-α细胞界面的GLP1R，显示GLP1R在β细胞与α细胞之间的膜上富集（图1C）。接下来，研究人员使用了Abbelight软件内置的基于密度的噪声应用空间聚类（DBSCAN）分析来识别包含≥8个定位点的簇，这些簇被视为单个GLP1R。通过这种方式，发现在β细胞-α细胞界面检测到GLP1R纳米结构域形成增加（图1D–1F），这是GPCR高级组织形式和信号传导的一个特征。

图1   β细胞-α细胞界面GLP1R纳米结构域的dSTORM单分子定量分析^[1]

为探究α细胞→β细胞信号传导对GLP1R纳米结构域形成的作用，研究人员使用基于Cy5的荧光的GLP1R拮抗剂LUXendin645重复了实验。结果显示，   LUXendin645处理后，拮抗/未刺激状态的GLP1R仍可在纳米尺度下被观测到（图1H）。然而，在经LUXendin645处理的样本中，邻近α细胞的β细胞与其他β细胞相比，未观察到聚类参数存在差异（图1H–1L），表明α细胞分泌产物与GLP1R结合并部分驱动了局部GLP1R纳米结构域的形成。

研究组通过进一步的研究发现，在低葡萄糖条件下，邻近α细胞的β细胞通过预内化GLP1R直接感知释放的胰高血糖素。与邻近其他β细胞的β细胞相比，邻近α细胞的β细胞分泌能力更强，而在代谢应激期间，β细胞与α细胞之间的GLP1R接触会减少，最终详细地阐述了胰高血糖素调节胰岛素释放的一条受调控通路。

先前研究发现，除了GLP1以外，葡萄糖依赖性促胰岛素多肽（GIP）也能够强效增强胰岛素分泌并影响饱腹感，从而减少食物摄入。GLP1R/GIPR双重激动剂（如替尔泊肽）疗效显著，但其具体的细胞作用底物尚不清楚。由于受体低丰度及缺乏可靠抗体，免疫组化可视化面临挑战；现有转基因模型亦无法反映药物的具体结合情况。此前的单一受体探针难以推断双重激动剂的结合位点，而已有的荧光替尔泊肽缺乏特异性验证。因此，目前亟需开发经过验证的特异性探针，以可视化并阐明双重激动剂在胰腺和大脑中的作用机制。

研究组分别合成并验证了分别装有Cy3和Cy5的daLUXendin544和daLUXendin660，即红色和远红外GLP1R/GIPR双重激动剂探针。纳摩尔浓度的daLUXendin特异性标记活细胞中的GLP1R/GIPR，使得双重激动剂（如替尔泊肽）的内源性结合位点和细胞靶点得以可视化和探究。

GPCR在细胞膜和细胞内会形成对信号传导很重要的纳米结构域。因此，研究人员为确定在胰岛中，单一激动剂与双重激动剂如何靶向内源性GLP1R/GIPR纳米结构域，首先使用了LUXendin645（一种偶联Cy5的GLP1R拮抗剂）建立了未受刺激但结合状态下的纳米结构域组织。在与LUXendin645孵育60分钟、固定并对整个胰岛进行dSTORM成像后，证实未受刺激的GLP1R形成离散的纳米结构域（图2a,b）。GIPR激动剂sGIP648也标记了离散的受体纳米结构域(GIPR)，然而，与单独的GIPR激动剂相比，daLUXendin660密集标记了胰岛中的GLP1R/GIPR纳米结构域，超出了单独使用GIPR激动剂的效果，因此，daLUXendin660可能影响GLP1R聚类或GLP1R和GIPR定位以增加纳米结构域的形成（图2b–d）。每个簇的定位数以及每个簇的密度在所有检查的配体中均相似（图2e,f）。细胞纳米结构域内或之间的GIPR和GLP1R信号传导，而不仅仅是细胞质中的简单信号叠加，促成了替尔泊肽的功效。

图2双重激动剂参与的不同的内源性GLP1R/GIPR纳米结构域^[2]

经过多项实验验证，可以确认daLUXendin544/660是高度特异性的探针，可突出显示复杂组织（如胰岛和大脑）中的双重激动剂靶细胞，为解析双重激动剂疗效机制提供了关键工具。

Abbelight的dSTORM成像技术凭借大视野成像优势，突破传统光学显微镜衍射极限，实现超高分辨率成像，可在单分子水平上对GLP1R等膜蛋白进行精确定位和定量检测；软件自带的DBSCAN聚类分析算法，能够从复杂的定位数据中精准地识别出受体的纳米结构域，并提供详细的量化参数，有效区分受体在不同生理状态下的组织形式差异，为分子机制阐明提供坚实技术支撑。

[1] Tong, J. C., Frazer-Morris, C.,   Shilleh, A. H., Viloria, K., de Bray, A., Nair, A. M., ... & Hodson, D.   J. (2025). Localized GLP1 receptor pre-internalization directs pancreatic   alpha cell to beta cell communication. Cell Metabolism, 37(8), 1698-1714.

[2] De Bray, A., Roberts, A. G., Armour,   S., Tong, J., Huhn, C., Gatin-Fraudet, B., ... & Hodson, D. J. (2025).   Fluorescent GLP1R/GIPR dual agonist probes reveal cell targets in the   pancreas and brain. Nature metabolism, 1-14.