新しいベータ細胞特異的マイトファジーレポーターマウスは、代謝ストレスがミトファジーの増加にもかかわらず機能不全のミトコンドリアの蓄積につながることを示しています

目的/仮説：ミトコンドリアの選択的オートファジーであるマイトファジーは、ミトコンドリア機能の維持に不可欠です。最近の研究では、ベータ細胞の欠陥が糖尿病を引き起こしたことが示唆されました。ただし、技術的な困難のため、in vivoでベータ細胞のミトファジーを評価するための便利で信頼できる方法の開発が必要です。この研究の目的は、ベータ細胞特異的なマイトファジーレポーターマウスを確立し、高脂肪食（HFD）によって誘発される代謝的にストレスのある条件下でベータ細胞機能におけるマイトファジーの役割を解明することでした。 方法：マイトファジーは、マイトファジーレポーター（CMMR）マウスを標的とする新しく生成された条件付きミトコンドリアマトリックスを使用して評価されました。このマウスでは、リソソームのpHおよび分解に敏感な蛍光プローブを使用して、in vivoでマイトファジーをin vivoで特異的に視覚化できます。代謝ストレスは、HFDに20週間曝露することにより、マウスで誘発されました。機能障害のあるミトコンドリアの蓄積は、特定の蛍光色素と抗体を使用して、機能的/総ミトコンドリアおよび反応性酸素種（ROS）を染色することにより調べました。ベータ細胞のマイトファジーの根底にある分子メカニズムを調査するために、過剰発現とノックダウン実験を実施しました。HFD給電マウスを調べて、6週間の慢性インスリン治療がマイトファジー、ミトコンドリア機能、およびインスリン分泌障害を改善できるかどうかを判断しました。 結果：HFDへの曝露は、拡大した（HFD-G）膵島の数を増加させ、著しく上昇しました。機械的には、HFD摂食はHFD-G膵島の重度の低酸素症を誘発し、ベータ細胞の低酸素誘導性因子1-E（HIF-1R）/BCL2相互作用タンパク質3（BNIP3）軸を介してマイトファジーを上方制御しました。しかし、HFD-Gの膵島は、過剰なROS産生による機能不全のミトコンドリアの蓄積を予期せずに示し、機能不全のミトコンドリアの分解のためのマイトファジーの能力が不十分であることを示唆しています。インスリンの慢性投与は、低酸素症を改善し、ROS産生の減少と機能不全のミトコンドリアを減少させ、マイトファジーの減少とインスリン分泌の回復をもたらしました。 結論/解釈：CMMRマウスがベータ細胞におけるマイトファジーの評価を可能にしたことを実証しました。我々の結果は、HFDによって誘発される代謝ストレスが機能不全のミトコンドリアの異常な蓄積を引き起こし、それがマイトファジー能力を圧倒し、ミトコンドリア機能の維持の欠陥とインスリン分泌の損失に関連していることを示唆した。

AIMS/HYPOTHESIS: Mitophagy, the selective autophagy of mitochondria, is essential for maintenance of mitochondrial function. Recent studies suggested that defective mitophagy in beta cells caused diabetes. However, because of technical difficulties, the development of a convenient and reliable method to evaluate mitophagy in beta cells in vivo is needed. The aim of this study was to establish beta cell-specific mitophagy reporter mice and elucidate the role of mitophagy in beta cell function under metabolically stressed conditions induced by a high-fat diet (HFD). METHODS: Mitophagy was assessed using newly generated conditional mitochondrial matrix targeting mitophagy reporter (CMMR) mice, in which mitophagy can be visualised specifically in beta cells in vivo using a fluorescent probe sensitive to lysosomal pH and degradation. Metabolic stress was induced in mice by exposure to the HFD for 20 weeks. The accumulation of dysfunctional mitochondria was examined by staining for functional/total mitochondria and reactive oxygen species (ROS) using specific fluorescent dyes and antibodies. To investigate the molecular mechanism underlying mitophagy in beta cells, overexpression and knockdown experiments were performed. HFD-fed mice were examined to determine whether chronic insulin treatment for 6 weeks could ameliorate mitophagy, mitochondrial function and impaired insulin secretion. RESULTS: Exposure to the HFD increased the number of enlarged (HFD-G) islets with markedly elevated mitophagy. Mechanistically, HFD feeding induced severe hypoxia in HFD-G islets, which upregulated mitophagy through the hypoxia-inducible factor 1-ɑ (Hif-1ɑ)/BCL2 interacting protein 3 (BNIP3) axis in beta cells. However, HFD-G islets unexpectedly showed the accumulation of dysfunctional mitochondria due to excessive ROS production, suggesting an insufficient capacity of mitophagy for the degradation of dysfunctional mitochondria. Chronic administration of insulin ameliorated hypoxia and reduced ROS production and dysfunctional mitochondria, leading to decreased mitophagy and restored insulin secretion. CONCLUSIONS/INTERPRETATION: We demonstrated that CMMR mice enabled the evaluation of mitophagy in beta cells. Our results suggested that metabolic stress induced by the HFD caused the aberrant accumulation of dysfunctional mitochondria, which overwhelmed the mitophagic capacity and was associated with defective maintenance of mitochondrial function and impaired insulin secretion.