多组学人类胰岛内质网和细胞因子应激响应图谱提供2型糖尿病遗传见解

背景与研究动机

在全球范围内，2型糖尿病（Type 2 Diabetes, T2D）是常见的代谢性疾病，其特征是基因和环境因素的共同作用导致胰岛β细胞功能障碍和/或细胞死亡，进而引发胰岛素分泌不足。基于基因组关联研究（GWAS）的发现，目前已知人类基因组中超过600个位点与T2D风险相关，其中许多位点位于非编码区。研究发现这些非编码区的变异可能通过调控胰岛特异性顺式调控元件（cis-regulatory elements, CREs）的功能和效应基因表达，进而导致胰岛功能障碍。然而，目前对这些基因变异在病理性内质网（endoplasmic reticulum, ER）应激和促炎性细胞因子诱导的炎症中的作用知之甚少。本文的研究团队来自美国Jackson Laboratory for Genomic Medicine和康涅狄格大学，研究发表于《Cell Metabolism》期刊（2024年11月5日），该研究旨在填补这一知识空白，通过比较多组学手段分析人类胰岛在ER应激和促炎性细胞因子作用下的转录调控网络，以期揭示这些变异的潜在致病机制，并为T2D的药物靶点提供新视角。

研究来源

本研究由Eishani K. Sokolowski、Romy Kursawe、Vijay Selvam等人共同完成，单位包括Jackson Laboratory for Genomic Medicine和University of Connecticut Health Center，主要作者为Duygu Ucar和Michael L. Stitzel。论文发表于《Cell Metabolism》期刊，研究得到了美国国防部和美国糖尿病协会的资助。

研究流程

本研究采用多组学技术，包括RNA测序（RNA-seq）、单细胞RNA测序（scRNA-seq）和Assay for Transposase-Accessible Chromatin with sequencing（ATAC-seq）等，系统地分析了非糖尿病供体的人类胰岛在ER应激和细胞因子作用下的应激响应。

1. 实验设计与胰岛样本处理
   研究对象是来自多名非糖尿病供体的胰岛细胞，分为两组实验条件：一组接受ER应激诱导剂thapsigargin的处理，另一组接受促炎性细胞因子（IL-1β和IFN-γ）的处理，每组分别有对照组。每种处理条件下，进行了24小时的处理时间，并对每种状态的胰岛细胞进行全胰岛RNA测序，以分析全基因组的表达变化。

2. 转录组分析
   RNA测序结果显示，约30%的胰岛表达基因和14%的胰岛CREs对ER应激和细胞因子处理产生响应。研究发现这些应激响应基因和CREs具有应激特异性。例如，85%的基因在不同应激处理下表现出独特的响应特性。ER应激显著诱导了与UPR（Unfolded Protein Response）和ER蛋白处理相关的基因（例如ATF4、DDIT3等），而细胞因子处理则主要激活与促炎症反应相关的NF-κB信号通路。

3. 单细胞RNA测序与细胞类型特异性响应
   为了进一步研究不同细胞类型的应激响应，本研究进行了单细胞RNA测序。结果显示，相比α细胞，β细胞对ER应激的响应更为强烈，且β细胞的应激响应表现出异质性，形成了两类不同的转录状态，其中一类β细胞更易于发生凋亡。α细胞在细胞因子处理下的反应相对较弱，表明不同胰岛细胞在T2D病理性应激条件下具有特异性的响应模式。

4. ATAC-seq分析与CREs的动态调控
   通过ATAC-seq技术对CREs的开放性进行测定，发现约14%的CREs在应激条件下显著重构，其中ER应激特异性CREs和细胞因子特异性CREs分别为7171和8819个。多数响应CREs位于远端非编码区域，提示这些增强子的作用可能是介导胰岛细胞应激响应的重要调控因子。此外，CREs的开放性与应激诱导的特定基因表达呈现显著相关。

5. T2D风险变异的CREs重叠分析
   本研究进一步将GWAS标记的T2D相关变异与应激响应的CREs进行重叠分析，识别出161个T2D风险变异与应激响应CREs重叠。这些变异可能通过调节相关基因的转录水平而影响胰岛细胞在应激下的存活。

研究结果

1. ER和细胞因子处理的基因和CREs响应特异性
   研究显示，胰岛细胞在不同应激条件下呈现了特定的基因和CREs响应，ER应激诱导了与UPR和蛋白质合成相关的途径，而细胞因子处理激活了多种促炎症信号通路。

2. β细胞的应激响应异质性
   单细胞RNA测序揭示β细胞在ER应激下表现出两种不同的转录状态，其中一类β细胞对凋亡的易感性较高，可能是T2D相关的β细胞丢失的原因之一。

3. CREs在应激条件下的重构和TF结合特异性
   ATAC-seq分析揭示应激条件下大量远端CREs的开放性变化，并富含关键转录因子的结合位点。ER应激相关的CREs富含ATF4、CHOP等转录因子的结合位点，而细胞因子诱导的CREs则富含IRF8、NF-κB-p65等促炎症因子结合位点。

4. 特定T2D变异在应激响应CREs中的调控功能
   本研究以rs6917676为例，展示其T2D风险等位基因通过增强ER应激下的CREs开放性来促进MAP3K5表达，进而增加β细胞的凋亡率。这表明rs6917676可能通过调控MAP3K5在T2D的病理进展中发挥作用。

研究结论与意义

本研究通过多组学手段系统揭示了人类胰岛在ER应激和促炎性细胞因子诱导的炎症条件下的转录调控网络，揭示了T2D风险变异在这些应激条件下的功能。特别是研究指出，rs6917676等位基因可能通过增加MAP3K5的表达而导致β细胞凋亡，这为开发基于MAP3K5的T2D治疗靶点提供了理论依据。例如，MAP3K5抑制剂selonsertib在动物模型中显现出减缓糖尿病相关的细胞凋亡的潜力，提示其可能成为保护β细胞功能的有效药物选择。此外，本研究也支持了T2D关联变异在疾病特定细胞状态下的应激响应中的研究价值。

研究的创新性与展望

本研究首次系统地比较了胰岛在ER应激和促炎性细胞因子应激条件下的基因表达和CREs动态变化，揭示了特定T2D变异在应激状态下的调控功能。未来的研究可以进一步探索其他T2D相关应激因子（如氧化应激）与遗传变异的相互作用，从而为T2D的机制研究和药物开发提供更多的靶点。

本研究结果为深入理解T2D的发病机制提供了重要的基因组学和转录调控网络层面的见解，建议在T2D治疗中考虑基于遗传背景的应激特异性干预手段，以改善胰岛功能并延缓疾病进展。