多オミクスによるヒト膵島内質網およびサイトカインストレス応答マッピングが2型糖尿病の遺伝的洞察を提供

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膵島 小胞体ストレス サイトカイン 2型糖尿病 遺伝的変異

背景と研究動機

世界的に見て、2型糖尿病（Type 2 Diabetes, T2D）はよく見られる代謝性疾患で、遺伝子と環境要因の共同作用により膵臓β細胞機能障害および/または細胞死を引き起こし、インスリン分泌不全を招くのが特徴です。遺伝子関連研究（GWAS）に基づく発見により、現在人間のゲノムにはT2Dリスクに関連する600を超える領域が知られており、その多くは非コード領域に位置しています。研究によると、これらの非コード領域の変異は、膵島特異的シス調節要素（cis-regulatory elements, CREs）の機能と効果的遺伝子発現を調整を通じて膵島機能障害を引き起こす可能性があります。しかし、これらの遺伝子変異が病理的な小胞体（endoplasmic reticulum, ER）ストレスおよび炎症性サイトカイン誘発の炎症において果たす役割についてはほとんど知られていません。この論文の研究チームはアメリカのJackson Laboratory for Genomic Medicineとコネチカット大学から来ており、研究は《Cell Metabolism》誌（2024年11月5日）に発表されました。本研究の目的は、この知識の空白を埋めるために、ERストレスおよび炎症性サイトカイン作用下のヒト膵島における転写調節ネットワークを多層オミクス的手法で分析し、これらの変異の潜在的病因メカニズムを明らかにし、T2Dの薬物標的に対する新しい視点を提供することです。

研究の出典

本研究はEishani K. Sokolowski、Romy Kursawe、Vijay Selvamらが共同で完成し、Jackson Laboratory for Genomic MedicineおよびUniversity of Connecticut Health Centerが関与しています。主な著者はDuygu UcarとMichael L. Stitzelで、論文は《Cell Metabolism》誌に掲載されました。研究はアメリカ国防総省とアメリカ糖尿病協会の支援を受けました。

研究プロセス

本研究は、多層オミクス技術であるRNAシーケンシング（RNA-seq）、単細胞RNAシーケンシング（scRNA-seq）、およびシーケンシングによるトランスポザースアクセス可能クロマチンアッセイ（ATAC-seq）を用いて、非糖尿病ドナーの人間膵島のERストレスとサイトカイン作用下のストレス応答を系統的に分析しました。

  1. 実験設計と膵島サンプル処理
    研究対象は複数の非糖尿病ドナーから得られた膵島細胞で、2つの実験条件に分けられました。一つはERストレス誘導剤タプシガルシンの処理、もう一つは炎症性サイトカイン（IL-1βおよびIFN-γ）の処理です。それぞれに対照群があります。各処理条件で24時間の処理時間が設定され、全胰島RNAシーケンシングが実施され、全ゲノムの発現変化を分析しました。

  2. トランスクリプトーム分析
    RNAシーケンシングの結果、約30%の膵島発現遺伝子と14%の膵島CREsがERストレスとサイトカイン処理に応答しました。研究により、これらのストレス応答遺伝子とCREsがストレス特異性を持つことが明らかになりました。例如、85%以上の遺伝子は異なるストレス処理下で独自の応答特性を示しました。ERストレスはUPR（Unfolded Protein Response）およびERタンパク質処理関連の遺伝子（例如ATF4、DDIT3など）を顕著に誘導しましたが、サイトカイン処理は主に炎症応答関連のNF-κBシグナル伝達経路を活性化しました。

  3. 単細胞RNAシーケンシングと細胞型特異的応答
    さらに異なる細胞型のストレス応答を研究するために、本研究は単細胞RNAシーケンシングを実施しました。結果として、α細胞に比べて、β細胞がERストレスに対してより強い応答を示すことが分かりました。さらにβ細胞のストレス応答には異質性があり、2つの異なる転写状態を形成し、一方のβ細胞はアポトーシスを受けやすいことが分かりました。α細胞はサイトカイン処理に対する反応が比較的弱く、異なる膵島細胞はT2D病理的ストレス条件下で特異的な応答パターンを示すことが明らかです。

  4. ATAC-seq分析とCREsの動的制御
    ATAC-seq技術を用いてCREsの開放性を測定した結果、約14%のCREsがストレス条件下で著しく再構築されました。中でもERストレス特異的CREsとサイトカイン特異的CREsはそれぞれ7171個と8819個ありました。多くの応答CREsは遠距離非コード領域に位置しており、これらのエンハンサーが膵島細胞ストレス応答を媒介する重要な調節因子である可能性を示唆しています。さらに、CREsの開放性はストレス誘導特定遺伝子の発現と有意に関連します。

  5. T2Dリスク変異のCREs重複分析
    本研究はさらにGWASでマークされるT2D関連変異とストレス応答CREsを重複分析し、161個のT2Dリスク変異がストレス応答CREsと重複していることを特定しました。これらの変異は、関連遺伝子の転写レベルを調整して、ストレス下での膵島細胞の生存に影響を与える可能性があります。

研究結果

  1. ERとサイトカイン処理の遺伝子とCREs応答特異性
    研究は、膵島細胞が異なるストレス条件下で特定の遺伝子とCREs応答を示し、ERストレスはUPRとタンパク質合成に関連する経路を誘導し、一方、サイトカイン処理は多様な炎症性シグナル経路を活性化することを示しました。

  2. β細胞のストレス応答の異質性
    単一細胞RNAシーケンシングは、ERストレス下でβ細胞が2種類の異なる転写状態を示し、一つのタイプのβ細胞はアポトーシスの感受性が高く、T2D関連のβ細胞喪失の原因の一つである可能性を明らかにしました。

  3. CREsのストレス条件下の再構築と転写因子（TF）の結合特異性
    ATAC-seq分析は、多くの遠隔CREがストレス条件下で開放性変化を示し、重要な転写因子の結合部位を豊富に含むことを明らかにしました。ERストレス関連のCREsはATF4、CHOPなどの転写因子結合部位を豊富に含み、サイトカイン誘導のCREsはIRF8、NF-κB-p65などの炎症性因子結合部位を豊富に含んでいました。

  4. 特定のT2D変異のストレス応答CREsでの制御機能
    本研究ではrs6917676を例に挙げ、T2DリスクアレルがERストレス下でのCREs開放性を強化することでMAP3K5の発現を促進し、それによりβ細胞のアポトーシス率を増加させることを示しました。これは、rs6917676がMAP3K5の調節を通じてT2Dの病理進行に影響を与える可能性を示唆しています。

研究結論と意義

本研究は、多層オミクス的手法でヒト膵島のERストレスと炎症性サイトカイン誘発の炎症条件下での転写調節ネットワークを系統的に明らかにし、T2Dリスク変異がこれらストレス条件下でどのように機能するかを解明しました。特に、rs6917676アレルがMAP3K5の発現を増加させることによりβ細胞アポトーシスを引き起こす可能性を示し、MAP3K5に基づくT2D治療標的の開発に対する理論的根拠を提供しました。例えば、MAP3K5阻害剤であるselonsertibは動物モデルで糖尿病関連細胞アポトーシスを緩和する潜在能力を示し、β細胞機能を保護する有効薬剤の選択肢となるかもしれません。また、この研究はT2D関連変異が疾病特異的細胞状態におけるストレス応答において研究価値があることをサポートしています。

研究の革新性と展望

本研究は初めて膵島がERストレスおよび炎症性サイトカインストレス条件下で示す遺伝子発現とCREsの動的変化を系統的に比較し、特定のT2D変異がストレス状態でどのように制御機能を果たすかを明らかにしました。未来の研究は他のT2D関連ストレス因子（例えば酸化ストレス）と遺伝的変異の相互作用をさらに探索することができ、T2Dのメカニズム研究および薬物開発のためのさらなる標的を提供することが期待されます。

本研究の結果はT2Dの発病メカニズムをより深く理解するための重要なゲノミクスおよび転写調節ネットワークの見解を提供し、T2D治療において遺伝的背景に基づいたストレス特異的介入手段を考慮することにより、膵島機能を改善し病気の進行を遅延させることを提案しています。