Molecular Metabolism｜徐成冉研究组揭示生理和病理状态下胰岛β细胞异质性

近期，北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心徐成冉课题组在《Molecular Metabolism》杂志上发表了题为“Characterizing pancreatic β-cell heterogeneity in the streptozotocin model by single-cell transcriptomic analysis”的研究论文。该研究利用单细胞转录组分析了链脲佐菌素（streptozotocin, STZ）诱导的小鼠糖尿病模型中胰岛细胞的分子特征、揭示生理和病理状态下胰岛β细胞异质性，并评估了该模型中β细胞的功能缺失以及再生现象。

STZ诱导的小鼠糖尿病模型（图1）被广泛应用于糖尿病以及β细胞再生领域的研究。然而，目前对于该模型中胰岛细胞的状态以及分子特征了解十分有限。 该研究利用单细胞转录组测序技术得到STZ处理后的不同时间胰岛细胞的转录组，并与未处理的胰岛细胞进行比较分析。

结果显示，未处理的β细胞在转录组上存在异质性，绝大部分为Glut2高表达细胞（Glut2high）以及一小部分 Glut2低表达细胞（Glut2low）组成。单次大剂量STZ处理后，Glut2high 细胞大量凋亡，Glut2low 细胞存活下来并且转录组发生进一步改变（图2）。

除了鉴定出生理及病理状态下β细胞转录组的异质性，该研究还解析了Glut2low细胞的分子特征，发现病理状态下这类β细胞在功能缺失的同时自身代谢发生紊乱，与糖尿病患者β细胞的分子特征具有一定的相似性。这些分子特征不仅可以作为β细胞功能缺失的分子标记，更为糖尿病药物筛选提供可能的靶点。

图1: STZ处理快速杀死胰岛β细胞，产生糖尿病表型

图2: β细胞在生理和病理状态下的异质性

领域内认为在病理状态下，胰岛细胞会去分化到发育早期的不成熟状态。但作者结合发育过程中β细胞分化路径分析，发现病理条件下的胰岛β细胞的转变方向和β细胞发育进程不同（图3）。

图3: β细胞病理状态转变方向和发育进程不同

该研究还对STZ处理后其他内分泌细胞的转录组变化进行了分析。与β细胞不同，其他内分泌细胞在STZ诱导的糖尿病模型中转录组未发生明显改变（图4）。此外，用STZ诱导β细胞大量凋亡后，经过较长时间的追踪，β细胞数量并未恢复，过程中也未检测到领域内报道的α细胞向β细胞的转分化，说明在单次高剂量STZ诱导的糖尿病模型中，β细胞的再生现象即使存在，也十分稀少。

图4: STZ模型中非β内分泌细胞转录组无变化

综上，该研究利用高精度的单细胞转录组测序技术，解析了STZ模型中胰岛内分泌细胞的表达特征，鉴定到生理及病理条件下β细胞转录组上的异质性，并对STZ模型中β细胞的状态以及再生现象进行评估，加深了对于STZ模型的理解，为该模型今后的应用提供了重要的启示。此外，该研究鉴定到的病理条件下β细胞的表达特征为糖尿病药物的筛选提供了线索。

北京大学生命科学学院博士研究生冯烨、邱伟林为该论文的并列第一作者。北京大学徐成冉研究员、勃林格殷格翰公司叶俊青博士以及Joerg D. Hoeck博士为该论文的共同通讯作者。北京大学博士后于欣欣、李林宸、杨李，博士研究生张雨、何茂扬以及勃林格殷格翰公司张巍怡博士、Michael Franti博士为该研究做出了重要贡献。该项研究得到了国家自然科学基金以及勃林格殷格翰公司的经费支持。

研究组介绍

徐成冉：

北京大学生命科学学院研究员，博士生导师。

实验室研究领域:

干细胞生物学/再生医学：胚胎干细胞定向分化；组织器官再生。

发育生物学：哺乳动物肝脏和胰腺发育机理。

系统生物学：细胞信号、表观遗传对发育和再生过程中基因网络的调控。

哺乳动物中肝脏及胰腺相互协调在代谢的过程中发挥关键作用。在胚胎发育的早期，胰腺和肝脏的祖细胞从前肠内胚层的一个多能细胞区域竞争性起源，这个过程受到一些共同的细胞信号和转录因子调控。当肝脏和胰腺的细胞出现损伤和功能紊乱时，就会导致许多代谢疾病（如肝病和糖尿病），严重影响健康。因此如何促进肝脏和胰腺的再生是本领域的重要问题。干细胞研究和肝脏、胰腺发育的调控相结合，将更好地解决这一问题。

本实验室长期研究方向主要集中在肝脏及胰腺发育过程中细胞分化，器官建成和再生，主要包括，（1）研究哺乳动物从胚胎发生开始的发育过程中肝实质细胞及内分泌细胞的分化及成熟机制。细胞信号、表观遗传修饰和基因网络协调作用，对这些细胞的分化及成熟过程进行着严格的调控。这些不同层次的调控机制是我们关注的重点。（2）利用获得的肝脏发育过程中的线索指导体外胚胎干细胞分化成成熟的肝实质细胞，用于对肝病进行细胞水平的治疗。（3）将胰腺发育中内分泌细胞分化和成熟过程中获得线索应用于干细胞分化为β细胞的流程，以更好的诱导出有生理功能、成熟的分泌胰岛素的β细胞。（4）通过对肝脏和胰腺发育过程的分子机制研究，结合体外干细胞诱导分化，体外重建有功能的肝脏和胰岛，为再生医疗治疗代谢疾病奠定基础。