撰文 | 染色体
2型糖尿病（Type 2 diabetes mellitus，T2D）是导致血管相关并发症和死亡的主要原因，其特征是产生胰岛素的胰岛β细胞功能障碍【1】。该疾病的发病机制涉及多种遗传、环境和病理生理学因素，临床表现为异质性疾病【2】。疾病初期管理往往包括饮食和运动等生活方式的改变，但通常会升级为药物治疗，并可能需要使用外源胰岛素来控制血糖水平。T2D的患病率与肥胖和年龄增加相关，但具体发病机制还不清楚。疾病的发展与胰岛素分泌受损和β细胞缺陷有关。许多遗传变异会影响胰岛特异性基因的表达，但目前仍不清楚导致T2D胰岛功能障碍的原因：它可能涉及β细胞内在缺陷、 β细胞数量减少、全身信号或这些因素的组合作用。
2023年11月8日，来自美国范德比尔特大学医学院的Marcela Brissova和医学中心的Alvin C. Powers，与密歇根大学计算医学与生物信息系的Stephen C. J. Parker合作，共同在Nature期刊发表题为Genetic risk converges on regulatory networks mediating early type 2 diabetes（遗传风险汇集的调控网络介导早期2型糖尿病）的文章。研究人员发现早期2型糖尿病的特点是β细胞的内在缺陷，这些缺陷可以划分到不同基因调控模块，模块中的遗传风险信号汇聚于转录因子RFX6介导的调控网络，导致胰岛β细胞胰岛素分泌降低。群体遗传分析证明RFX6表达降低与T2D风险增加之间存在因果关系。这种通过多种分析的信息整合，探索疾病分子机制的方法为寻找疾病关键调控网络和致病基因提供了一种可借鉴的方法。
T2D有很强的遗传成分，目前已经发现了400多个与该疾病相关的信号【3】。这些遗传变异主要影响β细胞和胰岛细胞特异性基因表达，对疾病的发生起重要作用。目前尚不清楚遗传变异与T2D胰岛基因表达、组织结构和细胞生理学变化之间的具体关系。T2D的发展涉及多个因素，如β细胞丢失、内质网应激、淀粉样蛋白沉积等【4】。由于人类胰岛与小鼠胰岛存在诸多差异，因此需要对人类胰岛的异常机制进行深入研究。近年来，随着胰腺获取技术的进步，为研究人员提供了更多的人体研究材料【5】。然而，目前从细胞水平或分子水平区分引起T2D疾病的原因仍存在挑战，因为该疾病不同阶段可能涉及不同的机制。虽然已有研究确定了一些关键途径，但将疾病分期、组织分析和遗传风险的整合研究仍有难度。此外，人们还不清楚T2D遗传变异在全基因组关联分析（GWAS）中如何参与疾病的易感性：它们是均匀分布在疾病相关通路上还是集中在某些通路中？
胰岛功能分析和环境变化
首先，研究人员通过收集T2D患者的胰腺，并对分离的胰岛进行多模式分析（图1A）。研究发现早期T2D患者的胰岛在胰岛素分泌途径多个环节存在缺陷。尽管基础胰岛素分泌和储存正常，但在高葡萄糖、cAMP和KCl刺激下，刺激性胰岛素分泌明显降低。这些缺陷在胰岛离体后仍然存在，表明早期T2D胰岛在胰岛素分泌途径上存在持久性的缺陷。与胰岛素分泌相比，胰高血糖素分泌及其含量在基础、刺激和抑制条件下都没有明显变化。这表明早期T2D可能没有胰岛α细胞功能障碍，或者如果存在功能障碍，但在胰岛分离后没有持续存在。接下来，研究人员分离了T2D患者胰岛中的β细胞和α细胞，并详细研究了它们的转录变化。结果发现，在T2D中，参与刺激胰岛素分泌以及线粒体、胞吐、离子转运和蛋白质分泌途径的相关基因在β细胞中表达增加。尽管不同样本类型的差异表达基因有所不同（图1B），但这些基因参与的生物途径之间存在重叠，包括激素分泌、脂质代谢和纤毛组织化（图1C）。这些研究结果突出了T2D中常见的失调途径，以及细胞特异性的转录组变化。然后，研究人员对T2D患者的胰岛细胞群进行了全面评估，以了解胰岛细胞功能和转录组变化的背景。研究发现，早期T2D中胰岛细胞的质量和数量与正常对照组相似。然而β细胞产生的胰岛淀粉样多肽（IAPP）在T2D中表现出异常积聚。这表明早期T2D的主要特征是β细胞功能减退，而不是内分泌细胞群体的变化。此外，T2D患者胰岛血管化和血流质量受损，影响了激素的感应和传递。T2D胰岛中的血管细胞和T细胞频率有所改变，而胰岛结构和组成与对照组相似。在T2D胰岛细胞邻域，β细胞周围缺乏内皮细胞和周细胞，但这些区域中的β细胞富集程度较对照组更高。所以，早期T2D胰岛中的免疫和血管细胞发生了适度变化。这些发现进一步说明了T2D发病机制的复杂性，并为深入研究这一疾病提供了重要线索。
图1. T2D患者胰岛功能、基因表达和组织结构的综合分析:（A）分析方法；（B） T2D患者 β细胞、α细胞和胰岛样本差异表达基因的富集；（C）差异表达基因参与的生物途径。
RFX6是胰岛β细胞功能的中心调控因子
通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）方法，研究人员分析了T2D患者的α细胞、β细胞和胰岛样本，识别出多个与全身葡萄糖稳态相关的β细胞模块，并发现其中一些模块与代谢相关基因、胰岛素分泌等功能显著相关。比对功能相关性和GWAS基因座的富集发现，这些模块可能与T2D疾病成因有关。同时，研究人员还发现α细胞和其他非内分泌细胞可能影响β细胞功能。为了找到驱动β细胞功能障碍的中心调控因子，研究人员使用网络分析框架识别到“枢纽”基因RFX6，发现RFX6与糖尿病有关。实验结果显示，在T2D患者β细胞中的RFX6转录水平降低，表达RFX6 的β细胞数量也显著减少。所以，RFX6作为一个关键的中心基因是早期糖尿病中β细胞功能缺陷的可能原因之一。此外，敲低RFX6会扰乱与β细胞功能相关的调控网络，而且胰岛素分泌也受到RFX6介导的T2D β细胞功能障碍的影响。研究人员还发现敲低RFX6在β细胞中会引发广泛的转录和染色质变化，这些变化与胰岛素分泌和糖尿病遗传易感性相关。因此，RFX6是β细胞功能的关键调控因子，其变化与T2D的发病有关。
RFX6的群体遗传研究
接下来，研究人员通过孟德尔随机化研究分析，探索了人胰岛细胞中RFX6基因表达与T2D之间的关系。研究发现，降低胰岛中RFX6表达与T2D风险增加之间存在因果关系。通过多种方法的验证以及对大规模人群数据集的分析结果也支持RFX6表达与T2D之间的关系。此外，欧洲T2D人群的队列分析也显示了类似的结果。预测显示降低胰岛中RFX6非编码功能变异将会增加欧洲人群罹患T2D的风险，这说明糖尿病患者的RFX6遗传风险是增加的。
综上所述，本研究综合运用多种方法，对早期T2D患者的胰腺和胰岛进行研究，从而揭示了驱动T2D的分子机制。研究表明，早期T2D主要由β细胞内部缺陷引起，并通过转录调控网络进行调节。位于调控网络中心的关键基因RFX6在调控胰岛β细胞胰岛素分泌方面具有重要作用，胰岛中RFX6表达与T2D风险增加之间存在因果关系。群体遗传研究结果也证实了RFX6遗传风险与糖尿病患者发病有关。
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06693-2
制版人：十一
参考文献
[1] Kahn, S. E., Hull, R. L. & Utzschneider, K. M. Mechanisms linking obesity to insulin resistance and type 2 diabetes.Nature444, 840–846 (2006).
[2] Redondo, M. J. et al. The clinical consequences of heterogeneity within and between different diabetes types.Diabetologia63, 2040–2048 (2020).
[3] Vujkovic, M. et al. Discovery of 318 new risk loci for type 2 diabetes and related vascular outcomes among 1.4 million participants in a multi-ancestry meta-analysis.Nat. Genet.52, 680–691 (2020)
[4] Walker, J. T., Saunders, D. C., Brissova, M. & Powers, A. C. The human islet: mini-organ with mega-impact.Endocr. Rev.42, bnab010 (2021).
[5] Shapira, S. N., Naji, A., Atkinson, M. A., Powers, A. C. & Kaestner, K. H. Understanding islet dysfunction in type 2 diabetes through multidimensional pancreatic phenotyping: The Human Pancreas Analysis Program.Cell Metab. 34, 1906–1913 (2022).