综述：连接胰腺与肝脏发育：重叠基因及其在糖尿病中的作用

本综述深入探讨了胰腺与肝脏在发育起源和基因调控上的紧密联系，揭示了二者共享的关键转录因子（如HNF4A、FOXA2、SOX家族）和信号通路（如FGF、BMP）如何共同调控器官发育并维持葡萄糖稳态。文章强调了肝源性因子（Hepatokines）与胰岛β细胞间的交互对话在糖尿病（尤其是T2D和MODY）发病机制中的核心作用，并指出利用人多能干细胞（hPSC）、基因编辑和多组学等新兴工具可为精准诊断和治疗策略开辟新途径。

　　

引言

糖尿病 mellitus 是一种复杂的代谢性疾病，以高血糖为特征，源于胰岛素分泌、作用或两者兼有的缺陷。胰腺和肝脏在葡萄糖调节中扮演核心角色，它们的功能障碍对特定类型糖尿病（包括2型糖尿病T2D和某些单基因糖尿病）的发生与发展至关重要。尽管这两个器官具有不同的生理功能，但它们均起源于前肠内胚层，并共享关键的发育调控因子和信号通路。本综述旨在探讨那些对胰腺和肝脏发育及功能都至关重要的重叠转录因子和基因，这些具有双重角色的基因不仅主导早期器官发生，还参与糖尿病 pathogenesis，突显了它们在代谢稳态中的重要性。

胚胎发育：胰腺与肝脏的共同起源

在早期胚胎发生过程中，肝脏和胰腺都开始由内胚层形成。在原肠胚形成过程中，囊胚内的细胞运动导致了内胚层的产生。随着发育的继续，定向的信号通路引导内胚层分化成各种祖细胞，最终形成诸如胰腺、肝脏、肠和肺等器官。对于胰腺和肝脏而言，这种分化受到一系列信号通路的调控，包括成纤维细胞生长因子（FGF）、骨形态发生蛋白（BMP）、NOTCH、Hedgehog、Wnt和转化生长因子β（TGF-β）通路。

胰腺和肝脏发育的第一个迹象表现为内胚层内两个不同的区域，分别称为胰腺芽和肝芽。这些区域随着细胞增殖和分化为特化的祖细胞而经历显著的形态变化，最终形成成熟器官。尽管肝脏和胰腺的发育遵循不同的路径，但它们共享一些常见的调控机制。

肝脏的发育：肝祖细胞大约在人类胚胎发育第16天从前肠内胚层产生。肝芽迅速扩张，其细胞分化为肝细胞和胆管细胞，形成肝实质和胆管。

胰腺的发育：胰腺随后开始发育，始于两个不同芽的形成：背胰芽和腹胰芽。这些芽在胚胎发生过程中不同时间出现，后期融合形成完全发育的胰腺。随着胰腺发育，祖细胞分化为外分泌细胞（产生消化酶）和内分泌细胞（形成产生激素的朗格汉斯岛）。胎儿胰腺β细胞首先在受孕后约8周（wpc）出现，随后在9 wpc出现表达胰高血糖素（GCG）的细胞。内分泌细胞簇在10 wpc开始形成，到12-13 wpc时，所有内分泌细胞类型均已存在。人类胰岛形态在发育过程中发生变化：在14 wpc时，β细胞位于核心，α细胞位于外围，类似于小鼠和小人类胰岛。到21 wpc时，两种细胞类型混合在一起，这种变化在小鼠中未观察到，可能对人类内分泌细胞的最终成熟至关重要。

两个器官的发育都受到复杂的信号通路和转录因子（TFs）网络的严密调控，这些因子控制细胞分化的精确时间和协调，确保器官的正确形成和功能。

关联胰腺与肝脏发育和功能的基因

鉴于胰腺和肝脏具有共同的发育起源，可以预见它们受共同的转录调控因子和基因支配。因此，Forkhead box A（FOXA）、SRY-related HMG box（SOX）和肝细胞核因子（HNF）家族的成员在成年肝脏和胰腺的发育中至关重要。

SOX家族

转录因子网络，包括那些来自性别决定区Y-box（SOX）家族的成员，驱动肝脏和胰腺的发育。该家族在哺乳动物中有30个已知成员，均共享一个高度保守的HMG结构域，负责DNA结合。它们被分为九个不同的亚组，同一亚组内的成员具有结构相似性，并经常执行重叠功能。另一方面，来自不同亚组的成员通常差异显著，除了保守的HMG结构域。

SOX17

SOX17是SOXF亚组的成员，从原肠胚形成开始就在内胚层表达，并在脊椎动物物种中作为内胚层形成的内在调控因子发挥关键作用。随着内胚层发育的进展，Sox17参与指导前肠衍生的关键器官的分化和分离，包括肝脏、胆道系统和腹胰。在Sox17-/-突变小鼠中，观察到肠道内胚层发育的显著缺陷。在肝胰规范的早期阶段，Sox17与造血表达同源盒（Hhex）和胰腺/十二指肠同源盒蛋白1（Pdx1）在腹前肠内胚层共表达。这些谱系的初始分离发生在大约胚胎第8.5天（E8.5），当时预期的肝原基下调Sox17表达但保留Hhex表达。到E9.5时，腹前肠后部的Sox17和Pdx1共表达域分离，Sox17阳性区域产生肝外胆道系统，而Pdx1阳性区域分化为腹胰。Sox17的全局和腹前肠特异性缺失导致胆囊和胆囊管完全缺失，突显了其在肝外胆道系统发育中的关键作用。当Sox17从E8.5开始从腹前肠移除时，Pdx1表达在整个腹前肠异常扩展。结果，Pdx1阳性细胞在肝芽内错误定位，并且胰腺组织异位出现在胆总管中。另一方面，如果在Pdx1阳性区域维持Sox17表达，则胰腺发育受到抑制，导致胃和十二指肠中出现异位导管结构。

SOX9

SOX9也是Sox转录因子家族的成员。在小鼠肝脏发育过程中，Sox9的表达最初出现在胚胎第10.5天（E10.5）衬覆肝憩室的内胚层细胞中。随着肝母细胞迁移到横隔中，这种表达暂时消失，但在E11.5时 near 门静脉重新出现。受周围门静脉间充质信号的影响，Sox9阳性肝母细胞在门静脉分支周围形成单细胞层，到E15.5时形成称为导管板的结构。早期导管结构表现出不对称性，Sox9阳性胆道细胞位于门静脉侧，Sox9阴性肝母细胞位于实质侧。随着一些实质肝母细胞分化为胆道细胞，有助于形成成熟胆管，这种不平衡得到解决。来自导管板的未形成胆管的细胞成为门静脉周围肝细胞。虽然SOX9是肝内胆管细胞的最早标志物，但它对其分化并非必需。在缺乏肝脏特异性Sox9的小鼠中，胆管发育延迟，表明Sox9调节此过程的时间。Sox9也从胚胎第13.5天（E13.5）开始在小鼠的肝外胆道中表达，并且这种表达持续到成年。然而，研究该区域SOX9功能具有挑战性，因为缺少两个Sox9拷贝的小鼠早期死亡，大约在E11.5。

在成年肝脏中，SOX9持续表达，并在维持肝脏稳态中发挥关键作用。它通过响应促纤维化信号（如TGF-β）促进活化肝星状细胞（HSCs）中胶原蛋白的产生来调节纤维化细胞外基质成分，从而促进肝纤维化。

此外，该转录因子在整个胰腺器官发生过程中发挥关键作用，如小鼠条件性缺失Sox9所示。Sox9表达大约在胚胎第8.75天（E8.75）开始出现在注定成为胰腺和近端十二指肠的区域，在胰腺芽形成之前。在这个早期的前胰腺域中，Sox9表达与另一个关键转录因子Pdx1重叠。重要的是，SOX9和PDX1似乎相互增强彼此的表达，每个因子都结合到对方基因的调控区域。在具有个别Sox9或Pdx1突变的小鼠中，仍然发生一些胰腺发育，表明存在部分补偿。然而，在复合突变体中，其携带Sox9和Pdx1的不同组合的无效和肠道特异性等位基因，观察到一系列胰腺畸形。这些包括复合杂合子小鼠中腹胰芽减少以及复合纯合子突变体中背腹胰芽完全缺失。这突显了SOX9和PDX1在胰腺启动和进展中的协同和关键作用。除了其发育作用外，SOX9在成熟β细胞中对 proper 胰岛素分泌至关重要。在啮齿类动物中，Sox9缺陷导致胰岛素释放受损和与年龄相关的葡萄糖不耐受，类似于T2D进展。类似地，在hPSC衍生的β细胞中缺失SOX9会减少第一时相胰岛素分泌。这种效应是通过SOX9对选择性剪接的调节介导的，特别是通过维持关键剪接因子如SRSF5的表达。SOX9的中断改变了剪接模式，导致β细胞功能关键的非功能性异构体积累，强调了其在β细胞基因调控和胰岛素分泌中的关键作用。

SOX4

SOX家族的另一个成员是SOX4，它在小鼠内分泌胰腺中表现出所有Sox基因中最高的表达。其他研究也表明SOX4在人类、小鼠和斑马鱼的胚胎胰腺中表达，初始分布广泛，后来局限于成熟胰岛细胞，表明其主要作用发生在内分泌细胞分化的后期阶段。在哺乳动物中，Sox4表达也在多个发育和成年组织中有报道，包括中枢神经系统、胸腺、心脏、肺、性腺和肠道。在胰腺中，来自胰腺外植体的数据表明Sox4对于内分泌细胞群（特别是β细胞）的充分扩增至关重要。此外，SOX4在其激活NEUROG3蛋白表达的主要作用下游驱动内分泌分化。Sox4的完全缺失导致心脏缺陷、血流受损和胚胎死亡（E14.5），在大多数内分泌细胞分化完成之前，此外胰岛素和胰高血糖素显著减少。缺乏Sox4的胚胎显示正常的胰腺芽发育和内分泌细胞分化直到12.5 dpc。然而，超过这个时间点后，它们未能发育出正常的胰岛，内分泌细胞群（尤其是β细胞）扩增受损。使用可诱导的β细胞特异性敲除小鼠模型，在6周龄时删除Sox4导致葡萄糖耐受性逐渐恶化、胰岛素分泌减少，并在30周龄时出现糖尿病。

此外，SOX4也被证明在肝脏中具有重要作用，主要是在胚胎发育期间。肝脏特异性删除SOX4，无论是单独还是与SOX9缺失组合，都会破坏胆管细胞分化，损害顶端-基底极性，并阻碍胆管形成。Sox4表达在肥胖啮齿动物和人类的肝脏中显著升高。实验性腺病毒介导的Sox4在瘦小鼠肝脏中的过表达诱导肝脂肪变性，而肝脏特异性Sox4敲低减少甘油三酯积累并减轻肥胖小鼠的胰岛素抵抗，突显了其在肝甘油三酯代谢中的重要作用。

肝细胞核因子（HNF）家族

肝细胞核因子1α（HNF1α或HNF1A）、HNF1B和HNF4α编码对胰腺和肝脏的正常发育和功能至关重要的转录因子。这些基因的突变与青年发病的成年型糖尿病（MODY）和增加的T2D风险密切相关。

HNF1α

HNF1A或HNF1α是一个关键的转录因子，在胰腺和肝脏的发育和功能中扮演关键角色。在胰腺中，HNF1A对于胰岛素和其他胰岛特异性基因（如GCK、SLC2A2（GLUT2）和ABCC8）的调节至关重要，有助于维持β细胞数量和胰岛素分泌。HNF1A的杂合突变导致MODY3，这是单基因糖尿病最常见的形式。使用小鼠模型的研究发现，HNF1α的杂合删除（HNF1α+/-）不会导致胰腺缺陷，这些小鼠表现正常。然而，HNF1α-/-小鼠出现糖尿病。HNF1α-/-小鼠表现出生长迟缓和胰岛素分泌受损，导致血糖水平异常和糖尿病发展。此外，Hnf1α-/-小鼠显示Glut2、氨基酸转运蛋白、肝丙酮酸激酶（L-Pk）、胰岛素以及关键胰岛富集转录因子（如Pdx-1、Hnf4α和NeuroD1/Beta-2）的表达减少，而另一组显示HNF1α KO小鼠出现肝肿大和脂肪肝。在原发性人类胰岛中的敲低研究表明，急性缺失HNF1A导致激素分泌的多重缺陷，包括胰岛素分泌减少、高血糖期间胰高血糖素输出过多以及低血糖期间胰高血糖素分泌减弱，而从人类iPSC模型向胰腺谱系分化的KO研究显示前肠基因和几个胰腺及β细胞发育标志物的下调，以及β细胞应激和细胞呼吸基因表达的变化。有趣的是，一项关于使用封装胰腺祖细胞进行短暂腹腔异种移植的研究表明，HNF1A和HNF4A的最佳诱导增强了胰岛谱系向单激素表达的发展，突显了这些调控因子限制多能激素表达的功能。

除了其在胰腺中的作用外，HNF1α也是肝脏发育和功能的关键调节因子。啮齿类动物中肝细胞特异性KO研究表明，HNF1α对于正常肝脏发育和功能是必需的，Hnf1α缺陷小鼠表现出葡萄糖稳态受损和糖尿病的发展以及脂肪肝相关的肝细胞癌。HNF1α在胰腺和肝脏中调控的广泛转录程序强调了其在维持这些器官的组织特异性功能中的重要性。从iPSC模型向肝谱系分化的KO研究显示类似表型，肝基因ALB和CYP3A4下调以及代谢通路改变。

HNF1A-MODY3约占所有MODY病例的50%。MODY3患者通常具有早发糖尿病特征，表现为葡萄糖刺激的胰岛素分泌受损、高胰岛素敏感性以及β细胞功能进行性下降。此外，HNF1α的变异在几个全基因组关联研究（GWAS）中与脂质代谢紊乱相关，包括高胆固醇血症（rs1169288-A）、高脂血症（rs1169288-A）和血脂异常（rs2649999-C）。HNF1A中的单核苷酸多态性（SNPs）也与肝酶（如GGT（rs2650000-A）、ALT（rs1169306）和ALP（rs7305618-T）水平紊乱相关。为了研究人类MODY3的病理生理学，hPSC模型已在多项研究中使用。将HNF1A+/-和HNF1A-/- hPSC系分化为胰腺β细胞揭示HNF1A对于抑制α细胞基因、维持β细胞功能以及调节LINC01139（一种对线粒体呼吸必需的长链非编码RNA）的表达至关重要。将HNF1A-/- hESC分化为β细胞显示内分泌β细胞发育缺陷，尽管胰腺祖细胞未受影响。HNF1A的缺失导致β细胞转录因子和与胰岛素合成及β细胞应激相关基因的表达减少，以及线粒体功能和糖酵解受损。这些变化导致胰岛素分泌细胞显著减少和胰高血糖素分泌细胞增加，这是由于PAX4表达减少，这与来自MODY3患者的胰腺胰岛中α细胞质量增加相一致。此外，在MODY3患者中，LINC01139表达在α细胞中减少但在β细胞中没有，表明LINC01139下调可能有助于α细胞质量增加。尽管在小鼠HNF1α模型中未观察到α细胞增加，但缺乏Pax4的小鼠表现出胰高血糖素+和ghrelin+细胞增加以及胰岛素+细胞显著减少，突显了人类和小鼠之间的表型差异。

HNF4α

HNF4α（HNF4α）是核受体超家族的成员，在胰腺和肝脏的发育和功能中扮演关键角色。在胰腺中，HNF4α对于维持β细胞身份和功能以及调节胰岛素分泌至关重要。HNF4α的完全缺失（HNF4α-/-）在小鼠中由于内脏内胚层功能障碍而胚胎致死。然而，β细胞特异性HNF4α-/-小鼠显示葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）受损，导致葡萄糖不耐受。条件性KO研究表明，在肝母细胞中删除HNF4α导致肝肿大和脂肪变性，而在成年小鼠肝脏中急性缺失HNF4α招募正常肝细胞的增殖反应。

在肝脏中，HNF4α是肝细胞分化的主要调节因子，也是代谢过程（包括糖异生以及胆汁酸、胆固醇、脂肪酸氧化和脂质代谢）的关键参与者。HNF4α调节肝脏转录网络，包括与其他肝脏富集因子（如HNF1α和C/EBPs）的相互作用。HNF4α的表达在胰腺和肝脏中都受到严密调控，并且它与其他转录因子网络相互作用以控制涉及细胞身份、代谢和胰岛素分泌的基因表达。几项研究表明，HNF4α直接调节对于葡萄糖感应、胰岛素生产和β细胞功能至关重要的基因的表达，包括ABCC8（SUR1）、KCNJ11（Kir6.2）和葡萄糖激酶（GCK）。在肝祖细胞阶段，HNF4α在建立肝脏身份中扮演关键角色，它与另外五个转录因子（HNF1α、HNF1B、FOXA2、HNF6和LRH-1）协作形成一个核心转录因子网络，驱动肝母细胞分化为肝细胞。之后，HNF4α在肝祖细胞中表达，促进在前肠内胚层肝芽形成阶段向肝母细胞的分化。

一些最近的研究利用hPSC模型探索了HNF4α在胰腺和肝脏发育中的作用及其在糖尿病中的参与。然而，其中一些研究报告了结果上的差异。这些差异可能归因于某些研究未使用等基因hPSC模型，这本可以帮助解释由iPSC系遗传背景差异引起的分化效率变化。Vethe等人证明，来自具有HNF4α杂合突变（p.Ile271fs）患者的iPSC产生的β细胞与来自健康iPSC对照产生的β细胞相当。另一项研究表明，来自具有HNF4α无义突变（Q268X）患者的iPSC的胰腺分化显示，与健康对照相比，与胰腺祖细胞阶段相关的转录因子上调。此外，胰岛激素（包括INS、GCG和SST）的表达水平在来自MODY1-iPSC的胰腺祖细胞中高于对照，表明存在补偿反应。相反，一项更近期的研究使用来自具有HNF4α杂合突变（p.Ile271fs）（HNF4Ap.Ile271fs/+）患者的iPSC揭示，HNF4α突变导致前肠、β细胞和肝细胞的发育缺陷。该研究发现，来自HNF4Ap.Ile271fs/+ iPSC的前肠内胚层中HNF4α、PDX1和GATA4显著下调。有趣的是，来自MODY1-iPSC的β细胞也显示HNF4α和HNF1α表达减少。这与先前表明HNF4α直接调节HNF1A表达的研究一致，提示HNF4α突变可能通过减少HNF1A表达而导致糖尿病。此外，一项检查来自MODY患者的封装胰腺祖细胞短期腹腔异种移植的研究表明，HNF1α和HNF4α的充分诱导促进了以向单激素身份转变为特征的胰岛细胞成熟。这些发现提示这两个关键调控因子的功能是维持对单激素内分泌细胞命运的承诺。

HNF4α通过控制涉及应激相关通路的基因在胰腺β细胞和肝细胞中调节细胞应激反应。在来自干细胞的人类β样细胞中，HNF4α靶基因在应激激活蛋白激酶信号和活性氧（ROS）代谢相关通路中富集——这是管理氧化应激和维持 proper 葡萄糖感应的关键过程。HAAO和USH1C作为HNF4α在β细胞中新的直接调控靶点出现，它们的表达在分化过程中上升——暗示在成熟β细胞功能中的特殊作用。沉默任一基因都会损害GSIS而不影响总胰岛素含量，表明它们的影响在于分泌过程而非胰岛素合成。虽然HAAO显示出被HNF4α明显转录激活，但USH1C显示出更 modest 的调控。总之，这些发现将HAAO和USH1C定位为精细协调胰岛素释放和葡萄糖稳态的 intriguing 新参与者。在肝细胞中，HNF4α类似地影响细胞骨架组织但独特地调节胺分解代谢和肽酶活性，反映了其代谢作用。虽然两种细胞类型共享肌动蛋白丝调控和GTPase活性等通路，但β细胞在胰岛素分泌和cAMP信号中显示出更强的富集，而肝细胞更与PI3K-Akt信号相关。这些发现突显了HNF4α在维持共享结构特征和指导胰腺和肝组织 distinct 功能特化中的双重功能。

HNF6

HNF6，也称为ONECUT1，是一种在胰腺和肝脏的发育和功能中扮演关键角色的转录因子。在人类中，已发现HNF6在妊娠7-12周的胰腺中表达。在肝脏中，HNF6在肝脏发育期间的肝母细胞（肝脏的双能祖细胞）中表达，后期在肝细胞和胆管上皮细胞中表达。它调节涉及胆管形成和肝细胞成熟的基因，包括HNF1B和FOXA2。HNF6协调信号通路，包括那些涉及FGF和BMP的通路，这些对于肝芽生长和增殖至关重要，而在胰腺中，HNF6在早期胰腺祖细胞和后期发育的朗格汉斯岛中表达。它控制关键基因的表达，包括NEUROG3和INS，这些对内分泌胰腺发育至关重要。在小鼠胚胎中失活HNF6基因导致内分泌细胞分化受损，NEUROG3的表达几乎完全消除。

在小鼠胚胎发育期间，HNF6存在于发育中的肝脏、胰腺和神经系统。它最初在胚胎第9天左右在肝脏中表达，并持续到第12.5天，此时表达显著下降。大约在胚胎第15天，HNF6表达在肝脏和肝外胆道系统中重新出现。HNF6在成年肝脏中持续高表达。Hnf6和Pdx1在小鼠胰腺内分泌发育过程中相互作用，并且两种转录因子的联合功能对于β细胞成熟和适应已被证明至关重要。

Hnf6敲除小鼠表现出肝脏发育受损，伴有胆管形态发生缺陷、肝细胞分化异常以及由葡萄糖-6-磷酸酶（g6pc）延迟表达导致的功能性糖异生受损。同时，缺乏Hnf6的小鼠显示胰腺发育显著缺陷，如由于Neurog3和Pdx-1下调导致内分泌祖细胞形成受损、胰腺发育不全和胰岛素产生减少，导致葡萄糖不耐受和糖尿病样症状。

在干细胞肝分化期间，HNF6的过表达增强肝标志物（如HNF1B、ALB和CYP3A4）的表达。另一方面，HNF6在hPSC胰腺分化为胰腺祖细胞的早期阶段是必需的。HNF6的缺失破坏了从多能胰腺祖细胞到内分泌祖细胞的转变，导致NEUROG3、PDX1、NKX6.1、NKX6.2、NKX2.2和INS表达减少。来自hPSC胰腺分化的转录和开放染色质数据的计算分析显示HNF6在PE和PP阶段与关键胰腺转录因子一起表达。HNF6结合基因在胰腺和内分泌发育中富集。它可能用FOXA2、GATA6、PDX1和NKX6.1启动增强子以激活胰腺调控因子。

HNF6中的变异与增加的T2D风险相关。GWAS已识别出影响β细胞功能和胰岛素分泌的HNF6基因座多态性。HNF6的罕见纯合功能丧失突变已与人类新生儿糖尿病和胰腺发育不全相关联。对人类肝组织的进一步研究表明，HNF6对于胆管细胞（胆管细胞）和肝细胞的分化和功能至关重要，因此异常的HNF6表达已牵涉到胆汁淤积性肝病，如Alagille综合征，由于小鼠模型中胆管形态发生缺陷。

HNF1β

HNF1β（HNF1B），也称为转录因子2（TCF2），在发育期间在前肠内胚层中高表达。HNF1β在器官发生过程中在两个水平上起作用：首先，在多能内胚层中肝和胰腺命运的早期获取中，其次，在管状结构（如胆管和肠上皮）的形态发生中。在