人类胰腺α细胞异质性揭示SMOC1作为β细胞去分化关键基因的作用机制

本刊推荐：为解决2型糖尿病(T2D)中β细胞功能障碍和去分化机制不明的问题，研究人员通过单细胞/单核RNA测序(scRNA-seq/snRNA-seq)、RNA速率和轨迹推断分析，首次发现人类胰岛中存在五种α细胞亚型，并揭示T2D胰岛中存在从β细胞向α细胞的单向转化轨迹。研究鉴定出SMOC1等10个特征基因，证实SMOC1在T2Dβ细胞中异常表达可诱导胰岛素(INS)表达下降、葡萄糖刺激胰岛素分泌(GSIS)受损和β细胞去分化。该发现为糖尿病治疗提供了新靶点。

　　

在糖尿病研究领域，2型糖尿病(T2D)的发病机制一直困扰着科学家们。特别是胰岛β细胞的功能障碍和去分化现象——即β细胞逐渐失去其特性转向其他内分泌细胞类型，被认为是T2D的重要特征。更令人困惑的是，这些去分化的β细胞会表现出类似α细胞的表型，这可能是T2D患者中出现高胰高血糖素血症的原因之一。然而，参与这一转化过程的具体细胞亚型以及调控这一过程的关键基因至今未知。

为了解决这一科学难题，Randy B. Kang等研究人员在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们采用多种先进技术手段，包括单细胞RNA测序(scRNA-seq)、单核RNA测序(snRNA-seq)、RNA速率分析、PAGA轨迹推断和基因共性分析，深入探究了人类胰岛中α和β细胞命运的转换机制。

研究人员首先建立了高质量的人类胰岛细胞转录组数据库，包括来自非糖尿病供体的scRNA-seq和snRNA-seq数据，以及从人类胰岛研究网络(HIRN)的人类胰腺分析计划(HPAP)数据库获得的T2D胰岛scRNA-seq数据。通过先进的生物信息学分析方法，包括Seurat聚类、DoubletFinder去噪、SoupX环境RNA校正等，确保了数据可靠性。

研究团队发现了五种不同的GCG表达阳性的α细胞亚型：α1、α2、α3、α4和AB细胞。其中AB细胞是一个特别有趣的群体，它同时表达INS和GCG基因，类似于双激素细胞。通过多种验证方法，包括染色质可及性分析和特异性基因表达谱，证实这些AB细胞是真实的双激素细胞而非技术假象。

基因表达和通路富集分析显示，这些α细胞亚型具有不同的转录组特征和功能特性。α1和α2细胞富集于α细胞分化和谷氨酸/谷氨酰胺代谢通路，α3细胞与胰高血糖素分泌相关，α4细胞显示核糖体相关通路富集，而AB细胞则表现出早期胰腺前体细胞基因表达、顶级β细胞标志物和β细胞转录因子的富集。

RNA速率和PAGA分析揭示了细胞轨迹的关键差异。在非糖尿病胰岛中，细胞轨迹呈现分叉模式，AB细胞可以向成熟的α或β细胞双向分化。然而，在T2D胰岛中，轨迹分析显示了从β细胞向α细胞的单向转化，表明在T2D状态下存在推动β细胞去分化或转化为α样细胞的压力。

基因共性分析鉴定出10个在β向α细胞转化轨迹中共同的特征基因：SMOC1、PLCE1、PAPPA2、ZNF331、ALDH1A1、SLC30A8、BTG2、TM4SF4、NR4A1和PCSK2。这些基因在成熟的功能性α1和α2细胞中上调，而在α3、α4、AB和其他β细胞中表达降低。

特别值得关注的是SMOC1(SPARC相关模块化钙结合细胞外糖蛋白)，这是一个主要在α细胞中表达的基因。在T2D状态下，SMOC1在β细胞中异常表达，且其表达与INS表达呈负相关，与GCG表达呈正相关。

研究人员通过功能实验验证了SMOC1的作用。在非糖尿病人类胰岛和EndoC-βH1细胞中增强SMOC1表达，可降低INS表达、损害GSIS、减少β细胞身份基因表达(如PDX-1、MAFA、NKX6.1)，同时增加T2Dα细胞样和T2Dβ细胞样基因特征。外源性添加SMOC1蛋白同样能抑制GSIS、降低INS表达、减少Ca²⁺内流、降低cAMP水平和减少成熟胰岛素颗粒数量。

此外，研究还发现转录因子FOXO1可上调SMOC1的表达和分泌， suggesting一个调控β细胞功能的反馈环路。临床样本分析显示，T2D患者血清中的SMOC1水平显著高于非糖尿病患者，进一步支持了SMOC1在T2D病理生理中的重要作用。

本研究的意义在于首次系统揭示了人类胰岛α细胞的异质性，发现了五种功能各异的α细胞亚型，并阐明了在T2D状态下β细胞向α细胞转化的单向轨迹。鉴定出的10个特征基因，特别是SMOC1，为理解β细胞去分化机制提供了重要线索。

研究证实SMOC1不仅是一个标志物，更是驱动β细胞功能障碍和去分化的关键因子。SMOC1通过影响Ca²⁺信号、cAMP水平和胰岛素颗粒成熟等多个环节损害β细胞功能，这为开发针对SMOC1的糖尿病治疗策略提供了理论基础。

这些发现不仅增进了我们对T2D发病机制的理解，也为开发新的治疗干预措施提供了潜在靶点。针对SMOC1信号通路的调控可能成为未来糖尿病治疗的新方向，特别是对于保留β细胞功能和防止β细胞去分化具有重要临床意义。

该研究展示了多组学整合分析在发现疾病机制中的强大能力，为未来研究细胞命运转换和糖尿病病理生理提供了新的思路和方法学参考。