利用同基因iPSC衍生胰岛模型揭示SUR1 R1420H变异对胰岛素分泌功能的双相调控机制

《Diabetologia》：Modelling the effects of human SUR1 R1420H variation on insulin secretory function using isogenic iPSC-derived pancreatic islets

本研究针对印第安人群中发现的新型SUR1 R1420H变异，通过建立同基因iPSC衍生胰岛模型，首次系统揭示了该变异在胚胎期导致高胰岛素血症而在成年期引发胰岛素分泌缺陷的双相调控机制。研究发现纯合变异导致KATP通道功能完全丧失，而异合变异通过下调GCK、上调G6PC2表达导致葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)受损，为理解该变异人群的糖尿病发病机制提供了新视角。

　　

在亚利桑那州一个印第安人社区中，科学家发现了一种特殊的基因变异——SUR1基因的R1420H变异。令人困惑的是，携带该变异纯合子的个体在婴儿期会出现高胰岛素血症性低血糖(HHI)，而3%携带杂合变异的社区成员却表现出2型糖尿病风险增加两倍。这种看似矛盾的现象引发了研究人员的浓厚兴趣：同一个基因变异为何会在生命不同阶段导致截然相反的代谢表型？

为解开这一谜团，美国国立糖尿病、消化和肾脏疾病研究所的Leslie J. Baier团队在《Diabetologia》发表了创新性研究。他们利用来自印第安人群的诱导多能干细胞(iPSC)建立了同基因胰岛模型，首次在体外重现了SUR1 R1420H变异从胚胎期到成年期对胰岛素分泌的动态影响。

研究团队采用CRISPR-Cas9基因编辑技术，从两名携带不同基因型的印第安裔女性捐赠者外周血单核细胞(PBMC)来源的iPSC中，构建了包含三种基因型(SUR1 1420RR/1420RH/1420HH)的同基因细胞系。通过七阶段分化 protocol 获得未成熟(胎儿样)和成熟(成人样)SC-胰岛，利用动态葡萄糖刺激的胰岛素分泌(d-GSIS)测定、单细胞RNA测序(scRNA-seq)等技术系统评估了胰岛素分泌功能和转录组特征。

研究结果揭示了一个精彩的生物学故事：未成熟阶段的1420HH纯合SC-胰岛在基础条件下胰岛素分泌量增加3.4-4.2倍，再现了婴儿期HHI表型；而1420RH杂合SC-胰岛也表现出轻度高胰岛素血症。成熟后，1420HH胰岛完全丧失葡萄糖反应性，1420RH胰岛虽保留双相胰岛素分泌能力，但反应强度显著降低(胰岛素分泌曲线下面积[AUC]：1.04 vs 0.56)。药物实验显示，二氮嗪可抑制未成熟变异胰岛的高胰岛素血症，而格列本脲对成熟变异胰岛的刺激效应大幅减弱。

机制研究发现，GCK激活剂多扎格列汀可改善1420RH胰岛的第一时相胰岛素分泌，提示糖酵解通路受损。scRNA-seq进一步发现，1420RH SC-β细胞中糖酵解基因(GCK、GAPDH等)表达下调，而葡萄糖-6-磷酸酶催化亚基2(G6PC2)表达上调，这可能是导致葡萄糖反应性降低的关键机制。

这项研究的创新性在于首次利用民族特异性同基因iPSC模型，揭示了SUR1 R1420H变异通过调控K_ATP通道功能影响胰岛素分泌的动态变化规律。不仅证实了该变异是K_ATP通道功能丧失(LoF)变异，还阐明了从胎儿期高胰岛素血症到成年期胰岛素分泌缺陷的转变机制。该模型为筛查治疗HHI和改善胰岛素分泌缺陷的药物提供了宝贵平台，尤其为印第安人群的精准糖尿病防治提供了新思路。

研究还发现，不同个体背景基因型(如KCNQ1风险等位基因)可能影响SC-β细胞比例，强调了使用同基因模型排除遗传背景干扰的重要性。这些发现不仅深化了对K_ATP通道病理生理学的理解，也为开发针对特定基因变异型糖尿病的个体化治疗策略奠定了坚实基础。

通过这项精巧的研究设计，科学家们成功构建了能够模拟人类胰岛发育全过程的实验体系，为研究基因变异在生命周期不同阶段的表现提供了新范式。这种"一个基因，双重表型"现象的阐明，不仅解决了特定人群的临床问题，更为理解2型糖尿病的发育起源提供了重要线索。