PPARα依赖性线粒体编程缺陷限制人干细胞源性β细胞分化及其功能成熟

《Nature Communications》：Limitations in PPARα-dependent mitochondrial programming restrain the differentiation of human stem cell-derived β cells

本研究针对干细胞源性胰岛（SC-islets）功能代谢不成熟的关键瓶颈，揭示了PPARα介导的线粒体编程缺陷是限制SC-β细胞分化的重要因素。通过转录组学、代谢组学及功能实验，发现WY14643（PPARα激动剂）可显著提升线粒体氧化代谢、脂肪酸氧化及胰岛素分泌，并促进移植后SC-β细胞形成。该研究为优化糖尿病细胞疗法提供了新靶点。

　　

在糖尿病治疗领域，替换功能丧失的胰岛β细胞已成为最具潜力的治疗策略之一。人多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSCs）经定向分化可获得干细胞源性胰岛（stem cell-derived islets, SC-islets），为1型糖尿病（type 1 diabetes, T1D）患者提供了可再生细胞来源的希望。然而，与原发性人胰岛相比，SC-islets存在显著的功能与代谢不成熟，其葡萄糖刺激胰岛素分泌（glucose-stimulated insulin secretion, GSIS）能力较弱，限制了其长期治疗效果。这种不成熟的深层机制尚不清楚，但越来越多的证据表明，线粒体代谢缺陷可能是关键因素之一。

为了深入探究这一问题，美国密歇根大学Scott A. Soleimanpour教授团队在《Nature Communications》上发表了一项研究，揭示了过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα）依赖性线粒体编程的局限性，是阻碍人干细胞源性β（SC-β）细胞分化的关键障碍。

研究人员为开展此项研究，综合运用了多种关键技术。他们通过定向分化方案从H1、HUES8人胚胎干细胞（hESCs）及19-9-11诱导多能干细胞（iPSCs）生成SC-islets。研究手段包括RNA测序（RNA-seq）进行转录组分析、线粒体呼吸测定（使用Barofuse仪器评估耗氧率OCR）、蛋白质印迹（Western blot）分析OXPHOS复合物蛋白表达、代谢组学（包括脂质组学和酰基肉碱分析）以及免疫荧光染色评估细胞身份和线粒体形态。此外，还利用了已公开的单细胞RNA-seq（scRNA-seq）和单细胞ATAC-seq（scATAC-seq）数据进行比较分析，并进行了体外和体内（移植到非肥胖糖尿病重症联合免疫缺陷（NOD-scid IL2Rg^null, NSG）小鼠附睾脂肪垫）功能验证实验。

SC-islets在转录和代谢上表现不成熟

研究人员首先证实，与原发性人胰岛相比，阶段6的SC-islets确实表现出转录谱、激素表达水平（如胰岛素、胰高血糖素）以及葡萄糖和KCl刺激的胰岛素分泌能力均较低，呈现出功能不成熟的典型特征。

在代谢层面，SC-islets对葡萄糖刺激的线粒体呼吸反应减弱，且乳酸产量更高，提示其代谢更偏向糖酵解，氧化代谢能力不足。

SC-islets的线粒体质量与结构无明显异常

一个有趣的发现是，尽管功能受限，SC-islets的线粒体DNA（mtDNA）含量、复制、质量（通过柠檬酸合酶活性评估）以及超微结构（通过透射电子显微镜观察）与原发性人胰岛相比并无显著差异。这表明呼吸缺陷并非源于线粒体数量的减少或结构的明显异常，而是可能与其内在功能编程有关。

转录组学揭示线粒体代谢存在局限

通过RNA-seq比较，研究人员发现SC-islets中有大量基因表达异常，其中包括405个定位线粒体的MitoCarta基因。通路分析显示，脂肪酸代谢、氨基酸代谢和氧化磷酸化（OXPHOS）相关基因在SC-islets中表达下调。

OXPHOS机制和线粒体脂质代谢受限

深入分析发现，SC-islets中编码OXPHOS复合物亚基的多个基因表达降低，且这一现象在SC-β细胞中尤为明显。同时，与脂肪酸β-氧化（如CPT1A、ACAT1）和生物合成（如ACACB）相关的关键基因也表达不足。脂质组学分析进一步证实，SC-islets中长链和短链酰基肉碱水平普遍低于人胰岛，反映了线粒体脂肪酸代谢的缺陷。

SC-islets中PPARα和PPARγ转录靶点表达降低

为探寻上述代谢缺陷的转录调控根源，生物信息学分析将矛头指向了PPARα和PPARγ信号通路。研究发现，SC-islets中PPARα/γ的许多经典靶基因表达显著降低。然而，PPARα蛋白水平及其共激活因子（如NCOA1）的表达并未减少，甚至scATAC-seq分析显示PPAR/RXR结合基序的可及性在SC-β细胞中更高。这表明，PPARα转录机器本身存在，但其活性或配体可用性可能不足。

WY14643改善SC-β细胞的分化

基于以上发现，研究人员假设补充PPARα激动剂可能改善SC-β细胞分化。他们在分化后期使用WY14643进行处理，结果令人鼓舞：WY14643处理显著增加了C-肽阳性SC-β细胞的比例，提升了NKX6.1和PDX1等β细胞关键转录因子的共表达，并改善了胰岛素分泌和线粒体呼吸。RNA-seq分析证实，WY14643诱导了PPARα靶基因、成熟β细胞标志物（如INS、UCN3）以及OXPHOS相关基因的表达。

更重要的是，在将经过WY14643预处理的SC-islets移植到NSG小鼠体内10天后，移植体中C-肽阳性β细胞的比例和胰岛素含量依然显著高于对照组，证明了WY14643效应的持久性。

研究结论与意义

本研究系统性地揭示了SC-β细胞分化过程中存在PPARα依赖性线粒体编程缺陷，具体表现为OXPHOS机制和线粒体脂肪酸代谢的关键组分表达不足。研究结果表明，这种缺陷并非由于线粒体质量或结构的根本性问题，而是与特定的转录调控网络失灵有关。更重要的是，研究证实通过药理性激活PPARα（使用WY14643），可以有效改善SC-β细胞的线粒体功能，促进其分化成熟，并增强其在移植后的存活和功能。

该研究的发现具有多重重要意义。首先，它深化了我们对线粒体在细胞命运决定中作用的理解，超越了其作为能量工厂的传统角色。其次，它明确指出了PPARα信号通路是优化SC-β细胞分化协议的一个新的、可成药的靶点。最后，这项研究为开发更安全、有效的干细胞衍生β细胞疗法以治疗糖尿病提供了新的策略和希望。未来，探索PPARα与其他线粒体调控因子（如ERRγ, PGC1α）的协同作用，以及测试其他PPAR激动剂，将有望进一步推动该领域的发展。