单细胞多组学整合分析揭示人类胰岛中T1D相关基因与调控信号

本研究通过整合单细胞转录组(scRNA-seq)和染色质可及性(snATAC-seq)分析，结合GWAS和hESC基因编辑技术，系统解析了1型糖尿病(T1D)遗传风险位点在胰岛细胞中的调控机制。研究人员发现DLK1/MEG3、RASGRP1和TOX三个基因座通过β细胞介导T1D风险，并利用同源重组hESC模型证实这些基因缺失会导致β细胞凋亡增加。该研究为理解T1D发病机制提供了新的细胞类型特异性视角，并为开发靶向β细胞保护的干预策略奠定基础。

　　

在1型糖尿病(T1D)研究领域，一个长期存在的关键问题是：虽然全基因组关联研究(GWAS)已鉴定出100多个T1D风险位点，但大多数位于非编码区，其作用的细胞类型、靶基因和分子机制仍不明确。传统观点认为T1D风险主要由免疫细胞介导，但近年证据显示胰腺细胞也可能参与其中。特别是β细胞作为T1D中被免疫系统攻击的主要靶标，其内在的遗传脆弱性如何影响疾病进程尚不清楚。这种知识缺口严重阻碍了从遗传发现到机制理解的转化，也限制了精准治疗策略的开发。

为破解这一难题，美国密歇根大学Gilbert S. Omenn计算医学与生物信息学系、威尔康奈尔医学院外科系等机构的研究团队开展了一项创新性研究。他们通过整合单细胞多组学技术与基因编辑手段，系统绘制了人类胰岛在基础和T1D刺激条件下的分子图谱，成功将T1D GWAS信号定位到特定胰腺细胞类型，并鉴定出三个通过β细胞发挥作用的T1D风险基因座。这项突破性成果发表在《Cell Reports》期刊，为理解T1D发病机制提供了全新视角。

研究人员采用多项关键技术：1)对8例健康供体的胰岛进行单细胞RNA测序(scRNA-seq)和单细胞核ATAC测序(snATAC-seq)，建立基线及细胞因子(TNF-α/IFN-γ/IL-1β)或柯萨奇病毒B4(CVB4)刺激下的多组学图谱；2)开发新的计算方法整合GWAS精细定位与细胞类型特异性染色质可及性数据；3)利用CRISPR-Cas9构建DLK1、RASGRP1和TOX基因敲除及调控区缺失的hESC系，并分化为β样细胞进行功能验证；4)通过RNA-seq和ATAC-seq分析基因缺失的分子效应。

主要研究发现：

整合分析揭示胰岛细胞在T1D条件下的转录和表观遗传变化
研究首先建立了包含111,935个细胞(48,806个snATAC-seq核和63,129个scRNA-seq细胞)的人类胰岛单细胞图谱，鉴定出10种主要细胞类型。在β细胞中，细胞因子刺激主要激活免疫反应通路，而CVB4感染更显著诱导凋亡信号。染色质信息分析发现，干扰素调节因子(IRF)家族在细胞因子处理的β细胞中染色质组织增强，这与已知的IRF-1在β细胞凋亡中的作用一致。

T1D GWAS变异在胰岛细胞调控元件中富集
通过功能基因组关联分析(fGWAS)，发现T1D GWAS变异不仅如预期在免疫细胞中富集，也在导管、腺泡和β细胞中显著富集。特别值得注意的是，响应性调控元件(如细胞因子刺激的β细胞DARs)显示出更强的T1D信号富集，表明环境响应元件在T1D遗传风险中的作用。

鉴定出三个通过β细胞介导T1D风险的基因座
研究团队开发了新算法，通过整合GWAS精细定位后验概率(PPA)与细胞类型特异性染色质可及性，系统识别可能介导T1D风险的细胞类型。该方法成功复现了已知的INS基因座β细胞特异性信号，并鉴定出DLK1/MEG3(次级信号)、RASGRP1和TOX三个新的β细胞介导位点。其中，rs3783355风险等位基因位于DLK1/MEG3基因座的一个β细胞增强子中，在刺激条件下与DLK1和MEG3启动子的共可及性增强。

基因编辑验证T1D风险基因的功能影响
通过构建DLK1、RASGRP1和TOX敲除的hESC系，研究发现DLK1和RASGRP1缺失会导致β样细胞分化效率降低和凋亡增加，而TOX缺失主要影响分化。特别值得注意的是，携带rs3783355风险等位基因(A/A)的hESC系表现出DLK1表达下降和β细胞凋亡增加。机制研究发现DLK1和RASGRP1缺失通过不同表观遗传机制(前者增加而后者降低染色质可及性)共同上调ITGB1等促凋亡基因，且抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸(NAC)能部分挽救表型。

这项研究的重要意义在于首次系统地将T1D遗传风险位点与特定胰岛细胞类型联系起来，并利用基因编辑模型验证了β细胞内在脆弱性在T1D发病中的作用。发现的DLK1、RASGRP1和TOX等基因不仅丰富了我们对T1D机制的理解，还为开发保护β细胞的干预策略提供了新靶点。研究方法上，创新的单细胞多组学整合分析框架和PPA加权染色质可及性评分方法，为解析复杂疾病的细胞类型特异性遗传机制提供了范本。从转化医学角度看，这些发现提示针对β细胞固有脆弱性的治疗可能成为T1D预防的新方向，而rs3783355等变异或可作为预测β细胞功能的遗传标志物。