小鼠成纤维细胞到胰腺α细胞的谱系转换丨BioArt国科大论坛

BioArt按：6月24日，BioArt推出“国科大论坛”专栏，旨在鼓励中国科学院大学（UCAS）生命学院的优秀本科生接触学术最前沿，激发他们对生命科学某些领域深层次的理解，同时也锻炼他们对科学报道的写作能力。今日BioArt推出第5篇系列文章，这篇文章解读的是近日中科院上海生化与细胞研究所惠利健课题组发表在Experimental & Molecular Medicine杂志上题为“Lineage conversion of mouse fibroblasts to pancreatic α-cells”的研究论文。本文通过对终末分化细胞的重编程，得到了功能性α细胞样细胞，并证明了其在体外的胰高血糖素分泌功能和体内干扰血糖调节的功能。这些细胞可以为β细胞转化的分子筛选提供一个新的平台。

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撰文丨包充宇（中国科学院大学2014级本科生）

摘要：

糖尿病一直以来是困扰现代人的一大疾病，目前治疗I型糖尿病的方法包括每天使用外源性胰岛素以及较少见的全胰或胰岛移植。然而注射胰岛素容易引发并发症，胰岛移植昂贵且供体有限。因此中国科学院上海生命科学研究所的惠利健研究员以及第二军医大学附属长征医院的石勇铨教授的课题组提出了一种生成功能性α细胞样细胞（iAlpha细胞）的新技术，并用各项指标验证其在体外具有胰岛α细胞功能，通过注入裸鼠肾导致抗胰岛素性从而使β细胞增殖，为糖尿病的治疗带来了一种新的可能，该成果于2017年6月30日以“Lineage conversion of mouse fibroblasts to pancreatic α-cells”在Experimental & Molecular Medicine杂志上发表。

背景介绍：

在胰岛内，β细胞分泌胰岛素、α细胞分泌胰高血糖素调节血糖平衡。除了维持血糖水平，α细胞同时也支持β细胞生存并有能力分化为β细胞[1 ]。然而，由于缺乏成熟的α细胞，α细胞在病理条件下的作用及其在临床上的应用仍然是是一个谜。先前的研究证明，谱系特异性转录因子能将终末分化细胞转换为其他类型细胞，通过过表达特定的转录因子可以诱导小鼠成纤维细胞转变为心肌细胞，神经细胞和肝细胞。此前，惠利健课题组已经通过过表达转录因子 Hnf1a、 gata4 和 Foxa3成功将小鼠尾尖成纤维细胞（TTFs）转变为肝细胞样细胞（iHep细胞）[ 2]。现在，研究人员通过过表达Hhex、 Foxa3、Gata4、Pdx1和 Pax4，成功在iHep细胞基础上获得具有胰岛α细胞功能的新细胞，并命名为iAlpha细胞（下图）。

文章解读：

研究表明，如果使用与期望获得的细胞类型共享一个共同的发育谱系的起始细胞，那么细胞重编程可能会更成功。肝细胞和胰腺内分泌细胞在发育过程中拥有共同的祖细胞，而在体内，肝细胞由Pdx1的强制表达会重编程为胰岛素阳性细胞。因此作者首先在iHep细胞中筛选了11个转录因子，通过慢病毒介导的过表达后测定细胞的胰岛素（Ins）及胰高血糖素(Gcg)的水平来验证它们诱导胰腺内分泌细胞的能力。作者发现过表达PDX1、HHEX、PAX4会使胰高血糖素的mRNA表达水平大量提高胰岛素无明显变化，iHep细胞的形态也发生了明显变化，说明iHep细胞可以转化为胰高血糖素分泌细胞。

由于iHep细胞是由TTFs诱导转化得到的，因此作者试图通过TTFs细胞直接得到胰高血糖素分泌细胞。通过过表达 Gata4, Hnf1a , Foxa3, Pdx1, Hhex, Pax4后检测到了胰高血糖素mRNA的表达，并发现去除Hnf1a后胰高血糖素水平更高，因此作者最终确定了过表达Gata4, Pdx1, Hhex, Pax4, Foxa3 可以得到最高水平的胰高血糖素分泌量，并验证其可以稳定表达α细胞特异的基因和转录因子。至此，作者成功得到了iAlpha细胞。

然后，为了验证iAlpha细胞的功能，作者开始做了一系列的验证实验。体外实验是通过检测葡萄糖和胰岛素受体以及胰高血糖素的转运体[3 ]，发现其水平远高于TTFs细胞，体内实验是通过将iAlpha细胞移植进入裸鼠肾脏，通过测定裸鼠的体重变化、进行胰岛素耐量测试和葡萄糖耐量测试后发现小鼠体重下降，血糖浓度显著提高。说明iAlpha细胞确实可以干扰血糖调节。

最后，作者发现iAlpha细胞可以诱导胰岛细胞再生。在之前的实验中发现iAlpha细胞功能均在术后8周下降，通过观察发现，在8周时，iAlpha细胞几乎没有调节血糖的作用，但是移植小鼠的胰岛素及胰高血糖素水平均要高于对照组。随后在对胰岛细胞的检测中发现，移植小鼠的Ki67阳性细胞以及胰岛素阳性细胞比例均高于对照组，同时胰高血糖素阳性细胞比例下降。这个结果表明iAlpha细胞减少了胰岛中的α比β细胞的比例，这可能是由于α细胞转化为了β细胞。

iAlpha细胞诱导胰岛细胞再生

讨论与总结：

本文通过对终末分化细胞的重编程，得到了功能性α细胞样细胞，并证明了其在体外的胰高血糖素分泌功能和体内干扰血糖调节的功能。这些细胞可以为β细胞转化的分子筛选提供一个新的平台。不仅如此，还从另一个角度提示了一种治疗糖尿病的新方法，通过移植功能性α细胞样细胞使得体内的血糖调节被打破，提高胰高血糖素的含量迫使胰岛细胞自发地进行再生，而这种细胞又会在8周后失效，并且太可能增加致癌风险。相比治标不治本的注射胰岛素，昂贵且资源稀缺的胰岛移植以及高致癌风险的iPSC诱导移植，这种治疗方法从目前来看并没有什么副作用，具有不错的前景，相信未来能有更多该方面的研究进展。

参考文献：

[1 ] Thorel F, Népote V, Avril I, Kohno K, Desgraz R, Chera S et al. Conversion of adult pancreatic alpha-cells to beta-cells after extreme beta-cell loss.Nature 2010; 464: 1149–1154.

[2 ] Huang P, He Z, Ji S, Sun H, Xiang D, Liu C et al. Induction of functional hepatocyte-like cells from mouse fibroblasts by defined factors. Nature 2011; 475: 386–389.

[ 3] Gaisano HY, Leung YM. Pancreatic islet alpha cell commands itself: secrete more glucagon!. Cell Metab 2008; 7: 474–475.

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