2024年2月6日，同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院再生醫(yī)學(xué)研究所、心臟病學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及醫(yī)學(xué)創(chuàng)新中心、同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、教育部“細(xì)胞干性與命運(yùn)編輯”前沿科學(xué)中心、上海市信號與疾病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李維達(dá)/張振寧和東方醫(yī)院邵莉團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊Cell Death & Differentiation 上發(fā)表題為ISR inhibition reverses pancreatic β-cell failure in Wolfram syndrome models 的研究成果。

該研究對WFS1缺失的人類胚胎干細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)分化并得到干細(xì)胞來源的胰島，利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)研究了致病基因WFS1對胰島β細(xì)胞的影響，并發(fā)現(xiàn)ISR抑制劑ISRIB能緩解WFS1缺失的胰島β細(xì)胞的功能衰竭，且在WFS1條件性敲除小鼠中也能發(fā)揮作用。

此研究為治療WS糖尿病提供了新的藥物選項(xiàng)。研究者在先前的工作中發(fā)現(xiàn)了一種藥物Riluzole，它能夠逆轉(zhuǎn)與WS神經(jīng)病變相關(guān)的神經(jīng)元喪失和突觸形成異常。未來，將Riluzole與ISRIB結(jié)合將有望實(shí)現(xiàn)WS協(xié)同治療。該研究中的單細(xì)胞測序基于華大智造DNBelab C系列單細(xì)胞建庫平臺(tái)和DNBSEQ測序平臺(tái)。

文章題目：ISR inhibition reverses pancreatic β-cell failure in Wolfram syndrome models

發(fā)表時(shí)間：2024-2-6

發(fā)表期刊：Cell Death & Differentiation

主要研究團(tuán)隊(duì)：同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院再生醫(yī)學(xué)研究所、心臟病學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及醫(yī)學(xué)創(chuàng)新中心、同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、教育部“細(xì)胞干性與命運(yùn)編輯”前沿科學(xué)中心、上海市信號與疾病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、和東方醫(yī)院等

影響因子：12.4

DOI：10.1038/s41418-024-01258-w

研究背景

Wolfram綜合征（Wolfram Syndrome, WS）是一種罕見的常染色體隱性遺傳病，許多患者過早死亡，其特征包括青少年糖尿病、視神經(jīng)萎縮、尿崩癥、聽力喪失和神經(jīng)退行性疾病等，糖尿病常為首發(fā)疾病。然而，由于缺乏合適的人類模型，Wolfram綜合癥的致病機(jī)制尚不明確，導(dǎo)致目前尚無治療方法可延緩、停止或逆轉(zhuǎn)Wolfram綜合征的發(fā)展，因此迫切需要新的Wolfram綜合癥模型進(jìn)行深度探索。

研究成果

研究人員首先構(gòu)建了干細(xì)胞來源的胰島（stem cell islets, SC-islets）模型。應(yīng)用CRISPR/Cas9技術(shù)生成WFS1敲除的人類胚胎干細(xì)胞,并對其進(jìn)行誘導(dǎo)分化。研究人員通過qPCR驗(yàn)證了在整個(gè)分化過程中WFS1基因的表達(dá)水平，其與人原代胰腺β細(xì)胞中的表達(dá)水平一致，且可以誘導(dǎo)分化至成熟的干細(xì)胞β細(xì)胞（stem cell-β cells, SC-β cells）。進(jìn)一步，研究人員對WT和WFS1缺失 SC-Islets進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序，鑒定得到8種細(xì)胞類型，其中包括β細(xì)胞、α細(xì)胞、δ細(xì)胞、ε細(xì)胞、胰腺前體細(xì)胞、增殖細(xì)胞、EC細(xì)胞，以及多激素內(nèi)分泌細(xì)胞。以上結(jié)果表明SC-Islets模型真實(shí)可靠。

圖1  WFS1缺失的SC-islets模型構(gòu)建和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序分析

為探究WFS1對SC-β細(xì)胞的影響，研究人員利用擬時(shí)序分析以模擬SC-β細(xì)胞命運(yùn)，發(fā)現(xiàn)WFS1敲除使SC-β細(xì)胞走向壓力應(yīng)激命運(yùn)，而未能走向成熟命運(yùn)。研究人員對其進(jìn)行差異表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)WFS1敲除的SC-β細(xì)胞中，與β細(xì)胞成熟和功能相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào)，而與細(xì)胞應(yīng)激相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)。為驗(yàn)證上述結(jié)果，研究人員進(jìn)行了GSIS實(shí)驗(yàn)，并對胰島素含量進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)WFS1敲除的SC-β細(xì)胞胰島素分泌含量顯著降低，且胰島素含量也顯著降低。

圖2  擬時(shí)序分析以模擬SC-β細(xì)胞命運(yùn)、GSIS實(shí)驗(yàn)和胰島素含量檢測

為了進(jìn)一步研究WFS1缺失是如何影響SC-β細(xì)胞走向壓力命運(yùn)進(jìn)而導(dǎo)致功能衰竭，研究人員分析差異表達(dá)基因及其對應(yīng)通路，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，WFS1敲除會(huì)使eIF2α的磷酸化顯著增加，PERK和ATF4的蛋白水平也顯著增強(qiáng)，且會(huì)促進(jìn)應(yīng)激顆粒 (Stress granules, SGs) 的形成。以上結(jié)果表明WFS1缺失將會(huì)激活胞內(nèi)的整合應(yīng)激反應(yīng) (Integrated stress response, ISR)。

圖3 WFS1缺失激活胞內(nèi)的整合應(yīng)激反應(yīng)

針對上述致病機(jī)制，研究人員探究了ISR抑制劑ISRIB對于胰島β細(xì)胞的治療效果，發(fā)現(xiàn)ISRIB確實(shí)能緩解SC-β細(xì)胞中的功能衰竭。ISRIB的加入能夠有效恢復(fù)總蛋白質(zhì)合成水平，減少應(yīng)激顆粒的形成。此外，在WFS1基因條件性敲除小鼠中加入ISRIB，小鼠的葡萄糖耐受能力得到顯著提升。

圖4 ISR抑制劑ISRIB對于胰島β細(xì)胞治療效果的機(jī)制研究和藥物驗(yàn)證示意圖

綜上，研究人員利用Wolfram綜合癥體外和體內(nèi)模型，揭示了ISRIB在緩解胰島β細(xì)胞功能衰竭中所發(fā)揮的作用，為Wolfram綜合癥的治療提供了新思路。同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院再生醫(yī)學(xué)研究所、心臟病學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及醫(yī)學(xué)創(chuàng)新中心、同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、教育部“細(xì)胞干性與命運(yùn)編輯”前沿科學(xué)中心、上海市信號與疾病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李維達(dá)教授，東方醫(yī)院邵莉教授，同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張振寧副教授為本文共同通訊作者。同濟(jì)大學(xué)博士后胡瑞，同濟(jì)大學(xué)博士生陳相宜，蘇強(qiáng)為本文共同第一作者。

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