赋能科研丨基于华大智造单细胞建库和测序平台，同济大学多个团队合作揭示Wolfram综合征致病机制

2024年2月6日，同济大学附属东方医院再生医学研究所、心脏病学国家重点实验室及医学创新中心、同济大学生命科学与技术学院、教育部“细胞干性与命运编辑”前沿科学中心、上海市信号与疾病研究重点实验室李维达/张振宁和东方医院邵莉团队在国际学术期刊Cell Death & Differentiation 上发表题为ISR inhibition reverses pancreatic β-cell failure in Wolfram syndrome models 的研究成果。

该研究对WFS1缺失的人类胚胎干细胞进行诱导分化并得到干细胞来源的胰岛，利用单细胞转录组测序技术研究了致病基因WFS1对胰岛β细胞的影响，并发现ISR抑制剂ISRIB能缓解WFS1缺失的胰岛β细胞的功能衰竭，且在WFS1条件性敲除小鼠中也能发挥作用。

此研究为治疗WS糖尿病提供了新的药物选项。研究者在先前的工作中发现了一种药物Riluzole，它能够逆转与WS神经病变相关的神经元丧失和突触形成异常。未来，将Riluzole与ISRIB结合将有望实现WS协同治疗。该研究中的单细胞测序基于华大智造DNBelab C系列单细胞建库平台和DNBSEQ测序平台。

文章题目：ISR inhibition reverses pancreatic β-cell failure in Wolfram syndrome models

发表时间：2024-2-6

发表期刊：Cell Death & Differentiation

主要研究团队：同济大学附属东方医院再生医学研究所、心脏病学国家重点实验室及医学创新中心、同济大学生命科学与技术学院、教育部“细胞干性与命运编辑”前沿科学中心、上海市信号与疾病研究重点实验室、和东方医院等

影响因子：12.4

DOI：10.1038/s41418-024-01258-w

研究背景

Wolfram综合征（Wolfram Syndrome, WS）是一种罕见的常染色体隐性遗传病，许多患者过早死亡，其特征包括青少年糖尿病、视神经萎缩、尿崩症、听力丧失和神经退行性疾病等，糖尿病常为首发疾病。然而，由于缺乏合适的人类模型，Wolfram综合症的致病机制尚不明确，导致目前尚无治疗方法可延缓、停止或逆转Wolfram综合征的发展，因此迫切需要新的Wolfram综合症模型进行深度探索。

研究成果

研究人员首先构建了干细胞来源的胰岛（stem cell islets, SC-islets）模型。应用CRISPR/Cas9技术生成WFS1敲除的人类胚胎干细胞,并对其进行诱导分化。研究人员通过qPCR验证了在整个分化过程中WFS1基因的表达水平，其与人原代胰腺β细胞中的表达水平一致，且可以诱导分化至成熟的干细胞β细胞（stem cell-β cells, SC-β cells）。进一步，研究人员对WT和WFS1缺失 SC-Islets进行了单细胞转录组测序，鉴定得到8种细胞类型，其中包括β细胞、α细胞、δ细胞、ε细胞、胰腺前体细胞、增殖细胞、EC细胞，以及多激素内分泌细胞。以上结果表明SC-Islets模型真实可靠。

图1  WFS1缺失的SC-islets模型构建和单细胞转录组测序分析

为探究WFS1对SC-β细胞的影响，研究人员利用拟时序分析以模拟SC-β细胞命运，发现WFS1敲除使SC-β细胞走向压力应激命运，而未能走向成熟命运。研究人员对其进行差异表达分析，发现WFS1敲除的SC-β细胞中，与β细胞成熟和功能相关的基因表达下调，而与细胞应激相关的基因表达上调。为验证上述结果，研究人员进行了GSIS实验，并对胰岛素含量进行检测，发现WFS1敲除的SC-β细胞胰岛素分泌含量显著降低，且胰岛素含量也显著降低。

图2  拟时序分析以模拟SC-β细胞命运、GSIS实验和胰岛素含量检测

为了进一步研究WFS1缺失是如何影响SC-β细胞走向压力命运进而导致功能衰竭，研究人员分析差异表达基因及其对应通路，并通过实验验证发现，WFS1敲除会使eIF2α的磷酸化显著增加，PERK和ATF4的蛋白水平也显著增强，且会促进应激颗粒 (Stress granules, SGs) 的形成。以上结果表明WFS1缺失将会激活胞内的整合应激反应 (Integrated stress response, ISR)。

图3 WFS1缺失激活胞内的整合应激反应

针对上述致病机制，研究人员探究了ISR抑制剂ISRIB对于胰岛β细胞的治疗效果，发现ISRIB确实能缓解SC-β细胞中的功能衰竭。ISRIB的加入能够有效恢复总蛋白质合成水平，减少应激颗粒的形成。此外，在WFS1基因条件性敲除小鼠中加入ISRIB，小鼠的葡萄糖耐受能力得到显著提升。

图4 ISR抑制剂ISRIB对于胰岛β细胞治疗效果的机制研究和药物验证示意图

综上，研究人员利用Wolfram综合症体外和体内模型，揭示了ISRIB在缓解胰岛β细胞功能衰竭中所发挥的作用，为Wolfram综合症的治疗提供了新思路。同济大学附属东方医院再生医学研究所、心脏病学国家重点实验室及医学创新中心、同济大学生命科学与技术学院、教育部“细胞干性与命运编辑”前沿科学中心、上海市信号与疾病研究重点实验室李维达教授，东方医院邵莉教授，同济大学生命科学与技术学院张振宁副教授为本文共同通讯作者。同济大学博士后胡瑞，同济大学博士生陈相宜，苏强为本文共同第一作者。

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