Nature Metabolism | 何川团队等揭示m6A在胰岛β细胞细胞中的调控机制

糖代谢紊乱是二型糖尿病病发的主要诱因之一。在糖代谢稳态中，胰岛细胞—尤其是β-细胞—的分子生物学调控起到了关键的作用。近年的研究发现RNA上的m⁶A甲基化修饰通过调节mRNA的定位、稳定性、以及翻译效率等通路参与调控了众多生物学过程【1】。而对于m⁶A是否参与了胰岛中细胞的生物学功能调控及其机制的研究尚属空白。

2019年7月29日，来自芝加哥大学的何川团队联合哈佛大学Joslin糖尿病研究所的Rohit Kulkarni团队（共同一作为Dario F.De Jesus与张子杰博士）在Nature Metabolism杂志上发表文章m⁶A mRNA methylation regulates human β-cell biology in physiological states and in type 2 diabetes。通过m⁶A测序比较糖尿病患者和健康人群胰岛样品中的m⁶A甲基化图谱、利用体外EndoC-βH1 β细胞模型以及小鼠β细胞Mettl14 敲除动物模型进行验证，揭示了m⁶A通过调节Insulin/IGF1-AKT-PDX1信号通路基因表达进而调节胰岛中β细胞的细胞周期、胰岛素分泌等生物学功能。

研究人员首先从已发表的糖尿病人胰岛单细胞转录组数据重分析出发，发现甲基转移酶METTL3、ALKBH5和YTHDF1在β细胞中下调。研究人员继而利用qPCR比较了病人胰岛样品中的m⁶A相关蛋白的表达并发现METTL3和METTL14在病人的全胰岛转录组中相较健康人群下调。这些线索均指向m⁶A甲基化介导的基因调控与二型糖尿病人胰岛细胞的调控变化密切关联。

为了进一步探索m⁶A甲基化参与调控糖尿病人胰岛细胞的分子机制，研究人员对糖尿病人及对照人群胰岛组织进行了转录组测序和m⁶A测序（图1a，b，c，d）。利用该胰岛m⁶A甲基化图谱，通过单细胞转录组数据计算的细胞水平基因表达可变性分析，发现在m⁶A标记的基因中糖尿病人比对照人群具有更高的表达水平；而非甲基化基因则没有显示出病人组和对照组的基因表达差异（图1e）。研究人员进一步分析发现了m⁶A差异甲基化的基因富集在胰岛素调控和糖尿病相关代谢通路，其中，多个Insulin/IGF1-AKT-PDX1 信号转导通路上的基因出现了甲基化的下调（图1g，h，i）。

Insulin/IGF1-AKT-PDX1是跟糖尿病高度相关的信号通路，AKT除了可以促进细胞的存活及生长外，还能促进下游基因PDX1的稳定性。而PDX1基因则可调控β细胞的细胞属性、细胞周期以及胰岛素的分泌【2-6】。由此，研究人员提出了一个由于m⁶A在关键基因上的甲基化下降所调控的Insulin/IGF1-AKT-PDX1信号转导通路的激活下调，继而造成细胞周期停滞并且损害胰岛素分泌的假说。

为了验证这一假说，研究人员利用shRNA在β细胞EndoC-βH1上敲除了甲基转移酶METTL3以及METTL14并观察到细胞周期停滞、基础胰岛素分泌上升、葡萄糖刺激胰岛素分泌受损等表型。分子实验进一步表明AKT通路的激活受甲基转移酶的影响。同时PDX1蛋白水平受其甲基化水平降低和AKT激活降低的共同影响下调。这些证据共同表明m⁶A通过调控Insulin/IGF1-AKT-PDX1信号通路上的基因表达实现对胰岛β细胞周期和胰岛素分泌的调节。

最后，研究人员利用胰岛β细胞中特异性Mettl14敲除的小鼠模型，进一步验证了m⁶A甲基化在糖尿病胰岛中的调控作用。Mettl14敲除的小鼠在一个月时开始表现出血糖升高，并在3个月时加剧。组织切片荧光染色显示，在大约两个月时，小鼠开始出现β细胞减少；表达Pdx1基因（β细胞身份的标记基因）和胰岛素的细胞相应减少。小鼠β细胞转录组数据表明，Mettl14敲除小鼠中多个细胞周期基因下调，与前述细胞周期停滞的表型一致。同时研究人员观察到多个β细胞早期发育标记基因上调而诸如Pdx1, Mafa, and Ucn3等成熟β细胞标记基因则出现下调。磷酸化芯片检测数据显示Akt信号通路多个基因在Mettl14敲除小鼠的β细胞中受到抑制。这些结果表明了血糖升高是由于葡萄糖刺激胰岛素分泌受损而非胰岛素不敏感导致小鼠出现血糖不耐受。

综上所述，该研究发现胰岛m⁶A甲基化组相较于转录组可更好的作为糖尿病分子标记。该研究通过模式细胞以及模式动物实验，验证了由m⁶A调控Insulin/IGF1-AKT-PDX1信号转导通路进而影响细胞周期及胰岛素分泌（图2）；提示了胰岛中关键基因的m⁶A甲基化下降以及其对胰岛素分泌代谢通路的影响对糖尿病形成有重要贡献。m⁶A通路对胰岛稳态的调控也为未来以m⁶A调控通路为靶向，寻找治疗糖尿病的途径提供了新的思路。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s42255-019-0089-9

制版人：珂

参考文献

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