Cell Metab | β细胞中转录-剪接协同失守或可致糖尿病

撰文 |咸姐

2型糖尿病（T2D）以胰岛β细胞功能衰竭和外周胰岛素抵抗为特征，但β细胞功能障碍的分子机制至今未明。HNF1A（肝细胞核因子1α）在糖尿病研究领域始终占据特殊地位，它不仅是单基因糖尿病（MODY3）最常见的致病基因，其编码区罕见失活突变即可导致早发型糖尿病【1】。更令人瞩目的是，人群中常见的HNF1A功能部分缺失或功能增强变异，也分别与多基因T2D风险升高或降低显著相关【2,3】。然而，一个关键悬而未决的问题是——HNF1A究竟在哪类细胞中对血糖稳态起决定性作用？传统观点认为，HNF1A在肝脏、肠道、肾、胰腺外分泌及胰岛多种细胞中广泛表达，这些组织均能通过不同途径间接影响β细胞功能。因此，HNF1A缺失所致的高血糖究竟是β细胞自身的“内源性”缺陷，还是肝-肠-胰轴“外周”代谢紊乱的继发结果，一直缺乏直接证据。与此同时，尽管大量研究记录了HNF1A突变β细胞存在葡萄糖摄取、糖酵解信号、线粒体呼吸及钙信号异常，但这些表型从未被系统性地映射到HNF1A的直接靶基因，更遑论阐明其如何驱动糖尿病发生。换言之，我们仍不清楚HNF1A在β细胞中究竟编排了怎样的转录程序，以及这些程序是否进一步延伸至其他层面，从而共同决定β细胞的身份与功能。

近日，来自西班牙 巴塞罗那科技学院的Jorge Ferrer团队在Cell Metabolism上在线发表题为HNF1A and A1CF coordinate a beta cell transcription-splicing axis that is disrupted in type 2 diabetes的文章， 通过细胞特异性遗传学、单细胞组学和人类遗传学三位一体的策略，在胰腺β细胞中发现了由HNF1A和A1CF驱动的转录-剪接调控轴，证明该调控网络的失败会导致β细胞功能和葡萄糖稳态的缺陷，从而厘清了HNF1A在β细胞中的核心作用及其与2型糖尿病的分子关联，为理解及治疗T2D提供了新的“转录-剪接”视角和可操作的干预策略。

为了系统地研究HNF1A对维持葡萄糖稳态至关重要的细胞类型，本文研究人员 利用带有loxP标记的Hnf1a第2外显子小鼠，分别与Alb-Cre（肝脏特异）、Vil1-Cre（肠道特异）、Pdx1-Cre（胰腺全系）、Ins1-Cre（β细胞特异）及Gcg-CreERT2（诱导型α细胞特异）品系交配，实现组织或细胞类型特异性的Hnf1a敲除，并在成年期进行腹腔葡萄糖耐量、胰岛素分泌、体重、胰高血糖素反应等系统代谢表型评估。实验结果显示，仅当Hnf1a在β细胞中被特异性删除（Hnf1a βKO ）时，小鼠才出现与全基因敲除相似的空腹及餐后高血糖、胰岛素分泌显著下降；而肝或肠道缺失Hnf1a的小鼠不仅血糖正常，甚至因体脂减少而改善糖耐量；α细胞缺失虽削弱胰高血糖素反向调节，却不致糖尿病。由此直接证明，HNF1A缺失所致糖尿病是β细胞自主而非外周组织继发的功能缺陷。

随后，研究人员探究了HNF1A在β细胞中的分子功能。考虑到小鼠纯合和人类杂合HNF1A突变均导致糖尿病，研究人员期望鉴定出在小鼠和人类β细胞中保守的HNF1A依赖性靶基因。为此，研究人员对HNF1A双等位基因缺失的人EndoC-βH3 β细胞系和Hnf1a -/- 小鼠胰岛进行了RNA-seq和ChIP-seq，并整合人胰岛单细胞转录组进行共表达相关分析。实验结果显示，HNF1A主要作为转录激活因子，其结合基因在两物种HNF1A缺陷模型中显著富集于下调表达基因，并筛选出129个直系同源基因在人和鼠β细胞中均依赖HNF1A表达，功能注释集中于ER应激、脂质代谢、RNA结合及RNA剪接。共表达分析亦证实，HNF1A mRNA水平与这些靶基因表达呈显著正相关。由此确证，HNF1A在人和鼠β细胞中直接驱动一个进化上保守且功能重要的转录程序。进一步分析结果显示，RBP基因在HNF1A缺失的β细胞中显著下调，其中 A1CF 、HASTER等基因在小鼠和人类模型中均表现出明显的表达降低。而A1CF基因（编码APOBEC1互补因子）在小鼠和人HNF1A敲除时表达极低，在HNF1A缺失的小鼠胰岛中，A1CF蛋白的表达水平显著降低，且HNF1A能够直接结合到A1CF基因的启动子区域。A1CF最初被认为是APOBEC1介导的RNA编辑复合体的辅助因子，但后来被发现其主要功能是调控肝脏代谢基因的剪接。本文研究人员发现A1CF的表达局限于高表达HNF1A的器官，包括肝脏、胃、肠道、肾脏和胰腺，且在Hnf1a特异性敲除的肝、肠组织中显著下降。这些结果证明HNF1A是A1CF表达的关键调控因子，并提示HNF1A可能通过调控A1CF影响细胞特异性的RNA加工过程。

进一步地，研究人员转录剪接的重复多变量分析（rMATS）分析了来自小鼠和人HNF1A缺陷模型的RNA-seq数据，以探究HNF1A对A1CF的调节是否影响β细胞RNA剪接。实验结果显示，HNF1A缺失带来了显著的RNA剪接变化，60%以上为外显子跳跃或包含事件。同时，人与小鼠的剪接改变显著相关，且134个表现出HNF1A依赖性剪接的基因在保守外显子上呈现一致的方向性差异，提示HNF1A在β细胞中主导一套进化保守的备选剪接程序，该程序与A1CF识别序列富集及已报道的A1cf突变肝脏中的差异剪接事件重叠。这些结果表明，HNF1A在调节小鼠胰岛和人β细胞中的选择性剪接中可能通过其直接靶点A1CF介导的先前未被认识的作用。与此同时，研究人员构建了A1CF敲除的EndoC-βH3细胞，进行RNA-seq并用rMATS鉴定剪接事件，发现1,907个差异剪接事件分布于1,372个基因，功能富集于囊泡运输、ER/Golgi、纤毛及RNA剪接等β细胞关键通路。与HNF1A敲除细胞相比，两者共享45%的剪接异常基因，且ΔPsi（ 差异剪切指数百分比 ）高度相关（r=0.7），表明HNF1A缺失导致的剪接紊乱主要由A1CF下调引起，回补A1CF可恢复SLC7A2、MYO6、SEC31A等关键分泌基因的剪接。由此可见，A1CF控制着一套广泛的β细胞剪接程序，其中包含众多已知的β细胞功能调控因子。在HNF1A缺陷的细胞中，这一剪接程序因A1CF表达及其依赖的剪接活动显著降低而受损；这表明HNF1A至少部分通过直接调控A1CF来调节β细胞的剪接过程。

最后，研究人员聚焦于探索HNF1A和A1CF依赖性剪接在β细胞中的功能影响。实验结果显示，A1CF缺失导致SLC7A2剪接异常，精氨酸刺激的胰岛素分泌显著下降，通过回补A1CF或HNF1A可恢复分泌。在小鼠和人类的HNF1A突变模型中，精氨酸诱导的胰岛素分泌均出现了显著障碍。这些实验结果表明剪接因子A1CF能调节β细胞的功能，并指向了HNF1 缺失型分泌表型的潜在分子介导因子。与此同时，研究人员对Human Cell Atlas ESPACE计划中11例供者（5例T2D）的2,036个原代β细胞的VASA-seq单细胞转录组数据进行了分析，该方法适用于RNA剪接的分析，因为它能够在单细胞中捕获完整的转录本。他们先以172个HNF1A靶基因的表达量将β细胞划分为HNF1A-high的β1和HNF1A-low的β2两种状态，发现T2D患者β2/β1比例升高约8倍，且β2细胞中A1CF依赖且剪接方向与A1CF敲除细胞一致的事件显著富集，表明T2D相关β细胞亚群不仅HNF1A活性降低，还同步出现A1CF介导的剪接程序紊乱。更重要的是，整合大量临床数据分析后，研究人员发现A1CF基因座的两个独立信号（rs61856594与随机血糖、rs12570156与T2D）均与胰岛A1CF表达呈显著eQTL关联，且增加A1CF表达的等位基因对应更低的随机血糖、更小的T2D风险、更好的β细胞功能、更高的出生体重和胰腺体积。因此，与功能研究的结果一致，人类基因证据表明，胰岛A1CF表达量的增加能够改细胞的功能和血糖稳态，并能降低T2D易感性。

综上所述，本研究不仅证明HNF1A在β细胞内通过直接激活A1CF，构建起一条转录-剪接轴来维系β细胞功能，而且揭示A1CF依赖的剪接异常是HNF1A缺陷型单基因糖尿病及T2D分子病理中的核心缺陷。这一发现为治疗HNF1A缺陷型糖尿病开辟了以剪接调控为靶点的途径，也为理解糖尿病发病中的转录-剪接轴缺陷提供了新的范式。

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2025.07.007

制版人： 十一

参考文献

1. Yamagata, K., et al. (1996). Mutations in the hepatocyte nuclear factor-1alpha gene in maturity-onset diabetes of the young (MODY3).Nature384, 455–458.

2. Estrada, K., et al.; SIGMA; Type 2 Diabetes Consortium (2014). Association of a low-frequency variant in HNF1A with type 2 diabetes in a Latino population.JAMA311, 2305–2314.

3. DeForest, N., et al. (2023). Human gain-of-function variants in HNF1A confer protection from diabetes but independently increase hepatic secretion of atherogenic lipoproteins.Cell Genom.3, 100339.

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