Nat Metab | 曹亚南团队基于单细胞扰动解码2型糖尿病核糖体应激监控新机制和靶点

2型糖尿病作为 全球主要的代谢性疾病 ，其复杂的遗传 背景和机制解析是 长期以来 的重大 科学 问题 。在过去的二十年 中 ， 尽管 大规模人类遗传学数据 和 全基因组关联研究（GWAS） 鉴定 了 大量 与2型糖尿病风险相关的基因变异位点，但从遗传信号到致病机制 和干预靶点 的跨越 仍 面临挑战。传统的单基因功能 研究 依赖于在小鼠模型 或细胞系 中逐一敲除基因， 存在通量低、 周期长、成本高的瓶颈 和 物种差异的 痛点 。因此，亟需建立高通量 、 高分辨率 且 基于人类正常细胞的功能基因组学 研究 平台 ， 系统性揭示 复杂疾病 致病 机制， 为 治疗 靶点的发现 和研究 提供新范式。

2025年 1月2日 ，上海交通大学医学院附属瑞金医院曹亚南团队在 Nature Metabolism 杂志发表题为Single-cell perturbations decipher ribosomal stress-surveillance regulators in type 2 diabetes的研究 论文，利用单细胞扰动测序技术，在人胰岛β细胞中系统性解码了2型糖尿病和胰岛素生产相关基因的功能。研究团队从2型糖尿病易感基因中锁定 了未知功能的基因ZZEF1， 通过构建多重小鼠模型、胰岛类器官及人类胰岛功能 和 机制研究，揭示ZZEF1在 胰岛素生产的 核糖体质量控制 （RQC）和 β细胞 应激 中的 调控作用，解析了 核糖体应激监控 网络相关基因在 β细胞 中的功能 。研究还通过小分子药物（ 如 Azoramide）的干预实验，为2型糖尿病 的 治疗提供了极具转化潜力的 策 略。

传统的混合CRISPR筛选虽然可 进行 高通量基因筛选，但其输出通常 是 单一维度的 结果；而 Perturb-seq 的优势是结合 单细胞RNA测序 数据，以 高通量扰动 + 高内涵读出的模式获得 基因扰动后的 精细功能图谱 。 为系统解析2型糖尿病相关基因功能，研究使用了人胰岛β细胞 实验体系和 CRISPRi干扰系统 ，鉴定出 21个对β细胞有显著影响的功能基因 ，包括 已知功能丧失会导致胰岛素分泌障碍 的 ABCC8 、 负责将胰岛素原 转变 为成熟胰岛素 的激素 原转化酶PCSK1 、 Wolfram综合征致病基因WFS1 等。 结果中 也 涌现出 多个 未被研究的基因，其中最引人注目的是 缺乏生物学功能信息的Z ZEF1 基因。 ZZEF1的扰动 影响 富集在β细胞相关通路 、 MAPK/JNK应激通路 、 蛋白质分泌通路及内质网应激响应通路等 ，显示了其 在β细胞稳态中作为 关键 调节因子的潜力 。而且， ZZEF1 的变异 位点 （rs781831）与人群中的糖化血红蛋白（HbA1c）和体重指数（BMI）相关， 提示 其功能缺失可能导致代谢紊乱。

研究团队构建了 细胞特异性基因敲除 小鼠模型 ， 同时利用人胰岛和小鼠胰岛类器官进行ZZEF1的功能验证。在高脂饮食诱导下，ZZEF1 的 β细胞 特异性 敲除小鼠表现出葡萄糖耐量受损，胰岛素分泌减少 等 糖尿病特征。ZZEF1 缺失导致 胰岛素蛋白水平 下 降，但转录水平并没有显著减少 ， 并不影响β细胞 的 葡萄糖 感应，提示问题主要是 出在 胰岛素 翻译或翻译后修饰环节。为了 阐明 ZZEF1缺失导致2型糖尿病 的机制 ，研究团队 通过 对小鼠胰岛进行单细胞测序，绘制了β细胞状态图谱。根据工作状态与应激水平，研究首次将胰岛β细胞划分为四个功能亚群： 休养生息 的“预备役”（低分泌/低应激）、高效工作的“ 劳动模范 ”（高胰岛素/低应激）、超负荷的“ 打工人 ”（高分泌/高应激） 和 不堪重负的“ 逃避 者”（低分泌/高应激）。ZZEF1缺失 可 导致胰岛β细胞各亚群向高应激状态转化。ZZEF1调控核糖体碰撞的关键感应器EDF1 表达，而 EDF1表达下降 可导致 核糖体在mRNA上发生停滞和碰撞时 不能有效 启动核糖体质量控制 ， 错误折叠胰岛素原 累积， 进而激活整合应激反应（ISR） ，最终 导致胰岛素 和 翻译抑制 、分泌减少和 β细胞属性丧失。 在此基础上， 研究团队进一步利用Perturb-seq对40个RQC相关基因进行功能解析， 揭示了 25个显著影响胰岛β细胞应激与胰岛素分泌 的重要 基因。这 些 发现将核糖体质量控制和应激监控通路确立为2型糖尿病病理机制中的一个新的核心模块。

上述 功能基因组学和分子机 制 研究的 最终目的是解决临床问题。研究团队测试了多种干预策略，取得了令人 鼓舞 的结果。既然EDF1是关键感应器 ， 研究利用AAV通过胰导管注射直接 回补 EDF1 表达， 显著恢复了ZZEF1敲除小鼠的胰岛素分泌能力，降低了去分化标志物的表达，并抑制了过度激活的ISR 。 小分子药物的应用 进一步证实了未来 临床转化 研究的 前景 ， Azoramide 可 增强内质网 错 误折叠 蛋白的降解，研究发现 Azoramide 治疗 显著改善了ZZEF1敲除鼠的葡萄糖耐量异常，部分恢复了 胰岛素分泌 功能 ， 恢复调控胰岛素分泌和蛋白翻译相关通路的基因表达，下调内质网应激下的凋亡信号通路等 。 这些结果表明，靶向核糖体应激、蛋白稳态和消除错误折叠蛋白累积，可成为保护β细胞和治疗2型糖尿病的新策略。

综上所述，这项研究通过单细胞扰动和分析技术在代谢疾病中的应用，再次证明了单细胞功能基因组学在复杂疾病遗传解析中的优势，是系统性解析复杂疾病的分子机制和靶点新范式。研究首次将核糖体质量控制与2型糖尿病的发生发展紧密联系起来，完善了2型糖尿病的遗传图谱功能解析。

上海交通大学医学院附属瑞金医院南晶敏捷、何象龙、刘小平为该研究共同第一作者，曹亚南研究员为通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s42255-025-01407-6

制版人： 十一

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