单细胞RNA测序鉴定糖尿病相关基因的表达模式

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单细胞RNA测序鉴定糖尿病相关基因的表达模式* V0 ^4 H( k6 R3 ]5 p+ {; s; m! j
来源：测序中国 / 作者： / 2016-12-10
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导读：美国杰克森基因组医学实验室的研究人员表示，除了产生胰岛素的细胞，了解其他罕见胰腺细胞的功能，可能是理解2型糖尿病的病理生理学的关键，并可导致产生新的治疗和管理策略。
" v, b9 d# B9 ]+ K2 [近期发表在《Genome Research》上的一项研究中，杰克森实验室的研究团队使用单细胞RNA测序技术，来研究构成胰岛的各种细胞类型。胰岛是由产生激素的细胞组成的簇，其激素可以调节血糖水平。: T$ M; j& X8 T6 ]& C
虽然胰岛中大部分都是产生胰高血糖素的α（alpha）细胞和产生胰岛素的β（beta）细胞，但研究人员发现，一些不常见的细胞类型在糖尿病中具有重要作用。文章通讯作者Michael Stitzel说，“特别是δ（delta）细胞，表现得更像是一个指挥官或将军，而α细胞和β细胞则更像是步兵。”( a. F$ Z6 d9 t/ D
胰岛中的细胞倾向于按类型聚集0 ?- U5 L) C6 r' ]0 k9 S% l6 m
对胰岛组织进行的标准RNA-seq实验显示，基因表达由α和β细胞支配，因为这两种细胞最常见。但越来越多的证据表明，其他细胞类型，例如δ、γ（gamma）和ε（epsilon）细胞在糖尿病中具有重要作用，Stitzel的团队希望分别对这些细胞进行分析。
2 t8 a6 O  R4 ~0 A: p7 Z' R平均来说，胰岛中约54%都是β细胞，35%为α细胞，11%为δ细胞，一小部分为γ细胞，ε细胞含量不足1%。
9 E0 t% f$ F5 b" B3 |' a在这项研究中，研究人员想了解胰岛中不同类型细胞的基因表达情况，以及2型糖尿病患者和未受糖尿病影响的个体之间的差异。
$ _2 X7 F/ G) l, L研究小组从8名器官捐赠者中获取胰岛，其中3人患有糖尿病，5人无糖尿病。他们使用Fluidigm的C1系统捕获了1050个单细胞，然后用Clontech的SMARTer试剂建库，在Illumina的NextSeq 500上进行转录组测序。4 r3 F9 i" j- P+ @" u1 w
初步分析发现，72个细胞的基因表达水平较低，其他特性指示细胞死亡，因此从进一步的分析中去除。
7 X; C8 a: F2 e) y! r# B* Q4 j9 k1 ]为了确定细胞的类型，并验证他们分析的是单细胞的基因表达，研究人员首先寻找每个细胞特异的独特标记基因，去除表达多个标记基因的细胞。6 N, M: e) t) V7 ~
总共617个单细胞仅表达一个标记基因。接下来，研究人员基于1824个高度表达的基因，分析细胞是如何聚集成簇的。他们发现，即使来自不同的个体，细胞倾向于按类型聚集，具有对应特定细胞类型的独特转录本。
/ ^( z1 v9 N+ E0 R  h# V每种细胞类型具有特异的基因表达标签0 a9 J$ E% A3 c4 m4 r+ D
此外，研究人员发现了每种细胞类型特异的基因表达标签。他们鉴定出了已报道的β细胞和α细胞的特异基因。他们还发现δ细胞的特异基因，包括一个可以控制δ细胞身份的转录因子，以前的GWAS研究曾发现该转录因子的功能与2型糖尿病相关联，这个转录因子HHEX仅由δ细胞表达。他们还发现，δ细胞表达一种基因BCHE，该基因编码一种酶，能够降解乙酰胆碱和生长素释放肽，为δ细胞提供一种机制，局部抑制影响胰岛的内分泌信号。, ^% W5 }7 n+ {! ]7 Y+ w' _
研究人员鉴定出一种γ细胞特异的功能未知的基因间长链非编码RNA，一个与细胞黏附相关的基因，以及一个编码DNA结合蛋白抑制剂的基因。同时他们还鉴定出30个与细胞表面蛋白相关的标签基因。
; L1 N+ v4 Y0 q; z0 DStitzel说，一些δ细胞和γ细胞的基因表达情况令人惊讶，他们在其中鉴定出的一些基因以前被认为仅在β细胞中表达，这表明其他细胞类型也在糖尿病遗传学中发挥作用。在已报道的1683个β细胞的特异基因中，与其他细胞类型相比，只有115个基因显示出在β细胞中的富集表达。例如，HADH基因通常与β细胞相关，当该基因突变时，会导致胰岛素分泌过多。但该研究发现，HADH基因也在δ细胞中表达。
; Z) ~6 g  r- f5 T5 _/ G0 `该研究小组还发现了与γ细胞表达相关的一些有趣现象。已有研究表明，γ细胞调节能量稳态。在这项研究中，杰克森实验室团队发现，γ细胞和5-羟色胺能神经元在基因表达方面存在平行现象，5-羟色胺能神经元影响焦虑、情绪、睡眠和饱腹感。他们发现γ细胞表达FEV/PET1，它是一种5-羟色胺能转录因子。
& R+ v6 Y5 Y6 [) f' L. U' l2型糖尿病患者和非糖尿病个体之间细胞类型特异的差异
; p0 N% J. L  O" _9 f( b5 T最后，研究人员比较了糖尿病患者和非糖尿病个体的单细胞转录组，鉴定细胞类型特异的差异。以前认为糖尿病患者β细胞中胰岛素的表达显著低于非糖尿病个体。然而这项研究发现，尽管这种理论是真的，但两者的胰岛素表达差异并没有预期的大。另外，糖尿病患者的β细胞总数较少。Stitzel表示，这一现象只能通过单细胞测序发现，因为批量测序（bulk sequencing）只能确定表达量，而不是细胞数量。这是一个非常初步的发现，还需要在其他包含更多人和更多细胞的研究中进行验证。
1 a% ^3 E5 j, ^% Y参考文献：Single cell transcriptomes identify human islet cell signatures and revealcell-type-specific expression changes in type 2 diabetes. Genome Res. 2016.doi:10.1101/gr.212720.116
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