1月18日，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心(生物化學與細胞生物學研究所)周斌研究員受邀在Trends in Endocrinology and Metabolism發(fā)表題為“Lineage Tracing of Pancreatic Cells for Mechanistic and Therapeutic Insights”的綜述文章。該文章系統(tǒng)總結(jié)了遺傳示蹤技術(shù)在胰腺細胞譜系研究中的應用，包括其原理、發(fā)展以及在胰腺內(nèi)分泌和外分泌細胞研究中的成果；討論了該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向，為胰腺疾病的研究和治療提供了重要的理論參考和新的研究思路。

胰腺疾病如糖尿病，對全球健康造成了重大負擔。糖尿病主要分為1型和2型，1型糖尿病通常由胰腺β細胞的自身免疫破壞導致胰島素嚴重缺乏，2型糖尿病則與不良生活習慣、遺傳易感性和機體衰老等因素相關(guān)，且有研究發(fā)現(xiàn)2型糖尿病患者的胰腺β細胞數(shù)量明顯減少。胰腺炎是外分泌胰腺的炎癥性疾病，可由多種環(huán)境因素和遺傳因素引發(fā)。深入了解胰腺細胞的來源和命運，有助于揭示這些疾病的發(fā)病機制，進而開發(fā)創(chuàng)新的預防和治療策略。近二十年來，譜系示蹤技術(shù)成為研究胰腺細胞發(fā)育和再生能力的關(guān)鍵工具，對其進行深入探討具有重要意義。

譜系示蹤技術(shù)主要依賴于位點特異性重組酶，如Cre/loxP系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Cre重組酶和loxP位點組成，通過Cre介導loxP位點間的重組，實現(xiàn)對細胞的標記和追蹤。誘導型CreER系統(tǒng)可通過他莫昔芬調(diào)控重組時間，從而控制報告基因的表達?；陔p重組酶的遺傳譜系示蹤系統(tǒng)則進一步提高了示蹤的準確性，如Dre/rox系統(tǒng)與Cre/loxP系統(tǒng)的結(jié)合，可避免“異位”標記問題，更精確地確定細胞類型的起源。

成體胰腺β細胞再生的內(nèi)源性來源主要有三種：原有胰腺β細胞的增殖、內(nèi)源性成體干細胞分化以及其他體細胞的轉(zhuǎn)分化。研究表明，胰腺β細胞在穩(wěn)態(tài)或損傷后主要通過自我復制維持數(shù)量，如通過Rip-CreER小鼠模型等多項研究證實。盡管也有研究提出胰腺β細胞可能存在其他再生途徑，但現(xiàn)有證據(jù)仍支持自我復制是主要方式。此外，雙重組酶系統(tǒng)進一步證實了成體新生成的胰腺β細胞主要來源于原有β細胞的自我更新。對于成體胰腺干細胞的存在目前仍有一定爭議。雖然一些研究通過譜系示蹤發(fā)現(xiàn)了多種可能的胰腺干細胞或祖細胞，如Ngn3⁺細胞等，但也有研究發(fā)現(xiàn)Ngn3 mRNA在成體內(nèi)分泌細胞中也有表達，且部分實驗未觀察到Ngn3⁺細胞在胰腺導管結(jié)扎損傷模型中貢獻β細胞新生。然而，后續(xù)研究又發(fā)現(xiàn)了表達Ngn3的導管祖細胞亞群在成體穩(wěn)態(tài)下具有生成胰腺β細胞的能力，這使得該領(lǐng)域的爭議仍在持續(xù)，需要進一步研究來明確。有研究表明在極端胰腺β細胞損失情況下，胰腺δ細胞或α細胞可轉(zhuǎn)化為胰島素分泌細胞，如通過調(diào)控相關(guān)基因表達或藥物處理可誘導這種轉(zhuǎn)化。非β細胞向胰腺β細胞的重編程為糖尿病治療提供了新途徑，然而不同研究結(jié)果存在差異，且該過程在小鼠模型和人類中的差異也需進一步探究。此外，其他非β細胞如肝細胞、胃腸道上皮細胞等也被研究用于轉(zhuǎn)化為胰腺β細胞，雖然取得了一定進展，但將這些成果轉(zhuǎn)化為臨床應用仍面臨一定挑戰(zhàn)。

除胰腺β細胞外，其他胰腺胰島內(nèi)分泌細胞的譜系研究相對較少。研究發(fā)現(xiàn)胰腺α細胞和β細胞在胚胎發(fā)育過程中雖起源于共同祖細胞，但發(fā)育路徑不同。也有研究通過遺傳示蹤模型發(fā)現(xiàn)Ins⁺干細胞可生成多種細胞類型，包括非β內(nèi)分泌細胞，且不同內(nèi)分泌細胞在胰島形態(tài)發(fā)生過程中具有獨特的發(fā)育軌跡。

胰腺外分泌細胞主要由腺泡細胞和導管細胞組成。譜系示蹤研究發(fā)現(xiàn)腺泡細胞在特定條件下可轉(zhuǎn)分化為導管細胞，導管細胞也可在特定條件下生成新的腺泡細胞，但這種轉(zhuǎn)分化具有條件性和環(huán)境依賴性。例如，在慢性胰腺炎等嚴重情況下可觀察到腺泡向?qū)Ч芗毎霓D(zhuǎn)分化，而在正常或部分損傷模型中則不明顯。雙重組酶介導的遺傳示蹤系統(tǒng)有助于進一步揭示外分泌細胞命運轉(zhuǎn)換的機制。

譜系示蹤技術(shù)在胰腺細胞研究中取得了重要進展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。如標記效率、特異性和一致性會影響實驗結(jié)果，未來需要優(yōu)化遺傳示蹤實驗設計，如選擇合適的遺傳工具小鼠、控制重組酶激活時間等。雙重組酶介導的譜系示蹤雖提高了標記精度，但在單細胞分辨率和空間信息等方面仍需改進。先進技術(shù)如單細胞遺傳條形碼和下一代命運圖譜技術(shù)有望實現(xiàn)高精度追蹤，將其與單細胞轉(zhuǎn)錄組學等結(jié)合可加深對細胞命運軌跡和功能轉(zhuǎn)變的理解?？傊擃I(lǐng)域的發(fā)展有望為胰腺疾病治療帶來新突破，但需持續(xù)解決現(xiàn)有問題并推動技術(shù)創(chuàng)新。

分子細胞卓越中心周斌研究員為本文的通訊作者，周斌研究組趙歡副研究員為本文的第一作者。該項工作得到了來自中國科學院、基金委、科技部、騰訊探索獎以及新基石等項目的經(jīng)費支持。

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1043276024003308

遺傳譜系示蹤技術(shù)在研究胰島β細胞命運中的應用