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)總結了遺傳示蹤技術在胰腺細胞譜系研究中的應用，包括其原理、發(fā)展以及在胰腺內分泌和外分泌細胞研究中的成果；討論了該技術面臨的挑戰(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，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，譜系示蹤技術成為研究胰腺細胞發(fā)育和再生能力的關鍵工具，對其進行深入探討具有重要意義。

譜系示蹤技術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)可通過他莫昔芬調控重組時間，從而控制報告基因的表達。基于雙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細胞再生的內源性來源主要有三種：原有胰腺β細胞的增殖、內源性成體干細胞分化以及其他體細胞的轉分化。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細胞可轉化為胰島素分泌細胞，如通過調控相關基因表達或藥物處理可誘導這種轉化。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化為胰腺β細胞，雖然取得了一定進展，但將這些成果轉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內分泌細胞，且不同內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導管細胞的轉分化，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換的機制。

譜系示蹤技術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。先進技術如單細胞遺傳條形碼和下一代命運圖譜技術有望實現(xiàn)高精度追蹤，將其與單細胞轉錄組學等結合可加深對細胞命運軌跡和功能轉變的理解?？傊?，該領域的發(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費支持。

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

遺傳譜系示蹤技術在研究胰島β細胞命運中的應用