1月18日，中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)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(xì)胞譜系研究中的應(yīng)用，包括其原理、發(fā)展以及在胰腺內(nèi)分泌和外分泌細(xì)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(fù)擔(dān)。糖尿病主要分為1型和2型，1型糖尿病通常由胰腺β細(xì)胞的自身免疫破壞導(dǎo)致胰島素嚴(yán)重缺乏，2型糖尿病則與不良生活習(xí)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(xì)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(xì)胞的來源和命運，有助于揭示這些疾病的發(fā)病機制，進(jìn)而開發(fā)創(chuàng)新的預(yù)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(xì)胞發(fā)育和再生能力的關(guān)鍵工具，對其進(jìn)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(dǎo)loxP位點間的重組，實現(xiàn)對細(xì)胞的標(biāo)記和追蹤。誘導(dǎo)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(dá)?；陔p重組酶的遺傳譜系示蹤系統(tǒng)則進(jìn)一步提高了示蹤的準(zhǔn)確性，如Dre/rox系統(tǒng)與Cre/loxP系統(tǒng)的結(jié)合，可避免“異位”標(biāo)記問題，更精確地確定細(xì)胞類型的起源。

成體胰腺β細(xì)胞再生的內(nèi)源性來源主要有三種：原有胰腺β細(xì)胞的增殖、內(nèi)源性成體干細(xì)胞分化以及其他體細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化。研究表明，胰腺β細(xì)胞在穩(wěn)態(tài)或損傷后主要通過自我復(fù)制維持?jǐn)?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(xì)胞可能存在其他再生途徑，但現(xiàn)有證據(jù)仍支持自我復(fù)制是主要方式。此外，雙重組酶系統(tǒng)進(jìn)一步證實了成體新生成的胰腺β細(xì)胞主要來源于原有β細(xì)胞的自我更新。對于成體胰腺干細(xì)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(xì)胞或祖細(xì)胞，如Ngn3⁺細(xì)胞等，但也有研究發(fā)現(xiàn)Ngn3 mRNA在成體內(nèi)分泌細(xì)胞中也有表達(dá)，且部分實驗未觀察到Ngn3⁺細(xì)胞在胰腺導(dǎo)管結(jié)扎損傷模型中貢獻(xiàn)β細(xì)胞新生。然而，后續(xù)研究又發(fā)現(xiàn)了表達(dá)Ngn3的導(dǎo)管祖細(xì)胞亞群在成體穩(wěn)態(tài)下具有生成胰腺β細(xì)胞的能力，這使得該領(lǐng)域的爭議仍在持續(xù)，需要進(jìn)一步研究來明確。有研究表明在極端胰腺β細(xì)胞損失情況下，胰腺δ細(xì)胞或α細(xì)胞可轉(zhuǎn)化為胰島素分泌細(xì)胞，如通過調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)或藥物處理可誘導(dǎo)這種轉(zhuǎn)化。非β細(xì)胞向胰腺β細(xì)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(jìn)一步探究。此外，其他非β細(xì)胞如肝細(xì)胞、胃腸道上皮細(xì)胞等也被研究用于轉(zhuǎn)化為胰腺β細(xì)胞，雖然取得了一定進(jìn)展，但將這些成果轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用仍面臨一定挑戰(zhàn)。

除胰腺β細(xì)胞外，其他胰腺胰島內(nèi)分泌細(xì)胞的譜系研究相對較少。研究發(fā)現(xiàn)胰腺α細(xì)胞和β細(xì)胞在胚胎發(fā)育過程中雖起源于共同祖細(xì)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(xì)胞可生成多種細(xì)胞類型，包括非β內(nèi)分泌細(xì)胞，且不同內(nèi)分泌細(xì)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(xì)胞主要由腺泡細(xì)胞和導(dǎo)管細(xì)胞組成。譜系示蹤研究發(fā)現(xiàn)腺泡細(xì)胞在特定條件下可轉(zhuǎn)分化為導(dǎo)管細(xì)胞，導(dǎo)管細(xì)胞也可在特定條件下生成新的腺泡細(xì)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(yán)重情況下可觀察到腺泡向?qū)Ч芗?xì)胞的轉(zhuǎn)分化，而在正?；虿糠謸p傷模型中則不明顯。雙重組酶介導(dǎo)的遺傳示蹤系統(tǒng)有助于進(jìn)一步揭示外分泌細(xì)胞命運轉(zhuǎn)換的機制。

譜系示蹤技術(shù)在胰腺細(xì)胞研究中取得了重要進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。如標(biāo)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(shè)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(dǎo)的譜系示蹤雖提高了標(biāo)記精度，但在單細(xì)胞分辨率和空間信息等方面仍需改進(jìn)。先進(jìn)技術(shù)如單細(xì)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(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)等結(jié)合可加深對細(xì)胞命運軌跡和功能轉(zhuǎn)變的理解?？傊?，該領(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(xì)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(xué)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(xì)胞命運中的應(yīng)用