Статья А. Rubio-Navarro и его соавторов в журнале Nature cell biology посвящена исследованию гетерогенности популяции бета-клеток поджелудочной железы при развитии сахарного диабета (СД) 2-го типа. Ключевым методом в данной работе стал метод секвенирования одиночных клеток (scRNA-seq). Как известно, метод секвенирования одиночных клеток произвел революцию в медико-биологических науках, обеспечив исследователей инструментом для анализа отдельных клеток в тканях и выявлении межклеточной генетической и транскриптомной гетерогенности в норме или при развитии заболевания, что и было продемонстрировано в данной работе (Han, Y., Wang, Peng, 2022).

Авторы изучили транскриптомы отдельных клеток островков поджелудочной железы и выявили четыре кластера бета-клеток (рис. 1 а,б,в), каждый из которых имеет свои характерные генетические признаки – «молекулярные подписи». Интерес исследователей привлекла одна из популяций бета-клеток, характеризующаяся высокой экспрессией CD63 (рис.1 д), которая, снижается как у людей с СД 2-го типа, так и в экспериментальной модели у мышей (рис.1г). CD63 — мембранный белок, гликопротеин из семейства тетраспанинов, задействованный во множестве процессов, определяемых его субклеточной локализацией (поздние эндосомы, лизосомы, секреторные везикулы и плазматическая мембрана). Интересно, что другие белки этого семейства, такие как CD9 или CD81, использовались в качестве маркеров для определения популяций бета-клеток в других работах (Salinno, C. et al., 2021; Dorrell, C. et al., 2016).

Функционально бета-клетки с высоким уровнем экспрессии CD63 (CD63^hi) (рис. 2) характеризуются интенсивным метаболизмом глюкозы и повышенной активностью митохондрий по сравнению с клетками с низким уровнем экспрессии CD63 (CD63^lo). Кроме того, CD63^hi бета-клетки демонстрируют более высокую гранулярность, меньшее количество незрелых гранул инсулина и усиление способности секретировать инсулин и встречаются во всех отделах поджелудочной железы.

Кроме того, у CD63^hi бета-клеток выявлена повышенная глюкозо-стимулированная секреция инсулина (GSIS), большое количество генов, обеспечивающих этот процесс, а также более низкие уровни транскриптов генов, связанных с незрелыми или дисфункциональными бета-клетками. С помощью подходов in silico были выявлены многочисленные транскрипционные факторы, активные в этой группе бета-клеток (рис. 3). Однако, какие именно молекулярные пути способствуют интенсивной секреции инсулина, еще предстоит определить. Также авторы предполагают, что две популяции бета-клеток CD63^hi и CD63^lo присутствуют в организме для координации оптимального GSIS при низких и высоких концентрациях глюкозы в крови соответственно.

Рис. 3. Тепловая карта генов гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и митохондриальных генов из FAC-сортированных CD63^hi и CD63^lo популяций бета-клеток, полученных с помощью объемного РНК-секвенирования (N = 2 на группу)

В CD63^lo бета-клетках наблюдается более высокая экспрессия рецептора глюкагоноподобного пептида-1 (Glp1R) по сравнению с бета-клетками CD63^hi. Глюкагоноподобный пептид 1 (GLP-1) увеличивает секрецию инсулина через плейотропный механизм, включающий увеличение мембранного потенциала митохондрий и производство АТФ, улучшает доступ секретирующих инсулин гранул к плазматической мембране и повышает возбудимость бета-клеток (Doyle, Egan, 2007). Кроме того, GLP-1 повышает чувствительность бета-клеток к глюкозе, обеспечивая деполяризацию мембраны и последующее высвобождение инсулина (Holz, Kuhtreiber, 1993). Чтобы оценить, может ли рецептор GLP-1 играть роль в регуляции секреции инсулина в бета-клетках CD63^lo, исследователи провели GSIS-анализ с агонистом GLP1R - Эксендином-4. Эксендин-4 усиливал секрецию инсулина в популяциях бета-клеток CD63^hi и CD63^lo, что указывает на то, что снижение уровня секреции инсулина, наблюдаемое в бета-клетках CD63^lo, может быть скорректировано активацией GLP1R. Эти результаты показывают, что бета-клетки CD63^lo являются жизнеспособными и функциональными бета-клетками, способными секретировать инсулин, а активация GLP1R является потенциальным терапевтическим подходом для людей с пониженной частотой бета-клеток CD63^hi.

Большой интерес представляет часть эксперимента (рис. 4), в которой исследователи собрали, из реагрегированных на предыдущих этапах популяций CD63^hi и CD63^lo бета-клеток, сфероиды, иначе называемые псевдоостровками поджелудочной железы (рис. 5). CD63^hi псевдоостровки демонстрировали более высокую экспрессию основных генов бета-клеток, таких как Ins2, Pdx1 и Mafa, по сравнению с CD63^lo псевдоостровками, в которых наблюдались повышенные уровни экспрессии генов, обнаруженных в дедифференцированных и дисфункциональных бета-клетках. Псевдоостровки двух типов трансплантировали под капсулу почки мышам с диабетом (рис. 4 а). В эксперименте использовались иммунодефицитные мыши NOD/SCID со спонтанным диабетом без ожирения, которым дополнительно однократно вводили стрептозотоцин, токсичный для бета-клеток. У диабетических мышей, которым были пересажены псевдоостровки CD63^hi, наблюдалось заметное снижение уровня глюкозы в крови и уменьшение массы тела по сравнению с теми, кто получал псевдоостровки CD63^lo (рис. 4 б, в, г).

Таким образом, CD63 является показательным маркером для выявления бета-клеток с повышенной метаболической активностью и секрецией инсулина, а количество CD63^hi бета-клеток может служить полезным показателем для прогнозирования риска развития Т2Д или использоваться для оценки эффективности терапевтических воздействий. Данные, полученные А. Rubio-Navarro и его соавторами, позволяют предположить, что лечение агонистами GLP1R может быть одной из стратегий для усиления секреции инсулина. Кроме того, тот факт, что трансплантация псевдоостровков, состоящих из бета-клеток CD63^hi, но не CD63^lo, эффективно корректирует гипергликемию у мышей с диабетом, будет полезен для разработки таких подходов к клеточной терапии сахарного диабета, как трансплантация бета-клеток и островков, полученных из стволовых клеток.

1. Dorrell C, Schug J, Canaday PS, Russ HA, Tarlow BD, Grompe MT, Horton T, Hebrok M, Streeter PR, Kaestner KH, Grompe M. Human islets contain four distinct subtypes of β cells. Nat Commun. 2016 Jul 11;7:11756. doi: 10.1038/ncomms11756. PMID: 27399229; PMCID: PMC4942571.
2. Doyle ME, Egan JM. Mechanisms of action of glucagon-like peptide 1 in the pancreas. Pharmacol Ther. 2007 Mar;113(3):546-93. doi: 10.1016/j.pharmthera.2006.11.007. Epub 2006 Dec 28. PMID: 17306374; PMCID: PMC1934514.
3. Holz GG 4th, Kühtreiber WM, Habener JF. Pancreatic beta-cells are rendered glucose-competent by the insulinotropic hormone glucagon-like peptide-1(7-37). Nature. 1993 Jan 28;361(6410):362-5. doi: 10.1038/361362a0. PMID: 8381211; PMCID: PMC2916679.
4. Han Y, Wang D, Peng L, Huang T, He X, Wang J, Ou C. Single-cell sequencing: a promising approach for uncovering the mechanisms of tumor metastasis. J Hematol Oncol. 2022 May 12;15(1):59. doi: 10.1186/s13045-022-01280-w. PMID: 35549970; PMCID: PMC9096771.
5. Salinno C, Büttner M, Cota P, Tritschler S, Tarquis-Medina M, Bastidas-Ponce A, Scheibner K, Burtscher I, Böttcher A, Theis FJ, Bakhti M, Lickert H. CD81 marks immature and dedifferentiated pancreatic β-cells. Mol Metab. 2021 Jul;49:101188. doi: 10.1016/j.molmet.2021.101188. Epub 2021 Feb 11. PMID: 33582383; PMCID: PMC7932895.