Возрастные изменения в поджелудочной железе человека определяют, как наш организм реагирует на повышение и понижение уровня сахара в крови на протяжении всей жизни, и могут повлиять на развитие диабета во взрослом возрасте. Но детально изучить этот процесс практически невозможно, поскольку ткань поджелудочной железы человека недоступна.
Вместо этого большинство исследователей полагались на животных моделей, чтобы узнать больше о развитии и функции поджелудочной железы.
Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета впервые сравнили паттерны экспрессии генов в инсулин-продуцирующих клетках и других клетках поджелудочной железы у десятков умерших доноров в возрасте от 6 месяцев до 66 лет. Они обнаружили значительные различия в паттернах экспрессии генов и модификациях ДНК между донорами в возрасте до 9 и старше 28 лет.
Результаты, которые будут опубликованы 28 апреля в журнале Cell Metabolism, подчеркивают важность двух генов, которые ранее не участвовали напрямую в функции поджелудочной железы, и показывают, что поджелудочная железа продолжает развиваться и созревать в течение первых десятилетий жизни. Они также могут иметь значение для текущих клинических испытаний, посвященных лечению диабета на основе стволовых клеток.
"Изучение островковых клеток человека было серьезной проблемой в области исследований диабета на протяжении десятилетий, потому что поджелудочная железа по существу переваривает себя вскоре после смерти человека," сказал профессор биологии развития Сеунг Ким, MD, PhD. "Мы разработали общенациональную сеть, способную извлекать и изучать ткань поджелудочной железы у доноров органов в возрасте от 6 месяцев до 66 лет в течение примерно полутора дней после смерти. Это дало нам беспрецедентную возможность отображать изменения в экспрессии генов на протяжении всей жизни."
Ким – старший автор исследования. Постдокторант Эфсун Арда, доктор философии, является ведущим автором.
"Это исследование – демонстрация силы," сказал Эндрю Стюарт, доктор медицины, директор Института диабета, ожирения и метаболизма Медицинской школы Маунт-Синай, не имеющий отношения к исследованию. "Это очень важно для исследования диабета."
Как созревают островковые клетки
В ходе исследования Ким, Арда и их коллеги идентифицировали два белка, которые никогда ранее не участвовали напрямую в функции поджелудочной железы, экспрессия которых увеличивается с возрастом. Повышение экспрессии одного из белков, SIX3, в продуцирующих инсулин клетках, выделенных от более молодых доноров, повысило их способность эффективно реагировать на повышение уровня глюкозы.
"Островки поджелудочной железы, которые являются местами выработки инсулина, созревают и изменяют свою функцию после рождения ребенка," сказал Ким. "Мы думаем, что наши результаты показывают, что этот процесс созревания длится почти десять лет. Среди исследователей диабета растет осознание того, что развитие островков у человека значительно отличается от развития островков у типичных лабораторных животных, таких как мыши."
Клетки островков поджелудочной железы, называемые бета-клетками, отвечают за модуляцию реакции организма на повышение и понижение уровня глюкозы в крови после еды. Когда уровень глюкозы повышается, бета-клетки выделяют инсулин, чтобы дать команду клеткам по всему телу убрать сахар для дальнейшего использования. Диабет 1 типа вызван неспособностью вырабатывать инсулин; Диабет 2 типа вызван комбинированным дефицитом в организме реакции на инсулин и его выработки. Оба типа связаны с уменьшением количества бета-клеток, продуцирующих инсулин.
Хотя бета-клетки активно размножаются в течение первого десятилетия жизни или около того, это размножение резко замедляется с возрастом. Понимание возрастных сигналов, вызывающих это замедление, может однажды привести к новым методам лечения диабета. Но происходит и кое-что более важное, чем изменение количества ячеек. Исследования на грызунах и бета-клетках плода человека показали, что реакция очень молодых бета-клеток на повышение уровня глюкозы в крови притупляется по сравнению с их более зрелыми аналогами.
Сортировка ячеек
Ким и его коллеги работали более шести лет над созданием межведомственного сотрудничества для быстрого сбора ткани поджелудочной железы, а также выделения и анализа островковых клеток от недавно умерших доноров. Они также разработали уникальную методику сортировки клеток, чтобы изолировать островковые клетки от других клеток поджелудочной железы. Получив чистые популяции клеток, они сравнили свои паттерны экспрессии генов, а также изменения в структуре ДНК.
"Мы определили сотни генов, которые динамически регулируются в бета-клетках островков на пути от детства к взрослой жизни," сказал Ким. "Один ген, SIX3, включается примерно в 9 лет. Мы задавались вопросом, может ли его экспрессия изменить функцию бета-клетки." Исследователи обнаружили, что принудительная экспрессия SIX3 в бета-клетках, полученных от детей в возрасте до 9 лет, улучшает способность клеток секретировать инсулин в присутствии глюкозы.
SIX3 и родственный ген SIX2 с аналогичным паттерном экспрессии в бета-клетках человека кодируют белки, известные как факторы транскрипции, которые контролируют экспрессию многих других генов в клетке. Хотя они не имеют прямого отношения к функции поджелудочной железы, общегеномные ассоциативные исследования связывают наличие мутации рядом с генами с нарушенной способностью правильно управлять уровнем глюкозы в крови натощак.
"Это дразнящая ссылка," сказал Ким. "Похоже, что гены, экспрессия которых изменяется от детства к взрослой жизни, могут быть непропорционально связаны с повышенным риском диабета."
Только у людей
Важно отметить, что SIX3 и SIX2 не экспрессируются в бета-клетках мыши.
"Вот почему так важно изучать ткани человека," сказал Ким. "До сих пор не было возможности узнать о постепенных изменениях, происходящих в течение многих лет."
Ким и его коллеги планируют продолжить свои исследования развития поджелудочной железы и островковых клеток в рамках программы Стэнфордского университета, посвященной исследованиям диабета и метаболизма. Исследователи также ожидают, что их данные об экспрессии генов и недавно описанный метод выделения островковых клеток в сочетании с продолжающимися усилиями по заготовке тканей будут полезны другим, изучающим развитие поджелудочной железы и диабет.
"Это уникальный и ценный ресурс для исследователей, желающих понять, как экспрессия генов динамически регулируется в островковых клетках человека," сказал Ким. "В нашем исследовании представлена новая дорожная карта для исследователей, работающих над использованием стволовых клеток для замены островковых клеток человека, с выделением изменений, которые обычно происходят и, возможно, должны быть приняты во внимание при анализе клеток для трансплантации."