单细胞染色质可及性揭示糖尿病胰岛细胞类型和特异性调控机制

研究背景

基因调控在很大程度上是由顺式调控元件决定的，顺式调控元件指导基因的表达，以响应特定的发育和环境因素。与复杂疾病相关的遗传变异在假定的顺式调控元件中高度富集。调控元件的活性通常局限于特定的细胞类型和/或细胞状态。

2型糖尿病(T2D)是一种多基因遗传性的多因素疾病，胰岛是T2D遗传风险的核心。胰岛细胞类型表观基因组的异质性尚未被描述，然而，有必要了解胰岛调节和解释非编码T2D风险变异体的分子机制。

研究结果

1. 胰岛单核细胞图谱

对来自三个捐赠者的胰岛进行snATAC-seq，发现包括β细胞，α细胞，δ细胞，γ细胞，导管细胞，腺泡细胞，免疫细胞，星状细胞和内皮细胞12种细胞类型。进一步揭示细胞类型特定的Motif富集模式，观察到PDX1在β细胞和δ细胞中富集，MAF在α细胞和β细胞中富集，IRF在免疫细胞中富集，ETS在内皮细胞中富集。表明，β细胞和δ细胞的调控机制以及α细胞和γ细胞密切相关，这与scRNA-seq数据一致。

2. 胰岛内分泌细胞调控机制的异质性

进一步确定亚群之间具有可变的可及性基因启动子，INS在β细胞亚群之间有最可变的启动子可及性，α细胞亚群之间为GCG，δ细胞亚群之间为SST。并通过基因富集分析(GSEA)，发现区分荷尔蒙高和荷尔蒙低的α、β和δ细胞的基因有显著重叠。在高激素状态下启动子可及性增加的基因对激素分泌和葡萄糖反应是富集的；相反，在激素低状态下启动子可及性增加的基因对胁迫诱导的信号响应是富集的。还观察到富集的转录因子Motif，可区分不同的状态，例如，RFX在激素高的状态下富集，相反，Fos/Jun在激素低的状态下显著富集。这些数据揭示了参与激素产生和应激诱导信号反应的基因之间，内分泌细胞状态之间的表观基因组差异，并指出了内分泌细胞类型的特定功能状态的调控网络中潜在的共同点。

接下来，进一步确定观察到内分泌细胞表观基因组的异质性与胰岛基因表达和电生理功能的异质性相关。并使用Cicero沿着染色质可及性的轨迹对每种细胞类型的细胞进行排序，观察到细胞处于高激素状态和低激素状态之间的梯度变化。结构相关的转录因子通常有相似的Motif，因此，为了将Motif分配给特定的转录因子，将结构家族中转录因子的启动子可及性与整个状态轨迹上的Motif富集相关联。

3. 糖尿病和空腹血糖的胰岛细胞类型富集与全基因组关联研究

由于影响糖尿病和空腹血糖水平的基因变异在胰岛调节元件中富集，进一步确定与糖尿病和相关的定量表型和其他复杂突变相关的变异的基因富集。观察到INShigh β细胞与空腹血糖水平关联显著(FDR<0.1%)，有明显更强的富集；以及INShigh和INSlow β细胞状态与T2D关联，富集程度一致。

由于许多影响空腹血糖的变异也影响T2D，将与空腹血糖相关的T2D基因(T2D/空腹血糖基因)分组，只在INShigh β细胞中观察到T2D/空腹血糖位点的强烈富集，表明影响血糖水平的T2D位点具有状态特异性效应。

将空腹血糖和T2D富集Z-score与来自chromVAR33的转录因子Motif富集相关联，观察到空腹血糖与T2D富集和PDX等β细胞转录因子的Motif呈正相关，空腹血糖与富含INShigh β细胞的转录因子Motif之间的正相关性最强，对于T2D，正相关最强的转录因子Motif包括RFX、MEF2和NFAT。

这些结果提供了对β细胞及其转录因子在T2D风险和空腹血糖水平中作用的功能状态解析，并暗示其他类型的内分泌细胞在T2D风险中的作用。

4. 共可及性连接调控元件与靶基因

利用单细胞染色质可及性图谱来定义α、β和δ细胞中可及染色质位点之间的协同可及性。观察到，胰岛染色质环的共同可及性分数>0.05的位点具有很强的富集作用。在共可及性的位点中，有47,871(α)，46,036(β)和42,234(δ)远端位点与基因启动子是共可及的；大多数(71.9%)是细胞类型特异性的。在KCNQ1位点，位于KCNQ1内含子3的一个胰岛染色质位点与INS启动子在远端的500kb以上具有β细胞特异性共可及性，并含有一个因果T2D变体rs231361：G>A(PPA=1)。与INSlow β细胞相比，含有rs231361的位点在INShigh中更容易获得，并且rs231361被预测对β细胞染色质可及性有状态特异性的影响。

研究结论

本研究发现了228,873个可及的染色质位点，并确定了潜在的谱系和特异性调控的转录因子。观察到空腹血糖和T2D全基因组相关研究对β细胞和其他内分泌细胞类型的状态特异性富集。在定位于胰岛可及染色质的T2D信号中，先确定了具有预测调控功能和与目标基因共可及的变体。KCNQ1位点上的一个T2D变异rs231361预测了对与INS共可及的β细胞增强子的影响，以及影响INS水平的胚胎干细胞来源的β细胞的基因组编辑。共同证明了单细胞表观基因组学在解释复杂疾病遗传学方面的力量。

参考文献

Joshua Chiou, Chun Zeng, Zhang Cheng, et al. Single-cell chromatin accessibility identifies pancreatic islet cell type– and state-specific regulatory programs of diabetes risk. Nature Genetics. 2021.