研究背景与科学问题 - 2型糖尿病是全球主要的代谢性疾病，其复杂的遗传背景和机制解析是长期以来的重大科学问题[3] - 过去二十年的大规模遗传学研究鉴定出大量风险基因变异，但从遗传信号到致病机制和干预靶点的跨越仍面临挑战[3] - 传统的单基因功能研究依赖于小鼠模型或细胞系逐一敲除，存在通量低、周期长、成本高及物种差异的瓶颈[3] - 亟需建立高通量、高分辨率且基于人类正常细胞的功能基因组学研究平台，为系统性揭示致病机制和发现治疗靶点提供新范式[3] 研究核心成果与发表 - 上海交通大学医学院附属瑞金医院曹亚南团队于2025年1月2日在《Nature Metabolism》期刊发表重要研究[4] - 研究利用单细胞扰动测序技术，在人胰岛β细胞中系统性解码了2型糖尿病和胰岛素生产相关基因的功能[4] - 研究从2型糖尿病易感基因中锁定了未知功能的基因ZZEF1，并通过多重模型揭示了其在胰岛素生产的核糖体质量控制和β细胞应激中的调控作用[4] - 研究通过小分子药物的干预实验，为2型糖尿病的治疗提供了极具转化潜力的策略[4] 研究方法与技术优势 - 研究采用Perturb-seq技术，结合单细胞RNA测序数据，以高通量扰动加高内涵读出的模式获得基因扰动后的精细功能图谱[6] - 该技术相比传统的混合CRISPR筛选，能提供多维度的精细结果，而非单一维度的输出[6] - 研究使用人胰岛β细胞实验体系和CRISPRi干扰系统，鉴定出21个对β细胞有显著影响的功能基因[6] - 鉴定出的基因包括已知功能丧失会导致胰岛素分泌障碍的ABCC8、负责胰岛素原转化的PCSK1、Wolfram综合征致病基因WFS1等[6] - 结果中涌现出多个未被研究的基因，其中最引人注目的是缺乏生物学功能信息的ZZEF1基因[6] 关键基因ZZEF1的发现与初步功能 - ZZEF1的扰动影响富集在β细胞相关通路、MAPK/JNK应激通路、蛋白质分泌通路及内质网应激响应通路等[7] - 这显示了ZZEF1在β细胞稳态中作为关键调节因子的潜力[7] - ZZEF1的变异位点（rs781831）与人群中的糖化血红蛋白和体重指数相关，提示其功能缺失可能导致代谢紊乱[7] ZZEF1的功能验证与致病机制解析 - 研究团队构建了细胞特异性基因敲除小鼠模型，并利用人胰岛和小鼠胰岛类器官进行ZZEF1的功能验证[8] - 在高脂饮食诱导下，ZZEF1的β细胞特异性敲除小鼠表现出葡萄糖耐量受损、胰岛素分泌减少等糖尿病特征[8] - ZZEF1缺失导致胰岛素蛋白水平下降，但转录水平无显著减少，且不影响β细胞的葡萄糖感应，提示问题主要出在胰岛素翻译或翻译后修饰环节[8] - 通过对小鼠胰岛进行单细胞测序，研究首次将胰岛β细胞划分为四个功能亚群：休养生息的“预备役”、高效工作的“劳动模范”、超负荷的“打工人”和不堪重负的“逃避者”[8] - ZZEF1缺失可导致胰岛β细胞各亚群向高应激状态转化[8] - ZZEF1调控核糖体碰撞的关键感应器EDF1表达，EDF1表达下降可导致核糖体质量控制不能有效启动，错误折叠胰岛素原累积，进而激活整合应激反应，最终导致胰岛素翻译抑制、分泌减少和β细胞属性丧失[8] 核糖体质量控制通路的系统性解析 - 研究团队利用Perturb-seq对40个核糖体质量控制相关基因进行功能解析，揭示了25个显著影响胰岛β细胞应激与胰岛素分泌的重要基因[9] - 这些发现将核糖体质量控制和应激监控通路确立为2型糖尿病病理机制中的一个新的核心模块[9] 干预策略与临床转化前景 - 研究利用腺相关病毒通过胰导管注射直接回补EDF1表达，显著恢复了ZZEF1敲除小鼠的胰岛素分泌能力，降低了去分化标志物的表达，并抑制了过度激活的整合应激反应[10] - 小分子药物Azoramide可增强内质网错误折叠蛋白的降解，其治疗显著改善了ZZEF1敲除鼠的葡萄糖耐量异常，部分恢复了胰岛素分泌功能[10] - Azoramide治疗恢复了调控胰岛素分泌和蛋白翻译相关通路的基因表达，并下调了内质网应激下的凋亡信号通路[10] - 结果表明，靶向核糖体应激、蛋白稳态和消除错误折叠蛋白累积，可成为保护β细胞和治疗2型糖尿病的新策略[10] 研究意义与范式创新 - 该研究通过单细胞扰动和分析技术在代谢疾病中的应用，再次证明了单细胞功能基因组学在复杂疾病遗传解析中的优势[12] - 该研究是系统性解析复杂疾病的分子机制和靶点的新范式[12] - 研究首次将核糖体质量控制与2型糖尿病的发生发展紧密联系起来，完善了2型糖尿病的遗传图谱功能解析[12]