1月18日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)周斌研究员受邀在Trends in Endocrinology and Metabolism发表题为“Lineage Tracing of Pancreatic Cells for Mechanistic and Therapeutic Insights”的综述文章。该文章系统总结了遗传示踪技术在胰腺细胞谱系研究中的应用，包括其原理、发展以及在胰腺内分泌和外分泌细胞研究中的成果；讨论了该技术面临的挑战和未来发展方向，为胰腺疾病的研究和治疗提供了重要的理论参考和新的研究思路。
胰腺疾病如糖尿病，对全球健康造成了重大负担。糖尿病主要分为1型和2型，1型糖尿病通常由胰腺β细胞的自身免疫破坏导致胰岛素严重缺乏，2型糖尿病则与不良生活习惯、遗传易感性和机体衰老等因素相关，且有研究发现2型糖尿病患者的胰腺β细胞数量明显减少。胰腺炎是外分泌胰腺的炎症性疾病，可由多种环境因素和遗传因素引发。深入了解胰腺细胞的来源和命运，有助于揭示这些疾病的发病机制，进而开发创新的预防和治疗策略。近二十年来，谱系示踪技术成为研究胰腺细胞发育和再生能力的关键工具，对其进行深入探讨具有重要意义。
谱系示踪技术主要依赖于位点特异性重组酶，如Cre/loxP系统。该系统由Cre重组酶和loxP位点组成，通过Cre介导loxP位点间的重组，实现对细胞的标记和追踪。诱导型CreER系统可通过他莫昔芬调控重组时间，从而控制报告基因的表达。基于双重组酶的遗传谱系示踪系统则进一步提高了示踪的准确性，如Dre/rox系统与Cre/loxP系统的结合，可避免“异位”标记问题，更精确地确定细胞类型的起源。
成体胰腺β细胞再生的内源性来源主要有三种：原有胰腺β细胞的增殖、内源性成体干细胞分化以及其他体细胞的转分化。研究表明，胰腺β细胞在稳态或损伤后主要通过自我复制维持数量，如通过Rip-CreER小鼠模型等多项研究证实。尽管也有研究提出胰腺β细胞可能存在其他再生途径，但现有证据仍支持自我复制是主要方式。此外，双重组酶系统进一步证实了成体新生成的胰腺β细胞主要来源于原有β细胞的自我更新。对于成体胰腺干细胞的存在目前仍有一定争议。虽然一些研究通过谱系示踪发现了多种可能的胰腺干细胞或祖细胞，如Ngn3+细胞等，但也有研究发现Ngn3 mRNA在成体内分泌细胞中也有表达，且部分实验未观察到Ngn3+细胞在胰腺导管结扎损伤模型中贡献β细胞新生。然而，后续研究又发现了表达Ngn3的导管祖细胞亚群在成体稳态下具有生成胰腺β细胞的能力，这使得该领域的争议仍在持续，需要进一步研究来明确。有研究表明在极端胰腺β细胞损失情况下，胰腺δ细胞或α细胞可转化为胰岛素分泌细胞，如通过调控相关基因表达或药物处理可诱导这种转化。非β细胞向胰腺β细胞的重编程为糖尿病治疗提供了新途径，然而不同研究结果存在差异，且该过程在小鼠模型和人类中的差异也需进一步探究。此外，其他非β细胞如肝细胞、胃肠道上皮细胞等也被研究用于转化为胰腺β细胞，虽然取得了一定进展，但将这些成果转化为临床应用仍面临一定挑战。
除胰腺β细胞外，其他胰腺胰岛内分泌细胞的谱系研究相对较少。研究发现胰腺α细胞和β细胞在胚胎发育过程中虽起源于共同祖细胞，但发育路径不同。也有研究通过遗传示踪模型发现Ins+干细胞可生成多种细胞类型，包括非β内分泌细胞，且不同内分泌细胞在胰岛形态发生过程中具有独特的发育轨迹。
胰腺外分泌细胞主要由腺泡细胞和导管细胞组成。谱系示踪研究发现腺泡细胞在特定条件下可转分化为导管细胞，导管细胞也可在特定条件下生成新的腺泡细胞，但这种转分化具有条件性和环境依赖性。例如，在慢性胰腺炎等严重情况下可观察到腺泡向导管细胞的转分化，而在正常或部分损伤模型中则不明显。双重组酶介导的遗传示踪系统有助于进一步揭示外分泌细胞命运转换的机制。
谱系示踪技术在胰腺细胞研究中取得了重要进展，但仍面临一些挑战。如标记效率、特异性和一致性会影响实验结果，未来需要优化遗传示踪实验设计，如选择合适的遗传工具小鼠、控制重组酶激活时间等。双重组酶介导的谱系示踪虽提高了标记精度，但在单细胞分辨率和空间信息等方面仍需改进。先进技术如单细胞遗传条形码和下一代命运图谱技术有望实现高精度追踪，将其与单细胞转录组学等结合可加深对细胞命运轨迹和功能转变的理解。总之，该领域的发展有望为胰腺疾病治疗带来新突破，但需持续解决现有问题并推动技术创新。
分子细胞卓越中心周斌研究员为本文的通讯作者，周斌研究组赵欢副研究员为本文的第一作者。该项工作得到了来自中国科学院、基金委、科技部、腾讯探索奖以及新基石等项目的经费支持。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1043276024003308
遗传谱系示踪技术在研究胰岛β细胞命运中的应用
