在人类胰腺β细胞分化不同阶段的RNA测序揭示增殖动态并指出SMAD9在决定β细胞命运中的作用

这项研究对糖尿病与干细胞疗法的重要性

当胰腺无法提供足够功能性、能产生胰岛素的β细胞时，就会发生糖尿病。科学家正在学习如何从干细胞培养替代的类β细胞，但这些实验室培养的细胞仍无法完全达到天然β细胞的水平。本研究利用一种强大的基因读取方法，细致地观察人类干细胞如何逐步转变为分泌胰岛素的类β细胞。通过这种方式，研究揭示了这些细胞如何停止分裂、启动激素处理程序，并指出一个以前被忽视的基因SMAD9是决定β细胞身份与功能的关键指挥者。

追踪未来胰岛素产生细胞的生命历程

研究人员以人多能干细胞为起点，这类细胞可以分化为体内几乎任何细胞类型。按照既定的培养方案，他们将这些细胞引导通过模拟人类胰腺发育的若干阶段：首先成为胰腺祖细胞，接着成为内分泌祖细胞，最终成为能释放胰岛素的类β细胞。在这一过程中若干关键时间点——第0天（干细胞）、第20天（内分泌祖细胞）和第35天（类β细胞）——他们使用RNA测序捕捉了哪些基因被激活或沉默的快照，这项技术读取细胞的活跃基因指令。通过比较多个独立的干细胞系，研究聚焦于那些一致变化的基因，这些变化更有可能反映人类β细胞成熟的核心特征，而非某一细胞系的特殊性。

从忙碌的构建者转为稳健的专职细胞

最明显的趋势之一是细胞周期显著放缓——驱动细胞分裂的内在机制。在早期，许多促进DNA复制、染色体分离和细胞分裂的基因高度活跃，大多数细胞处于准备或进行分裂的周期阶段。随着细胞进入内分泌祖细胞继而类β细胞阶段，这些与细胞分裂相关的基因急剧下降，流式细胞术显示越来越多细胞进入静息期。像KI67、KIF14、E2F7、SKA1和SKA3等与有丝分裂机械紧密相关的标记显著减少。这一模式与体内真实人类β细胞所见相呼应：随着它们成熟并在感受葡萄糖与释放胰岛素方面能力增强，增殖基本停止。

开启激素处理程序并关闭类神经程序

除去细胞分裂外，基因活性图谱显示出协调的功能性转变。一些基因集合在内分泌祖细胞和类β细胞中持续保持较高水平，尤其是与响应信号和控制发育相关的基因。另一些基因则在第20天到第35天的进展中专门上调，包括参与响应环境线索和调控激素水平的基因，这与细胞变得更能产生和分泌胰岛素相一致。与此同时，与神经细胞发育相关的另一类基因下降。胰腺胰岛细胞与神经元共享某些特性，但本研究表明，到第35天，正在出现的类β细胞正在弱化类神经程序，转而强化更偏内分泌的身份。

寻找基因指挥者，SMAD9登台

由于转录因子作为主开关控制众多其他基因，研究团队在数据中筛寻在内分泌祖细胞向类β细胞转变期间以独特方式变化的此类调控因子。在数十个候选者中，SMAD9脱颖而出：其活性在第20天到第35天之间在两套干细胞体系中均显著上升。当研究人员在内分泌祖细胞中使用靶向RNA干扰降低SMAD9水平并继续分化时，所得到的类β细胞在关键β细胞标志物的表达上明显降低，包括胰岛素本身以及如PDX1和NKX6.1等关键身份基因。这些细胞的总胰岛素含量也减少。对SMAD9缺失的类β细胞进行全基因组分析显示，许多已知维持β细胞身份与胰岛素释放的基因表达下调，包括若干离子通道和其他对适当的葡萄糖刺激分泌必需的因子。

SMAD9的影响延伸至成熟的人类β细胞

为了检验SMAD9在发育之后是否仍然重要，团队转向了一条已知能对葡萄糖作出胰岛素分泌反应的人类β细胞系。在这些细胞中敲低SMAD9同样降低了胰岛素和β细胞身份蛋白的水平。在高葡萄糖刺激下，SMAD9缺失的细胞未能产生强烈的胰岛素分泌反应，尽管它们的整体胰岛素储备大体未变。公开可用的人类胰岛数据集支持这些发现：更高的SMAD9水平与更强的胰岛素分泌及更高比例的β细胞相关，且SMAD9在β细胞中的表达相较于其他胰岛细胞类型富集。

这对未来糖尿病疗法意味着什么

综合来看，结果呈现出一则两部分的故事。首先，随着干细胞来源的胰腺细胞成熟为类β细胞，它们关闭了细胞分裂机器并上调了激素处理基因，这与人类β细胞的自然发育过程相呼应。其次，在这一期间众多变化的基因中，SMAD9显现为关键的协调者：它帮助内分泌祖细胞获得β细胞身份，支持多种β细胞基因的表达，并且对成熟β细胞的适当胰岛素释放是必需的。尽管仍需更多工作来揭示SMAD9如何与其他信号通路相互作用，本研究提供了晚期人类β细胞发育期间基因与转录因子变化的丰富目录，并将SMAD9突显为改善基于干细胞的糖尿病疗法的有希望的靶点。

引用: Lim, E.X.H., Ong, G.J.X., Ang, D.A. et al. RNA-seq at different stages of human pancreatic β cell differentiation reveals proliferation dynamics and SMAD9 in directing β cell fate. Cell Death Dis 17, 302 (2026). https://doi.org/10.1038/s41419-026-08529-z

关键词: 胰腺β细胞, 干细胞分化, SMAD9, 胰岛素分泌, 糖尿病研究