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冷泉Harb Perspect生物。2012年6月;4(6):a012401。
数字对象标识:10.1101/csh人员.a012401
预防性维修识别码:PMC3367550
PMID:22587935

胰腺发育生物学的解构

摘要

人类胰腺疾病,特别是糖尿病和腺癌的无情性质和日益增加的患病率,促使人们进一步了解胰腺器官发生。胰腺是一个多功能器官,其上皮细胞控制着多种生理上至关重要的内分泌和外分泌功能。胰腺内分泌和外分泌成分的产生、分化、形态发生、生长、成熟和维持的调控机制最近已被发现,而且速度越来越快。这包括最近的研究揭示了机制,允许未成熟和成熟胰腺细胞亚群的发育潜能具有意想不到的灵活性,包括相互转换命运的能力。在本文中,我们描述了经典细胞生物学、遗传分析、谱系追踪和胚胎学研究是如何被强大的现代方法所补充的,这些现代方法包括表观遗传分析、延时成像和基于流式细胞仪的细胞纯化,以解剖胰腺发育的基本过程。

胰腺器官发生机制正在随着节奏的加快而被揭示。出乎意料的是,一些被认为是最终分化的细胞可能具有灵活的发育潜力。

1.简介

在过去的二十年里,我们对胰腺发育生物学的理解有了巨大的增长(参见Pictet等人,1972年1995年宽松历史背景)。分子胚胎学、细胞谱系分析、遗传网络和信号通路分析以及表观遗传学等现代方法的精辟应用,推动了这一领域的巨大发展,这些领域在最近的评论和专著中得到了有力的评估(Oliver-Krasinski和Stoffers 2008;Gittes 2009年;潘和赖特2011). 最近也有越来越多的不可避免的证据表明,胰腺细胞在命运决定上具有灵活性,这些细胞曾被认为是“终末分化的”,包括非β细胞转化为类似β细胞的命运(2010年普里和希布罗克). 在内脏器官中,胰腺的发育生物学已成为人们最了解的领域之一,尽管仍有许多尚待发现,特别是在人类胰腺发育方面(McKnight等人,2010年). 胰腺疾病的破坏性,主要是内分泌紊乱(如糖尿病)和外分泌紊乱(如胰腺癌和胰腺炎),在一定程度上推动了这一努力。我们认为,胰腺发育的一个更完整的图景已经出现,例如,通过考虑非β细胞、非胰岛细胞和非上皮胰腺细胞群的发育生物学,可以深入了解胰岛β细胞生物学等适时学科。

在这里,我们回顾了胰腺发育生物学的基本方面,同时重点分析了值得关注的新兴领域。这包括胰腺外分泌细胞、胰岛α细胞、β细胞和β细胞成熟的胎儿发育,重点是细胞器的发育。胰腺发育的其他方面,包括明确的内胚层发育、早期胰腺诱导、胰岛细胞分化的遗传学、胰岛β细胞增殖的内源性和外源性调节因子,以及斑马鱼等非哺乳动物系统中的胰腺发育,在别处都有专门的综述(Heit等人,2006b;Zaret和Grompe 2008;金克尔和普林斯2009;2010年震颤;西摩和桑德2011). 在这里,我们重点研究啮齿动物,主要是小鼠,这是我们了解胰腺发育生物学的主要基础。

2.胰腺发育的启动

小鼠胰腺的发育在操作上分为三个主要阶段:胚胎期(E)9.5至E12.5的初级过渡期,胚胎期(E12.5)至出生的次级过渡期,以及出生后至断奶期(与青春期的开始同时)。在初级过渡期,胰腺发育开始于内胚层增厚、胰腺祖细胞增殖以及分别在E9.5和E9.75时胰腺背侧和腹侧芽外翻(图1)(参见评论Jorgensen等人,2007年;Zaret和Grompe 2008). 在芽外翻过程中,短暂的上皮分层导致微腔的形成,这些微腔随后结合并形成具有胰腺形态特征的连续管状结构(图2和图3图1) (Villasenor等人,2010年). 尽管小管形成的分子和细胞过程需要进一步阐明,但Semb及其同事的优雅研究表明,Rho-GTPase家族成员Cdc42可能有助于建立小管,因为在缺乏Cdc42的情况下,管腔无法聚结为管状结构(Kesavan等人,2009年). Cdc42如何协调小管形成以及其他有助于小管形成和微腔形成的因素,是一个活跃而激动人心的研究领域。

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胰腺形态发生和发育调节。小鼠胰腺发育的特征是从胚胎期(E)9.5天到E12.5天的“初级过渡”和从E13天到出生的“次级过渡”。(面板1)胰腺萌芽和胰腺增生发生在大约E9.5,在该阶段的上皮细胞亚群表达胰腺特异性转录因子1a(Ptf1a)胰腺和十二指肠同源盒1(Pdx1)sry-box 9(Sox9)cMyc公司和其他转录因子。(面板2)上皮细胞增殖导致E11处形成微腔(空白空间)。间充质细胞(棕色交叉阴影)覆盖在发育中的胰腺芽上,分泌多种生长和分化因子(见正文)。在E13之前,Cdc42影响微管的聚合和连续支管的形成。(面板3)与肾小管生成同时,多能“尖端”和双能“躯干”结构域建立。多能Ptf1a+尖端祖细胞产生腺泡、导管和内分泌细胞,而双能祖细胞Nkx6同源盒(Nkx6+)树干祖细胞产生导管和内分泌细胞。(面板4)在E13后和二级转变期间,胰腺分支、细胞分化、腺泡细胞扩张和胰岛形成驱动胰腺形态发生。胰岛代表内分泌细胞簇。在这个阶段,“尖端”结构域将衍生腺泡细胞,而“主干”结构域将衍生导管和内分泌细胞。

胰腺祖细胞的规格和模式与小管生成一致,导致形成双能柄或“躯干”结构域和多能“尖端”结构域(图1). 位于分支顶端或最远端的细胞被认为包括产生内分泌和外分泌细胞的多能干祖细胞(MPC),而位于树干的细胞后代产生导管和内分泌细胞(图1). 初级转换后,尖端祖细胞失去多向性,在E13左右成为前叶细胞(图1; 另请参阅以下部分)。细胞-细胞相互作用和非胰腺组织(如间充质和血管)发出的外源性信号错综复杂地协调了细胞-脂肪规范和胰腺形态发生(2010年普里和希布罗克;Magenheim等人,2011年). 细胞命运规范中转录和染色质调节的外源信号和细胞内在机制的协调是一个深入探索的领域(例如,参见Xu等人,2011年).

3.外源性胰腺发育

外分泌区占胰腺质量的近95%,由两种主要细胞类型组成:腺泡细胞和导管细胞。腺泡分泌消化酶,如淀粉酶,通过导管细胞的分支网络进入十二指肠。腺泡和导管细胞的发育与小管形成和分支形态发生交织在一起(Hick等人,2009年;Kesavan等人,2009年;Villasenor等人,2010年),但细胞相互作用和协调形态发生与腺泡和导管细胞-脂肪规范的机制尚不清楚。在这里,我们关注影响腺泡细胞-脂肪谱系分配和导管细胞生物学的转录级联(麦克唐纳等人,2010年).

3.1. Acinar规范

Acinar细胞来源于表达Ptf1a公司,一种基本的螺旋-环-螺旋(bHLH)转录因子,最初在胰腺祖细胞中表达,后来在腺泡中保持(Krapp等人,1998年;Kawaguchi等人,2002年;Hald等人,2008年). 缺少Ptf1a公司结果腺泡细胞形成失败。最近对斑马鱼的研究表明Ptf1a公司表达允许内分泌分配,而增加Ptf1a公司胰腺祖细胞的表达决定了腺泡的命运(Zhou等人,2007年;Dong等人,2008年;Hesselson等人,2011年). 因此,Ptf1a公司根据其表达水平或活动,可能具有双重作用。允许时间和条件的小鼠Ptf1a公司失活或表达应进一步了解腺泡细胞的规格和发育,并确定Ptf1a公司表达可以调节多能祖细胞的命运。

研究人员Schaffer等人(2010年)表明Ptf1a和Nkx6转录因子之间的相互作用有助于腺泡细胞的发育分配。研究人员认为,在E14之前的MPC中,Ptf1a和Nkx6之间的相互抑制作用在能力窗口期间起作用。在这个模型中,Ptf1a抑制Nkx6毫米表达促进腺泡发育,而Nkx6因子如Nkx6.1或Nkx6.2抑制Ptf1a公司促进导管或内分泌发育的表达(图2A) ●●●●。因为内分泌和导管细胞存在于Nkx6.1/Nkx6.2双突变体(Henseleit等人,2005年),其他因素可能会抑制MPC中腺泡细胞的命运并驱动内分泌和导管的发育。体外研究表明组蛋白去乙酰化也影响腺泡细胞的命运(Haumaitre等人,2008年). 因此,进一步的研究应该揭示胰腺MPC腺泡细胞分配的转录和表观遗传调控之间的机制联系。

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胰腺腺泡和导管细胞分化。无极多能祖细胞发育成三个不同的子代:腺泡细胞(顶部,绿色)、导管细胞(底部,棕色)和内分泌胰岛细胞(未显示)。(A类)在腺泡发育期间,Ptf1a的表达抑制Nkx6,从而抑制选择性导管和内分泌细胞的命运。早期腺泡细胞需要形成Ptf1a-Rbpj三聚体复合物(PTF1-J)。Acinar成熟需要形成Ptf1a-Rbpjl三聚体复合物(PTF1-L),并且依赖于肌肉、肠和胃的表达1(薄雾1)免疫球蛋白kappa J区样重组信号结合蛋白(Rbpjl公司)以及可能的其他未知因素。成熟产生具有特殊细胞器和高分泌能力的锥体极化腺泡细胞。胆囊收缩素(CCK)和NFAT信号影响腺泡细胞的适应性生长。(B类)导管细胞来源于通过未知机制极化的无极祖细胞,形成初级纤毛,这是一种细胞器,其发育需要肝细胞核因子6(六氟化氢)和Hnf1β描述了胰腺分支内导管细胞的异质性(见正文)。

Acinar的发育也受多种外源信号和细胞-细胞相互作用的调节。例如,胰腺间充质细胞分泌FGF10和卵泡抑素,它们分别通过激活和抑制FGF和TGFβ信号通路来促进腺泡规范化(Miralles等人,1998年;Duvillie等人,2006年). 此外,其他研究表明Notch和Wnt信号可以抑制腺泡细胞的命运(Apelqvist等人,1999年;宫本茂等人,2003年;Esni等人,2004年). 总的来说,腺泡细胞规范的信号传递、转录和表观遗传控制之间的联系远不如那些参与胰岛细胞分化的人所了解。有关调节腺泡发育的外在因素的更多信息,请参阅普里和赫布罗克(2010).

3.2. Acinar细胞成熟与功能

棘突细胞是具有高度分泌能力的极化金字塔形细胞。为了适应分泌负荷,腺泡有许多线粒体,异常广泛的高尔基体和内质网,以及显著的电子致密酶原颗粒(图2A)(Pictet等人,1972年).薄雾1是一种bHLH转录因子,参与调节腺泡细胞极性和胞吐(Pin等人,2001年).薄雾1推测其调节RAB26和RAB3D以控制腺泡外分泌颗粒成熟,类似于其在胃主细胞中的作用(Tian等人,2010年). 成人胰腺基因表达的整体分析最近增强了我们对腺泡细胞分泌功能调控机制的理解(麦克唐纳等人,2010年;Dorrell等人,2011年b). 这项工作表明,PTF1的蛋白-蛋白质相互作用可能在推动腺泡成熟和功能方面至关重要。在初级转变过程中,PTF1与TCF12和Rbpj形成三聚体络合物(一种称为PTF1-J的络合物)(Beres等人,2006年;Masui等人,2007年)这是腺泡细胞发育和功能所必需的。当胰腺祖细胞决定腺泡命运时,PTF1复合物(称为PTF1-L)中的Rbpj被Rbpjl取代(图2A) ●●●●。证据表明,PTF1-J向PTF1-L的转换对于编码水解酶、线粒体成分和胞吐机制的基因的高水平表达至关重要,而胞吐机制是功能成熟腺泡的标志性成分(Beres等人,2006年;Masui等人,2007年2010). Ptf1a和Rbpjl的自动调节可以确保最大的分泌蛋白合成和线粒体代谢,这一特征也被认为可以增强或维持腺泡细胞的特性(Masui等人,2008年). 未来,PTF1-L和Mist1靶点的识别将揭示这些因子如何协调调节腺泡发育。Rbpjl和Rbpj在腺泡成熟过程中的条件性失活,以及额外的PTF1-J和PTF1-L复合物组分的鉴定,应进一步阐明控制腺泡细胞命运和功能建立的动态遗传和生化机制。

3.3. Acinar细胞生长、再生和可塑性

Acinar细胞继续分化、成熟和增殖,直至断奶(Desai等人,2007年). 然而,成人腺泡细胞的基础增殖指数较低,再生能力较差(Desai等人,2007年;Scott Swenson等人,2009年).Ptf1a公司薄雾1在成人腺泡中表达,最近的研究表明,这两种因子均可诱导细胞周期抑制剂的表达Cdkn1a型(第21页)(Jia等人2008). 因此,这些转录因子的表达可能导致成年腺泡细胞的低增殖指数。然而,在实验和生理环境中,腺泡细胞都可以自适应地扩张。例如,生长是对高蛋白饮食、吞咽过度、怀孕和哺乳的反应。最近的研究表明,这种产后兼性扩张的调节因子之一是胆囊收缩素(CCK)(图2A) ●●●●。全身施用蛋白酶抑制剂可诱导内源性CCK分泌增加,导致胰腺外分泌生长(Gurda等人,2008年). 这种对CCK刺激的腺泡生长反应可能依赖于钙调神经磷酸酶/NFAT信号(Gurda等人,2008年2010). 评估CCK是否影响其他内在生长调节剂,如Ptf1a、Mist1和p21,将是一件有趣的事情。β-catenin和c-Myc基因失活也会导致腺泡发育不全(Murtaugh等人,2005年;Murtaugh 2008年;Nakhai等人,2008a,b)表明β-catenin和c-Myc均能促进腺泡细胞增殖和/或存活。建立小鼠腺泡细胞条件遗传获得或丧失功能研究的新方法应有助于剖析生长因子与β-连环蛋白和c-Myc等内在因子之间的信号联系。

虽然腺泡细胞的再生潜力似乎有限,但最近的研究表明,腺泡细胞有可能在胰腺中产生九叶细胞类型。布莱恩等人(2010)显示TGFα过度表达时,胰腺腺泡细胞具有转分化为增生性导管细胞的能力,这是人类慢性胰腺炎和胰腺癌的特征。此外,Zhou等人(2008)表明腺泡细胞对细胞重编程有反应。通过在β细胞发育中表达三种关键转录因子(Ngn3号机组Pdx1页、和美国金融管理局)他们能够将腺泡细胞重新编程为类似β细胞的细胞。是否所有腺泡细胞对细胞重编程都有同样的反应尚待观察。Dorrell等人(2011年a)根据细胞表面标记物的表达,鉴定了不同的腺泡细胞亚群。不同阶段和不同损伤条件下腺泡细胞亚群的基因表达谱可能进一步阐明影响腺泡细胞可塑性、再生和功能的分子程序。

3.4. 导管细胞发育与生物学

导管细胞是纤毛化、极化的上皮细胞,分泌碳酸氢盐、粘蛋白,形成广泛的小管网络,最初为中心腺泡细胞(一些人认为是与腺泡细胞相邻的修饰导管细胞)(图2B) ●●●●。尽管导管细胞在内分泌细胞再生中的潜力引起了人们对导管生物学的兴趣,但影响导管细胞发育和功能的转录程序尚不清楚。反映导管细胞位置的形态和功能异质性可能是理解导管细胞发育的复杂尝试(Kopp等人,2011年). 柱状上皮形成主要导管,而复层鳞状上皮和单纯鳞状上皮分别形成小叶间和小叶内导管(图2B)(吉森1988). 这种异质性的生物学意义尚未确定,可能与对导管细胞依赖性疾病如胰腺癌、囊性纤维化和胰腺炎的认识有关(Sharer等人,1998年;Morris等人,2010年;Braganza等人,2011年).

通过在特定发育阶段识别导管细胞亚群的分子标记,将加速胰腺导管生物学的进展。例如,与腺泡细胞祖细胞标记物Ptf1a和胰岛细胞祖细胞Ngn3不同(见下文第4节),导管细胞祖细胞的标记物(或调节器)尚未确定。因此,关于导管室规格和配置的多个基本问题的研究已经成熟。例如,是什么将双功能树干祖细胞与分化的导管细胞区分开来的?哪些信号通路促进或抑制导管的规范和分化?最近的研究表明,初级纤毛(导管细胞中的亚细胞信号细胞器)的形成需要转录因子Hnf1βHnf6/Onecut1型(Haumaitre等人,2005年;Zhang等人,2009年). 在缺乏Hnf6的情况下,导管囊肿形成,导管细胞缺乏初级纤毛(Pierreux等人,2006年;Zhang等人,2009年). 最近,转录因子梅斯1/2显示可以调节导管Krt19的表达(von Burstin等人,2010年). 尽管这些研究表明Hnf6/Onecut1、Hnf1β和Meis因子调节导管发育的特定方面,但导管形成和成熟的许多遗传决定因素仍然未知。似乎基于流式细胞术的纯化很可能是由Dorrell等人(2011年b)在人类导管细胞的亚群上,或激光捕获显微切割等方法可能对胚胎胰腺导管的发育有帮助。

3.5. 导管细胞再生和可塑性

与胚胎导管细胞相比,对成年导管细胞的更新、再生和命运的调控机制知之甚少。亚组研究人员研究了导管细胞的再生潜能,特别强调导管细胞转分化为内分泌细胞(Desgraz等人2011). 一些研究报道了β细胞和其他类型胰腺细胞从导管或导管相关细胞再生(Inada等人,2008年;Xu等人,2008;Furuyama等人,2011年)但一些工作人员根据血统追踪证据对这些研究的主要结论提出了质疑(Solar等人,2009年). 例如,一些研究表明成人导管细胞向内分泌命运转化的可能性(Bonner-Weir等人,2000年),而其他研究Furuyama等人(2011年)提示成年导管细胞在生理上可以补充腺泡和导管细胞,但在成年期间不能补充内分泌细胞。根据Ferrer、Sander及其同事的谱系追踪研究,成年导管细胞补充非导管细胞的潜力更加有限(Solar等人,2009年;Kopp等人,2011年). 通过血统追踪Hnf1β的后代+和Sox9+两组成人导管细胞分别得出结论,导管细胞可以在胚胎发生期间产生内分泌和导管细胞,但在出生后不会(Solar等人,2009年;Kopp等人,2011年). 这些差异可能反映了导管细胞的异质性以及所使用的细胞标记策略的差异。此外,还需要进一步严格的血统追踪或细胞纯化来验证这些发现。有关导管细胞再生和可塑性相关争议的更多信息,请参见Xia等人(2009)Kawaguchi等人(2011年).

很明显,导管细胞促进内分泌细胞新生的潜力可能依赖于阶段,但成人导管细胞在胰腺损伤中的可塑性问题值得进一步研究,尤其是因为大多数胰腺肿瘤可能是导管谱系。对导管细胞标记物的进一步分析和对导管细胞生物学的分子理解可能会产生这种疾病的诊断标记物。

4.内分泌胰腺发育

成熟的胰腺内分泌细胞来源于短暂表达的上皮细胞亚群神经生长素3(Ngn3号机组)从上皮细胞分层,聚集成簇,称为朗格汉斯岛(图3). 血统追踪研究表明Ngn3+内分泌祖细胞是单能的有丝分裂后细胞,分别产生五种内分泌细胞类型:α、β、δ、PP和ε细胞(图4A)(Gu等人,2002年;Desgraz和Herrera 2009年;Miyatsuka等人,2011年). 然而,ε细胞在成人胰岛中的持久性尚未确定。Ngn3中每种内分泌细胞类型的诞生+祖细胞可能是暂时性调节的:在遗传互补研究中允许控制Ngn3号机组激活,Grapin-Botton和同事发现了胰腺中连续的“能力”状态的证据,这些状态首先导致α细胞的诞生,然后是β细胞和δ细胞,最后是PP细胞(Johansson等人,2007年). ε细胞的出生尚未见报道。尽管这些发现有助于我们理解胰岛细胞的分布,但这些假定的细胞内在能力周期的基础尚未阐明。

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以胰岛形态发生为高潮的事件。内分泌细胞来源于单能性神经生长素3(Ngn3)+)内分泌祖细胞(粉红色)。分化时,内分泌细胞从导管上皮(浅紫色)分层,向间质迁移(未显示),并聚集成称为胰岛的簇。为简单起见,仅描绘出α细胞(蓝色)和β细胞(紫色)从导管上皮分层并向血管迁移(红色)。与胰岛形态发生、血管化和自主神经系统对胰岛的神经支配相一致(黑色)。

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胰腺内分泌细胞的胚胎和出生后发育。(A类)在胚胎发育期间,胰腺内分泌细胞由表达bHLH转录因子的祖细胞分化而成神经生长素3(Ngn3号机组). 分化为不同谱系需要表达级联的不同转录因子(TF)。关键α细胞TF包括叉箱A2(福克斯2),NK2同源盒2(Nkx2.2个),配对框6(帕x6)、和亚里士多德人(阿尔克斯),而β细胞分化需要表达肌腱膜纤维肉瘤癌基因同源物B(MafB公司),胰腺和十二指肠同源盒1(Pdx1页),同源框蛋白HB9(血红蛋白9),Pax4、Pax6、Islet1(岛屿1),Nkx2.2毫米、和新x6.1除其他外(B类C类). 在“出生后时期”(这里不严格地定义为小鼠的“出生至断奶”和人类的“出生到青春期”),β细胞会经历两个关键事件,从而形成正常的功能性β细胞团(B类)首先,β细胞发生功能性变化成熟通过增加胰岛素生成和增强葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)。成熟过程中已知的转录调控因子包括神经源性分化1(神经D1),MafA、MafB、Isl1、Pdx1、Ngn3、和冯·希佩尔-林道(Vhl公司). (C类)其次,β细胞经历短暂的β细胞爆发增殖这与β细胞质量膨胀显著增加相一致。该过程的细胞周期调节器包括细胞周期依赖性激酶(镉钾4),D型细胞周期蛋白(抄送1CcnD2公司)、CDK抑制剂(CKI-第16页INK4a公司第19页阿尔夫、和第27页基普1)和转录因子福克斯M1参考文本,表1,并引用参考文献以获取更多信息。

最近的研究表明Ngn3号机组表达在胰腺祖细胞与内分泌谱系结合中可能很重要(Wang等人,2010年). 根据Wang等人(2010),未能达到Ngn3表达特定阈值的上皮祖细胞默认为导管或腺泡命运。这些失败的内分泌祖细胞接受导管或腺泡命运的能力可能取决于阶段(Beucher等人,2011年). Gradwohl及其同事通过对不同阶段失败的内分泌祖细胞进行血统追踪,确定在E12.5之前,失败的内分泌干细胞可以分化为腺泡或导管细胞,但在E12.5之后,它们可以分化为导管细胞而不是腺泡细胞。这项研究通过以下方面支持了先前的发现Zhou等人(2007)提示在二级过渡期后,内分泌祖细胞起源于致力于导管和内分泌谱系的双功能“躯干”祖细胞,而早期内分泌祖细胞来源于多功能祖细胞(图1).

尽管Ngn3的水平在触发内分泌命运中很重要,但这种情况是如何发生的尚不清楚。一些Ngn3号机组已确定对内分泌分化和发育至关重要的下游因素,包括神经D1IA2公司Pax4型阿尔克斯6卢比(Smith等人,2010年;Soyer等人,2010年)和其他(总结于图4A,审核人Rukstalis和Habener,2009年;西摩和桑德2011). 这些转录因子如何指定有助于特定胰岛细胞亚群分配的变化尚不清楚。此外,尚不清楚Ngn3活性是否也能诱导外分泌分化阻遏物。

根据小鼠功能丧失分析,Ngn3可能还调节胰岛发育的其他关键特征,包括上皮分层、细胞迁移和细胞周期退出(Rukstalis和Habener 2007;Miyatsuka等人2011). Ngn3基础说明+子代分层和迁移可能受益于单细胞分辨率视频显微镜方法的发展。调节分层的可能机制包括(1)不对称细胞分裂或(2)上皮-间充质转化(EMT)。先前的研究表明,蜗牛可能对胰腺细胞中的EMT进行调节2(Rukstalis和Habener 2007)一种锌指蛋白,已知可调节其他组织中的EMT。最近,德国人及其同事涉嫌Cdkn1a型作为可能的Ngn3靶点,刺激细胞周期退出以限制胰岛祖细胞的扩张(Miyatsuka等人,2011年). 如下所述,Ngn3的β细胞后代+细胞在二次转变后恢复其膨胀能力,这表明Cdkn1a型内分泌细胞增殖的限制可能是暂时的。

在小鼠中,E18在妊娠晚期检测到胰岛的定型结构,胰岛中胰岛素表达的β细胞与非β细胞相邻(图3) (Herrera等人,1991年). 胰岛成熟的其他进化保守特征包括自主神经系统(ANS)的血管化和神经支配(图3). 最近,我们对胰岛细胞与血管内皮细胞相互作用的基础的研究进展进行了综述(Brissova等人,2006年;Eberhard and Lammert 2009年). 在这里,我们关注胰岛α细胞和β细胞发育的特定方面。

5.胰岛α细胞发育

由于胰岛素在哺乳动物中的首要作用,产生胰高血糖素的α细胞的发育生物学受到的关注相对较少。然而,一些因素导致了对α细胞发育的兴趣和研究的加强,包括关于α细胞和胰高血糖素在2型糖尿病中的作用的发现(综述于埃杰顿和切林顿2011)认识到需要更广泛地了解胰岛细胞生物学,以控制多潜能细胞源替代胰岛的发育,以及将α细胞转化为功能性β细胞的诱人可能性(Collombat等人,2009年;Thorel等人,2010年). 在这里,我们回顾了α-细胞的规格、分化和成熟方面。有关α细胞生理学和胰高血糖素调节的详细综述,请参阅Gromada等人(2007年)Gosmain等人(2011年).

α细胞发育的遗传学研究发现了影响α细胞发育和成熟的各种转录因子,如Pax6、MafB、Arx、和福克斯2(图4A)(Gosmain等人2011).帕x6突变体缺乏α细胞,胰高血糖素表达减少MafB公司表达,胰高血糖素表达的另一个调节因子,在小鼠成体α细胞中选择性表达(Artner等人,2006年;Nishimura等人,2006年2008;Gosmain等人,2010年). 胰高血糖素加工的调节也可由福克斯2条件性敲除研究表明,突变的α细胞缺乏处理前葡聚糖的酶,因此胰高血糖素的表达降低了90%(Lee等人,2005年). 尽管这些转录因子影响α细胞命运和成熟的某些方面,很像β细胞(下文讨论),但我们不知道控制α细胞向分泌胰高血糖素的α细胞成熟的分子机制。

最近,我们对调节α-细胞发育和命运的机制的理解有了更大的进展(由Bramswig和Kaestner 2011年).阿尔克斯是一种在α细胞和PP细胞中表达的转录因子,是α细胞形成和维持成体α细胞所必需的。阿尔克斯null突变体显示成熟α细胞的早期丢失,伴随着β细胞和δ细胞的增加,而阿尔克斯β细胞内促进α细胞和PP细胞的发育(Collombat等人,2007年). 在胰腺特异性缺失阿尔克斯,有完全的α细胞再生障碍(Hancock等人,2010年). 因此,阿尔克斯α细胞命运的获得和非α细胞命运承诺的抑制都需要。相反,帕克4是β细胞和δ细胞发育所需的同源域因子。Pax4型突变小鼠α细胞增生(Sosa-Pineda等人,1997年). 与这些表型一致,最近的研究提供了Arx和Pax4相互交叉抑制的证据(Collombat等人,2003年,2009年). 在β细胞中,阿尔克斯Dnmt1和Dnmt3a DNA甲基转移酶增强了沉默。β细胞中Dnmt1或Dnmt3a的条件性失活导致Arx公司和胰高血糖素,导致它们转化为α细胞表型(Dhawan等人,2011年;Papizan等人2011年)。不言而喻,研究建立和稳定α细胞命运的转录和表观遗传调控机制对了解所有胰岛细胞的发育至关重要。

5.1. 胰岛α细胞质量的调节

与我们最近对胚胎和成年小鼠中β细胞增殖和生长调节机制的理解不同(Heit等人,2006b),我们对α细胞增殖和膨胀的调控知之甚少。在胰高血糖素受体、前胰高血糖激素或称为前激素转化酶2的前胰高糖素加工内肽酶靶向缺失的小鼠中观察到α细胞增生(Wang等人,2001年;Gelling等人,2003年;Hayashi等人,2009年); 然而,从这些研究中还不清楚低血糖、低血糖或其他因素是否是α细胞增生的刺激因素,这些研究中α细胞扩张的分子基础也不详细。在α-细胞向β-细胞转化的模型中Pax4型表达不当,Collombat等人(2009年)根据他们的发现,在这种多基因模型中,胰高血糖素替代抑制了α细胞的补充,提示低血糖素血症刺激了α细胞生成。允许成人α细胞中胰高血糖素受体条件失活的系统(Thorel等人,2010年)在这些不同的模型中,研究胰高血糖素缺乏在驱动α细胞增生中的作用应该是有用的。

之前的研究Pax4型α细胞谱系中的错误表达表明α细胞新生可能被重新定向产生β细胞(Collombat等人,2009年). 然而,这项研究也为出生后的α细胞可能转化为功能性β细胞的可能性提供了证据。为了直接评估这种可能性,Herrera及其同事最近在小鼠中使用了靶向条件性β细胞破坏和谱系追踪相结合的方法(Thorel等人,2010年). 这些工作人员的结论是,几乎完全的β细胞破坏刺激了本地程序,允许一些α细胞到β细胞的转换,尽管这种转换的总体水平很低。调节这种转化的分子机制是什么?如果得到识别和利用,这些知识可能对开发糖尿病替代胰岛的β细胞和非β细胞来源都有用。

似乎沉默阿尔克斯结合表达Pax4型将是在成人α-细胞到β-细胞转换设置中进行的一项观察。来自的研究Lu等人(2010)表明α细胞命运的表观遗传学调控可能也是这种转化的基础。值得注意的是,这些工作人员最近表明,条件α-细胞失活男子1编码蛋白menin,一种肿瘤抑制因子和多种内分泌细胞类型中组蛋白甲基转移酶复合物的成分(Hughes等人,2004年;Yokoyama等人,2004年)导致类似β细胞胰岛素瘤的肿瘤发生。这些工作人员从遗传谱系追踪研究中得出结论,胰岛素瘤直接来源于胰高血糖素生成男子1-缺乏细胞。相反,在另一项研究中沈等(2010)被解释为细胞非自主调节β细胞生长控制,而非转化的证据。这些报告和其他报告(请参见Dhawan等人,2011年;Yang等人2011)提供证据表明,操纵遗传或表观遗传调节因子可能被用来改变胰岛细胞的命运。

6.胰岛β细胞发育

β细胞与表达胰腺内分泌祖细胞的分化Ngn3号机组(Gu等人,2002年). 功能性葡萄糖敏感、胰岛素分泌β细胞的形成需要额外转录因子级联的表达(总结于图4A,并经他人专业审查:Gittes 2009年;2010年普里和希布罗克;西摩和桑德2011;). 分化时,大多数胎儿β细胞在有丝分裂后一直保持到妊娠晚期(Bouwens和Rooman 2005)并被认为在功能上“不成熟”(Asplund等人,1969年;Rozzo等人,2009年). 在这里,我们关注的是β细胞的出生后发育,其最终达到功能成熟和增殖,以建立适当的功能性β细胞群。

6.1. β-细胞成熟

成熟的β细胞能够感应葡萄糖和其他促分泌物质,进而分泌适当水平的胰岛素以匹配这些生理信号。胎儿胰岛素+E13.5上出现了源于二次转变中β细胞发育波的β细胞,但这些未成熟的β细胞合成和分泌胰岛素的能力降低,以响应促分泌剂的作用(Asplund等人,1969年;Boschero等人1990;Rozzo等人,2009年). 从出生开始,面对新的宿主能源和需求,新生的β细胞迅速成熟。尽管这种兼性发育已经被认识了40多年,但这种后天“成熟”的机制仍不清楚。未成熟胎儿和新生儿β细胞由几个生理特征定义,包括低钾降低列车自动防护系统静息电导和高压门控钙2+电导(总结于表1). 与成人β细胞相比,新生儿β细胞的这些特性表现为相对去极化的静息膜电位,伴随着基础胰岛素分泌的增加(Rozzo等人,2009年).乳酸脱氢酶A(LDHA公司),尽管成熟β细胞中的含量通常较低(Sekine等人,1994年;Schuit等人,1997年),在未成熟β细胞中含量较高(Boschero等人,1990年;Gu等人,2010年). 因此,糖酵解(而非氧化代谢)在新生儿胰岛中占主导地位,导致较高水平的乳酸生成,相对ATP生成减少,葡萄糖刺激的胰岛素分泌减弱(GSIS)(Asplund and Hellerström 1972年;Ishihara等人,1999年;Rozzo等人,2009年). 最后,尽管未成熟的β细胞确实显示O的基础比率增加2与成熟的β细胞相比,它们在高糖暴露下无法增加氧化代谢,因此胰岛素分泌较低且呈单相,而非成人胰岛的双相(Freinkel等人,1984年;Hole等人,1988年).

表1。

“未成熟”β细胞的生理和分子特征,以及已知的β细胞成熟转录调控因子

生理学
葡萄糖和其他促分泌剂引起的分泌减弱(Asplund等人,1969年;Grill等人,1981年;Boschero等人,1990年;Rozzo等人,2009年)
厌氧糖酵解增加(Asplund和Hellerstrom 1972;Boschero等人1990;Jermendy等人2011)
基线耗氧量增加(Asplund和Hellerstrom 1972;Freinkel等人1984;Boschero等人1990;Hughes 1994)
葡萄糖暴露增加导致氧化代谢增加不良(Hole等人,1988年;Boschero等人,1990年;Rozzo等人,2009年;Gu等人,2010年)
KATP静息电导降低(Rozzo等人,2009年)
电压门控钙增加2+电导(Rozzo等人,2009年)
增加基础胰岛素分泌和静息膜电位(Rozzo等人,2009年)
单相胰岛素分泌(Freinkel等人,1984年;Hole等人,1988年;Hughes,1994年)
cAMP对葡萄糖的反应降低(Grill等人,1975年)
相关基因表达变化
增加
利达(Boschero等人1990;Sekine等人1994;Schuit等人1997;Gu等人2010)
Npy公司(Myrsen-Axcrona等人,1997年a,b;Imai等人,2007年;Gu等人,2010年;Whim,2011年)
百万-2速度(Aye等人,2010年)
Ck-19号机组(Aye等人2010;Gu等人2010)
降低
2英寸(Rozzo等人,2009年;Aguayo-Mazzucoto等人,2011年)
谷氨酸2(Aguayo-Mazzucoto等人,2011;Jermendy等人,2011)
格克Glp1r基因1/3件(Aguayo-Mazzucoto等人,2011年)
氧化代谢基因(丙酮酸羧化酶,线粒体穿梭器等)(Jermendy等人,2011年)
转录调节器
神经D1(Gu等人,2010年)
美国金融管理局(Zhang等人,2005年;Wang等人,2007年;Artner等人,2010年;Aguayo-Mazzucoto等人,2011年)
MafB公司(Artner等人,2007年、2010年)
岛屿1(Du等人,2009年)
Ngn3号机组(Wang等人,2009年)
Pdx1页(Ahlgren等人1995年、1998年;Jonsson等人1995年;Offield等人1996年)
Vhl公司(Zehetner等人,2008年;Cheng等人,2010年)

6.2. β细胞成熟度的生理和分子标记

生理性β细胞成熟伴随着几个标记物表达的变化。除了LDHA,胎儿和新生儿β细胞还增加了NPY的表达,NPY是腺苷酸环化酶的抑制剂(Motulsky和Michel 1988年)增强β细胞GSIS(Imai等人,2007年;Myrsén-Axcrona等人,1997ab条;Whim 2011年). 微阵列研究已开始揭示成熟胰岛的基因表达景观,并揭示β细胞表面标记物和编码氧化代谢调节器的基因的表达改变(表1) (Aye等人,2010年;Gu等人,2010年;Jermendy等人,2011年). 最近,Aguayo-Mazzucato等人(2011年)表明在新生大鼠胰岛中,β细胞mRNA编码胰岛素2、谷氨酸2、葡萄糖激酶、和件1/3,在成人β细胞中表达约10%。在新生儿期,这些基因的表达水平增加到成人水平(Aguayo-Mazzucato等人,2011年; C贝尼特斯和SK金,未经证实)。小鼠和人类胰岛β细胞的成熟可能伴随着类似的变化。如果是这样的话,基于流式细胞术的方法在出生后特定阶段分离β细胞,应该可以完善我们对β细胞成熟的理解。

6.3. β细胞成熟调节因子

β细胞成熟的转录调节因子包括Pdx1页神经D1(图4B) 在出生和断奶期间均表现出短暂的表达增加(Aguayo-Mazzucato等人,2011年). 已知Pdx1可以调节关键β细胞基因的表达,包括Ins2、Glut2、Gck、和IAPP公司、和Pdx1页小鼠失活导致β细胞功能降低和早发糖尿病(Ahlgren等人,1998年). 此外,人类PDX1(PDX1)单倍体不足与一种罕见的单基因型2型糖尿病相关,称为年轻人成熟型糖尿病(MODY4),这表明Pdx1活性在β细胞特性和功能中得以保持(Stoffers等人,1997年; 审核人Murphy等人,2008年). MafA也被证明可以调节参与胰岛素生物合成和分泌的基因的表达(Zhang等人,2005年;Wang等人,2007年)β细胞缺乏美国金融管理局对葡萄糖或精氨酸分泌胰岛素的能力有缺陷(Zhang等人,2005年;Artner等人,2010年). 相反,过度表达美国金融管理局在新生大鼠中,胰岛足以增加关键β细胞功能基因的表达,并将GSIS上调至接近成年β细胞的水平(Aguayo-Mazzucato等人,2011年). 最近一项优雅的研究Gu等人(2010)为显示了角色神经D1建立和维持β细胞成熟。缺乏β细胞神经D1胰岛素分泌缺陷,类似未成熟的β细胞,糖酵解增加,基础氧消耗增加,LDHA和NPY表达增加。最近的研究还牵涉到其他可能的调节因素,包括MafB(Artner等人,2007年),岛屿1(Du等人,2009年)、Ngn3(Wang等人,2009年),von Hippel Lindau蛋白(Zehetner等人,2008年)和钙调神经磷酸酶信号(图4B) (WR Goodyer和SK Kim,未提交)。未来对β细胞成熟调节器的研究将通过使用转基因小鼠菌株来促进,这种小鼠菌株允许有条件的基因失活或在成年β细胞中特异性表达(Wicksteed等人,2010年).

6.4. 新生儿β细胞增殖

随着β细胞的成熟,在新生小鼠和人类中,β细胞以相对活力进行复制,这是一个被认为可以调节糖尿病易感性的显著β细胞扩张阶段(Butler等人,2007年). 对小鼠的研究已经确定了新生儿β细胞复制和建立β细胞质量所需的调节因子,包括细胞周期蛋白依赖性激酶、D型细胞周期蛋白(Rane等人,1999年;格鲁吉亚和布珊2004;Kushner等人,2005年)、CDK抑制剂(CKI)(Uchida等人,2005年;Chen等人,2009年),转录因子FoxM1(Zhang等人,2006年)和其他因素(图4C) ●●●●。胰岛CcnD2和FoxM1 mRNA水平在新生小鼠中最高,在成人中下降,而p16则相反墨水4a和第19页阿尔夫表明它们的转录可能调节和限制β细胞的增殖。此外,尚不清楚这些或其他因素是否调节人类新生儿β细胞的扩增(Heit等人,2006a,b). 最近出现了一些因素作为这些靶基因的转录调节因子,包括岛屿1(Du等人,2009年),幸存者(Wu等人,2009年)、和鄂尔多斯2(Chen等人,2009年). 进一步的研究需要在人类胰岛新生儿发育过程中验证这些因素,并确定在这个关键的发育窗口中,β细胞成熟和增殖是否以及如何协调。

7.β-细胞致密核心颗粒生物发生

尽管转录调控在β细胞发育生物学领域占据主导地位,但也存在组织研究的其他富有成果的框架,包括细胞器生物学和生物发生的研究。β细胞具有标志性的细胞器特征,包括丰富的线粒体、锌转运系统和形态独特的分泌小泡,称为致密核心颗粒(DCG)。先前的研究已经综述了β细胞发育中线粒体的生物发生(参见Maechler等人,2010年以及其中的参考文献),这里我们重点关注DCG的发育调控。

DCG是一种复杂的膜结合细胞器,起源于反式-在几种糖尿病小鼠模型中,β细胞内高尔基网络(TGN)和DCG数量减少与胰岛素分泌减少有关(Like and Rossini 1976年;Bruin等人,2008年;Pechhold等人,2009年). 作为一种非活性的前激素,胰岛素原最初在TGN中被分为未成熟分泌颗粒(ISG)。出芽后,ISG经历了一个关键的成熟过程,在此过程中发生了几个事件,包括(1)颗粒腔酸化,(2)胰岛素原通过前转化酶1/3(Pcsk1/3)、Pcsk2和羧肽酶E的蛋白水解过程,(3)错配蛋白质的出芽,多余的膜,(4)酸化和脱水导致颗粒凝结(Kim等人,2006年;Hou等人,2009年;Suckale和Solimena 2010). 成熟过程允许胰岛素结晶成紧密堆积的六聚体的“致密核”。关于DCG的储存、动员和胞吐的更多信息,我们参考其他最近的综述(Kim等人,2006年;Hou等人,2009年;2010年Suckale和Solimena).

除了胰岛素外,DCG还含有几个主要的蛋白质成分,包括胰岛淀粉样多肽(IAPP)、内肽酶和外肽酶、SNARE复合物成分和其他胞吐调节剂、颗粒蛋白(包括嗜铬粒蛋白A[变更A]和更改B)和跨膜蛋白,如IA2(也称为ICA152/PTPRN)(Suckale和Solimena 2010). ChgA和ChgB特别令人感兴趣,因为它们已经被证明是DCG生物发生的必要和充分的,因为它们为DCG在TGN出芽提供了驱动力(Kim等人,2001年;2003年1月2日;Huh等人,2003年;Mahapatra等人,2005年)尽管最近的研究对这一结论提出了质疑(Hendy等人,2006年;Obermüller等人,2010年).

β细胞去极化后,钙介导的过程2+流入和信号传递,DCG生物生成短暂增加,以补充枯竭的油池(Kim等人,2006年). DCG存储的维持反映了转录和转录后机制。在葡萄糖刺激下,RNA结合蛋白聚嘧啶结合蛋白1(Ptbp1)从细胞核转移到细胞质,在细胞质中结合并稳定编码DCG成分的mRNA,从而促进生物发生(Knoch等人,2004年2006). 跨膜蛋白IA2也被认为是DCG形成和胰岛素分泌的另一调节因子,通过与β细胞去极化反应相关的转录和转录后机制(Saeki等人,2002年;Harashima等人,2005年;Kubosaki等人,2005年;Mziaut等人,2006年). 这些研究大多在体外进行,表明活动依赖性调节如何维持成人β细胞中的DCG,但尚不清楚Ca是如何维持的2+-依赖性通路可能调节出生后β细胞中标志性DCG组分(如胰岛素、颗粒蛋白和IAPP)的转录,或调节体内β细胞DCG形成的方式。接触钙调神经磷酸酶抑制剂(如他克莫司(FK506)和环孢霉素A)的人类和实验动物的糖尿病,以及条件立方氮化硼1小鼠失活表明钙调神经磷酸酶途径可能调节β细胞功能(综述于海特2006b)但目前尚不清楚这些因子是否调节β细胞DCG组分的转录或组装。识别调节β-细胞成熟特征的机制,如DCG形成,应加强从多能干细胞来源创造替代胰岛细胞的努力(由van Hoof等人,2009年;McKnight等人,2010年).

8.总结

努力提高对胰腺发育和生长机制的认识,是基于这样一种信念,即这些知识将被证明与糖尿病和胰腺癌等多种常见疾病的诊断、预测或治疗相关。基于其作为实体器官发育范式的出现,这些努力也可能有助于转变我们对其他上皮器官细胞命运和生理功能的发育和维持的概念。为了实现再生治疗的特定目标,如糖尿病中的β细胞再生,必须集中精力破译胰腺发育的遗传和表观遗传机制。然而,胰腺细胞生物学和发育的各个方面,包括上皮形态发生、细胞器生物发生和生理成熟,值得更多的关注。在这些领域取得进展的一个主要“障碍”将是人体组织的可及性以及研究人类胰腺细胞生物学的工具和分析的发展。

一种更综合的胰腺发育方法可能被证明对治疗各种胰腺疾病有用。晚期胰腺癌很快就会致命;相反,发现并手术切除较罕见的局部肿瘤通常是可以治愈的。我们预计,胰腺发育生物学的组合方法可能允许对人类胰腺上皮内瘤变(PanIN)的第一阶段进行前瞻性建模。结合表观遗传学和高通量测序方法(Ting等人,2011年)这些方法可以促进早期可切除胰腺癌诊断策略的发展。同样,类似方法的发展可能允许检测“临床前”阶段的β细胞破坏,预测1型糖尿病(Akirav等人,2011年). 如果是这样,明智地使用免疫抑制剂可以防止进一步的破坏;保存β细胞质量可能会扩大随后的再生“治疗”选项。对于起源反映多种致病机制的2型糖尿病,诱导的基于多能干细胞的胰岛细胞生长和适应模型应允许分子研究来调查该疾病中β细胞衰竭风险的基础,包括针对GWAS牵连的多个候选基因座的调查(由Billings and Florez 2010年;Imamura和Maeda 2011). 因此,我们设想胰腺生物学的发育和分子研究可能会特别加速早期诊断机制,从而显著影响疾病进展和结果。这些研究还应有助于构建和定义可接受的“终点”,包括质量和安全基准,以从多能干细胞来源中生产替代或替代功能性β细胞。

致谢

我们感谢Kim小组成员的建议和支持,感谢R.J.MacDonald博士、R.Stein博士、P.Herrera博士和A.Bhushan博士对手稿的有益评论和激发的讨论。C.B.获得了NIH发育遗传学培训拨款5 T32 GM007790-29和国家科学基金会的产前奖学金;W.G.得到了医学科学家培训计划(NIH/NIGMS)和美国糖尿病协会的资助。Kim小组的工作得到了斯奈德基金会、美赞臣基金会、青少年糖尿病研究基金会、加利福尼亚再生医学研究所、赫尔姆斯利慈善信托基金会、美国国立卫生研究院和霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的支持。S.K.K.是HHMI的研究员。我们向同事道歉,因为空间限制,我们无法引用他们的工作。

脚注

编辑:Patrick P.L.Tam、W.James Nelson和Janet Rossant

有关哺乳动物发展的其他观点,请访问www.cshperspectives.org

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文章来自冷泉港生物学展望由以下人员提供冷泉港实验室出版社