胰岛素和IGF-1受体在胚胎谱系发育中的关键作用研究
作者及发表信息
本研究由Erin R. Okawa、Manoj K. Gupta等团队主导，合作机构包括Joslin糖尿病中心（Joslin Diabetes Center）、哈佛医学院（Harvard Medical School）等，于2021年发表于《Molecular Metabolism》（分子代谢）期刊，标题为《Essential roles of insulin and IGF-1 receptors during embryonic lineage development》。
学术背景
研究领域与动机
胰岛素受体（IR）和胰岛素样生长因子-1受体（IGF1R）属于高度保守的受体家族，在细胞增殖、代谢信号传导和器官发育中发挥关键作用。已有研究表明，这两种受体在胚胎发育早期表达，但它们在多能干细胞（如诱导多能干细胞iPSCs）维持和分化中的协同作用尚不明确。本研究旨在通过双敲除（DKO）IR和IGF1R，揭示其对多能性维持和谱系分化的影响。
科学问题
尽管IR或IGF1R单敲除在小鼠模型中已显示出生后生长缺陷，但两者同时缺失对胚胎早期发育的影响机制仍未阐明。此外，iPSCs在缺乏这两种受体时如何通过替代信号通路维持多能性，以及其对神经外胚层、中胚层（如脂肪细胞）和内胚层（如胰腺内分泌祖细胞）分化的影响，是本研究的核心问题。
研究流程与方法
双敲除iPSCs的构建
- 研究对象：从小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs，E13.5）中分离细胞，利用腺病毒载体（Ad5CMVCre）敲除IR和IGF1R的特定外显子。
- 验证：通过免疫印迹和qRT-PCR确认受体表达缺失（IR减少79-96%，IGF1R减少80-97%）。
- 重编程效率：DKO MEFs的重编程效率比对照组低73%，提示IGF1R在体细胞重编程中可能具有独立于IR的作用。
多能性评估
- 标志物分析：DKO iPSCs中多能性基因（如Oct4、Nanog）表达未受影响，但Lin28A和Tbx3显著下调。
- 拟胚体（EBs）和畸胎瘤实验：DKO iPSCs能形成三胚层，但畸胎瘤中神经外胚层肿瘤样细胞占比显著增加，提示分化偏向性。
转录组与信号通路分析
- RNA测序：DKO iPSCs中STAT3通路（与多能性相关）上调，而PI3K/AKT/mTOR通路（代谢与生长相关）下调。
- 信号验证：胰岛素/IGF-1刺激后，DKO iPSCs的STAT3磷酸化水平显著升高，而AKT磷酸化几乎消失。
定向分化实验
- 脂肪细胞分化：DKO iPSCs分化的脂肪细胞中脂滴减少，关键基因（Cebpa、Fas、Pparg、Fsp27）表达显著下调。
- 胰腺内分泌祖细胞分化：DKO组中胰岛发育标志物（Isl1、Pax6、NeuroD1）表达降低，且细胞凋亡增加。
主要结果
多能性维持的补偿机制
- DKO iPSCs通过上调STAT3通路（而非依赖IR/IGF1R的PI3K/AKT）维持多能性，表现为STAT3靶基因（如Lefty2、Tfcp2l1）表达增加。
- 意义：揭示了STAT3在受体缺失时的代偿作用，为多能性调控提供了新视角。
谱系分化缺陷
- 神经分化：DKO iPSCs分化的神经元中早期标志物（Nestin、N-cadherin）表达升高，但成熟神经元功能可能受损。
- 脂肪与胰腺分化：DKO导致中胚层和内胚层分化关键基因表达异常，与临床中IR/IGF1R缺陷患者的代谢紊乱表型一致。
凋亡与E2F1通路激活
- RNA-seq显示DKO iPSCs中E2F1凋亡通路激活，解释了胰腺祖细胞分化中凋亡增加的现象。
结论与价值
科学意义
- 首次证明IR/IGF1R双缺失通过STAT3通路维持多能性，同时导致谱系分化偏向神经外胚层。
- 揭示了受体信号在胚胎组织发育中的不可替代性，尤其是对中胚层和内胚层分化的调控。
应用价值
- 为糖尿病等代谢疾病中胰岛素信号异常导致的发育缺陷提供机制解释。
- 提示STAT3通路可能成为干预IR/IGF1R缺失相关疾病的潜在靶点。
研究亮点
创新方法
- 结合双敲除iPSCs、多组学分析和定向分化模型，系统解析受体功能。
- 首次发现STAT3在IR/IGF1R缺失时的代偿性激活。
重要发现
- DKO iPSCs的神经外胚层偏向分化与人类原始神经外胚层肿瘤（PNET）相似，为肿瘤研究提供新模型。
- 揭示了E2F1通路在分化凋亡中的关键作用。
其他价值
本研究还提出IGF1R在体细胞重编程中的独立作用，为优化iPSCs制备技术提供了理论依据。此外，DKO模型的建立为研究受体信号交叉调控（如IR与IGF1R的功能冗余）奠定了基础。