Cell Metabolism:小鼠糖尿病肾病对治疗的单细胞转录组反应

原文题目:Mapping the single-cell transcriptomic response of murine diabetic kidney disease to therapies

通讯作者：Benjamin D. Humphreys

第一单位：美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学

DOI：10.1016/j.cmet.2022.05.010

据估计，糖尿病影响超过 10% 的美国人口，糖尿病肾病 (DKD) 是全球终末期肾病 (ESKD) 的主要原因。大岛等人，2021）。尽管最近的治疗取得了进展，但仅观察到 DKD 导致 ESKD 发生率的降低有限。虽然钠-葡萄糖协同转运蛋白 2 抑制剂 (SGLT2i) 已成为治疗 DKD 的有希望的药物类别，但其作用机制仍不清楚。由于这些原因，破译 DKD 的细胞和分子驱动因素，以及如何最好地针对治疗效果不佳的主要驱动因素，是当务之急。

DKD的发病机制是多因素的，包括内皮功能障碍、肾小球高滤过、血流动力学效应和炎症。蛋白尿通常伴随这些变化，导致肾小管损伤、间质纤维化和肾小球硬化。糖尿病患者经常发生全身性高血压，并加重肾小球内高血压和肾脏微血管损伤。大量转录组学研究在实验模型和人类 DKD 中都提供了丰富的信息。这些研究揭示了重要的见解，但也受到限制，因为来自少数细胞类型的信号在集成数据集中丢失了。scRNA-seq 解决了这一限制，允许构建详细的细胞图谱，描述细胞类型和健康和疾病状态。研究人员最近将 scRNA-seq 应用于早期人类糖尿病肾病，揭示了远端肾单位钾分泌特征以及促血管生成肾小球特征。鉴于在 DKD 中受影响的细胞类型众多，研究人员推断 scRNA-seq 可以进一步了解 DKD 的细胞和分子驱动因素，以及对不同药物治疗（包括 SGLT2 抑制）的细胞特异性反应。

图 1：实验计划、组织学和生理读数

研究人员使用了具有单肾切除术的纯合 Lepr 敲除 (db/db) 小鼠模型和肾素诱导的高血压小鼠模型。研究人员将载体与血管紧张素转换酶抑制剂 (ACEi)、罗格列酮、SGLT2i TA-1887 (野村等人，2014)、ACEi + 罗格列酮和 ACEi + SGLT2i 在两个时间点（2 天和 2 周）。研究人员从包含近 100 万个细胞的所有组中生成了单核 RNA-seq (snRNA-seq) 数据集。对所得图谱的分析表明，不同的药物对细胞类型的影响截然不同。联合疗法的效果最大，但这些效果在很大程度上也没有重叠。通过关注 SGLT2i 对近端小管 (PT) S1 段的最早转录作用，研究人员推断该药物类别诱导禁食模拟和缺氧反应。更具体地说，糖尿病在 PT 中下调了富含丝氨酸/精氨酸的剪接体调节因子 7 (Srsf7)，SGLT2i 专门挽救了这一点。体外Srsf7 的 PT 敲低引发了约 2,000 个基因的差异表达并诱导了促炎表型，这表明 PT 选择性剪接在驱动 DKD 进展和 SGLT2i 在拯救它中的作用。这项研究强调了 DKD 的细胞复杂性和不同治疗类别的效果。该结果支持联合疗法的发展，因为不同的药物类别针对肾脏中不同的细胞类型。

图2：DKD小鼠模型药物治疗单细胞图谱

由于受影响的大量组织隔室，成功识别 DKD 的机制以及不同治疗如何起到保护作用变得复杂。虽然 DKD 的小鼠模型很有用，但它们也受到它们反映 DKD 表型全谱的可变程度的限制。scRNA-seq 提供了一种强大且公正的方法来调查 DKD 进展过程中的肾脏反应，以及不同疗法如何防止进展。研究人员将 scRNA-seq 与最近的 DKD 鼠模型相结合，该模型概括了 DKD 的主要临床和组织学特征，包括高血糖、高血压、蛋白尿、肾功能进行性丧失和肾小球硬化。据研究人员所知，这是迄今为止最大的小鼠肾脏单细胞图谱。本文的数据为了解 DKD 和五种常见治疗方案的细胞特异性肾脏转录反应提供了有用的资源。在 DKD 及其治疗图谱中确定的 DEG 可用于获得机制洞察力以及作为诊断的潜在生物标志物。

随着SGLT2i治疗DKD的加入，过去3年见证了该病治疗的革命。然而，不应忽视的是，虽然达格列净和卡格列净可将 ESKD 风险降低三分之一，但在接受 ACEi 和 SGLT2i 的“高危”试验受试者中，三分之二继续进展为 ESKD。这种剩余的未满足需求需要新的疗法。本研究确定了每种治疗方案诱导的非重叠细胞类型和转录变化。此外，ACEi + 罗格列酮或 ACEi + SGLT2i 的联合治疗具有最强的正常化效果，这不仅仅是单独单一疗法的叠加。这些不重叠的转录效应可能反映了当前疗法未针对的残留疾病机制，这些机制可能通过未来的联合疗法来治疗对当前护理标准无反应的患者。

图 3：根据治疗和遗传力富集对 DKD 肾病特征进行校正的 DKD 疾病基因

有多种方法可以有效地挖掘研究人员的单细胞图谱。例如，研究人员研究的大规模允许在肾小球内构建详细的细胞间通信网络。这表明 DKD 诱导的 GEC 到足细胞 BMP-6 信号传导。作为转化生长因子-β 超家族的成员，BMP-6 发挥组织和细胞特异性作用。在肝脏中，内皮衍生的 BMP-6 以旁分泌方式激活肝细胞铁调素转录，从而维持铁稳态。BMP-6 的整体缺失加剧了肾纤维化，表明其在 DKD 中的诱导可能起到保护作用。

图 4：根据细胞类型和受损近曲小管与其他细胞类型之间的细胞间通讯，通过处理归一化的差异表达基因

像这样的细胞特异性 DEG 分析的一个主要挑战是区分导致 DKD 表型的基因表达与结果的基因表达。研究人员试图通过比较 S1 和 S2 片段对 SGLT2i 的反应来解决这个问题，推理 SGLT2i 靶向 S1 而不是 S2，因此早期转录变化可能反映了该药物类别诱导的最接近的信号传导事件。该分析表明 SGLT2i 诱导饥饿模拟和缺氧反应。该分析产生的一个假设是 SGLT2i 部分通过调节 S1 段中的可变剪接来实现其保护作用。这是因为 SGLT2 抑制特异性上调了两个剪接体基因 Srsf5 和 Srsf7，这两个基因先前已被证明可调节炎症和代谢。可变剪接通过从一个基因产生多个变体 mRNA 来增加转录本的多样性，约 95% 的多外显子基因经历可变剪接。研究人员发现 Srsf7 敲低促进促炎 PT 转录状态强烈支持选择性剪接在 DKD 发病机制和介导 SGLT2 抑制的保护作用中的作用。为了支持这一假设，胰岛素本身在某些情况下调节选择性剪接，肥胖和 DKD 的 ZSF1 大鼠模型都与可变剪接有关。

原文链接：https ://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.05.010

转自：生物医学科研之家

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