Il pancreas è un organo addominale che produce enzimi digestivi e ormoni che regolano i livelli di zucchero nel sangue. Questa funzione che produce ormoni è localizzata nelle isole di Langerhans, che costituiscono gruppi di diversi tipi di cellule endocrine. Tra questi ci sono le cellule beta, che producono l’ormone insulina necessario per abbassare i livelli di glucosio (un tipo di zucchero) nel nostro sangue, così come le cellule alfa, che generano l’ormone glucagone incaricato di aumentare i livelli di glucosio nel sangue.
Il diabete di tipo 1 è una malattia cronica in cui il sistema immunitario attacca erroneamente e distrugge le cellule beta che producono insulina del pancreas. La medicina rigenerativa mira a ricostituire la massa cellulare beta e quindi supportare e infine sostituire le attuali terapie di sostituzione dell’insulina. Anche le alterazioni della composizione delle isole, compresa l’insufficiente funzione delle cellule beta e la dedifferenza delle cellule beta, contribuiscono al diabete di tipo II. Pertanto, una comprensione più profonda dell’identità e della diafonia dei diversi tipi di cellule isolane porta a una migliore caratterizzazione di entrambe le forme di diabete e può contribuire allo sviluppo di nuovi concetti terapeutici.
La trascrittomica a singola cellula è una tecnica potente per caratterizzare l’identità cellulare. Precedentemente, i ricercatori del CeMM dei gruppi di Christoph Bock e Stefan Kubicek al CeMM hanno pubblicato i primi trascrittomi a singola cellula da cellule di isole pancreatiche umane primarie ( EMBO Rep . 2016 17 febbraio 2016; (2): 178-87. DOI: 10.15252 / embr.201540946). I progressi nella tecnologia da allora hanno permesso la sua applicazione alla generazione di atlanti globali di trascrittoma a singola cellula umana e di topo. Nonostante questi progressi, gli approcci a singola cellula rimangono tecnologicamente difficili dato che la quantità di RNA minuscola presente è completamente esaurita nell’esperimento. Pertanto, è essenziale garantire la qualità e la purezza dei trascrittomi a singola cellula risultanti.
I ricercatori del CeMM nei due laboratori che hanno contribuito hanno identificato un’espressione ormonale inaspettatamente alta nei tipi di cellule non endocrine, sia nel loro set di dati che in altri studi pubblicati su singole cellule. Hanno deciso di chiarire se questo sarebbe il risultato della contaminazione da molecole di RNA, ad esempio da cellule in via di estinzione, e come potrebbe essere rimosso per ottenere un set di dati più affidabile. Tale contaminazione sembra presente nei dati RNA-seq su singola cellula della maggior parte dei tessuti, ma era più visibile nelle isole pancreatiche. Le cellule endocrine delle isole sono dedicate esclusivamente alla produzione di singoli ormoni e l’insulina nelle cellule beta e il glucagone nelle cellule alfa sono espressi a livelli più alti rispetto ai tipici geni di “pulizia domestica”. Pertanto, la ridistribuzione di queste trascrizioni ad altri tipi di cellule è stata molto pronunciata. Sulla base di questa osservazione,
Nella loro indagine, i ricercatori del CeMM hanno usato cellule appuntite di diversi tipi di cellule, sia di topo che di campioni umani, che hanno aggiunto ai loro campioni di isole pancreatiche. È importante sottolineare che i trascrittomi di queste cellule spike-in erano completamente caratterizzati. Ciò ha permesso loro di controllare internamente e accuratamente il livello di contaminazione dell’RNA nell’RNA-seq a singola cellula, dando che le trascrizioni umane rilevate nelle cellule di picco del mouse costituiscono l’RNA contaminante. In questo modo, hanno scoperto che i campioni avevano un livello di contaminazione fino al 20% e sono stati in grado di definire la contaminazione in ciascun campione. Hanno quindi sviluppato un nuovo approccio bioinformatico per rimuovere computazionalmente le letture contaminanti dai trascrittomi a singola cellula.
Dopo aver ottenuto un trascrittoma “decontaminato”, da cui è stato rimosso il segnale spurio, hanno proceduto a caratterizzare il modo in cui l’identità cellulare nei diversi tipi di cellule ha risposto al trattamento con tre diversi farmaci. Hanno scoperto che un piccolo inibitore della molecola del fattore di trascrizione FOXO1 induce la dedifferenziazione delle cellule alfa e beta. Inoltre, hanno studiato l’artemetere, che è stato scoperto che riduce la funzione delle cellule alfa e potrebbe indurre la produzione di insulina in studi sia in vivo che in vitro (Cell. 2017 12 gennaio; 168 (1-2): 86-100.e15. DOI: 10.1016 / j.cell.2016.11.010). Gli effetti dell’artemetere del farmaco erano specifici della specie e specifici del tipo di cellula. Nelle cellule alfa, una frazione di cellule aumenta l’espressione dell’insulina e acquisisce aspetti dell’identità delle cellule beta, sia nei campioni di topo che umani.
Questo studio è il risultato di una collaborazione interdisciplinare tra i laboratori di Stefan Kubicek e Christoph Bock al CeMM con Patrick Collombat presso l’Istituto di biologia di Valrose (Francia). Questo è il primo studio ad applicare il sequenziamento di singole cellule per analizzare la risposta dinamica del farmaco nel tessuto intatto isolato, che ha beneficiato dell’elevata accuratezza quantitativa del metodo di decontaminazione. Fornisce quindi non solo un nuovo metodo per la decontaminazione a singola cellula e un’analisi altamente quantitativa a singola cellula delle risposte farmacologiche nei tessuti intatti, ma affronta anche un’importante domanda attuale nella biologia delle isole isolette e nella ricerca sul diabete.
Questi risultati potrebbero aprire potenziali strade terapeutiche per curare il diabete di tipo 1 in futuro.