Nature Metabolism：“微小但强大”的基因片段的重要功能

微外显子是基因的微小片段，只有3-27个核苷酸长，在神经元细胞中起着“微小但强大”的作用。通过RNA剪接，微外显子以高度精确的方式雕刻蛋白质表面，对神经系统的蛋白质进行显微手术。根据《自然代谢》杂志的一项新研究，微外显子对胰腺功能和调节血糖水平也至关重要。这些微外显子位于100多个基因上，其中包括一些对胰岛素分泌和2型糖尿病风险至关重要的基因。研究人员认为，这一发现可能会导致新的高精度治疗2型糖尿病的方法，例如重新利用现有的治疗方法，已经利用RNA剪接机制来治疗其他类型的疾病。

　　

   

   

图片显示的是小鼠的胰岛，这是一种特殊的组织，承载着β细胞。在左侧，健康的胰岛具有典型的形态，α细胞位于胰岛外围，β细胞位于胰岛核心。在右边，Srrm3突变的小鼠破坏了细胞调节微外显子inclusion的能力，导致胰岛形态和细胞特性改变。这种和其他功能的改变最终会影响胰岛素的释放和控制血糖水平的能力。    

图源:Jonas Juan Mateu/基因组调控中心

当细胞复制DNA以产生RNA转录物时，它们只包含一些称为外显子的遗传物质块，而将其余部分丢弃。由此产生的产物是一个完全成熟的RNA分子，可以用作构建蛋白质的模板。

基因表达的特征之一是，通过一个被称为选择性剪接的过程，细胞可以选择不同的外显子组合来制造不同的RNA转录本。就像电影制片人制作电影的普通版和导演剪辑版一样，包括或不包括单个外显子可以导致产生不同功能的蛋白质。

生物体利用可变剪接来实现复杂的功能。不同组织中不同类型的细胞从同一基因中产生不同的RNA转录本。了解这一过程是如何工作的，为人类发展、健康和疾病提供了新的线索，并为新的诊断和治疗靶点铺平了道路。

近年来，研究人员发现了微外显子（microexons，生物通注），这是一种蛋白质编码DNA序列。微外显子只有3到27个核苷酸长，比平均外显子短得多，平均大小约为150个核苷酸。从果蝇到哺乳动物，许多不同物种中都存在微外显子，这表明它们具有重要的功能，因为它们在自然选择中被保守了数亿年之久。

在人类中，大多数微外显子只存在于神经元细胞中，在那里微小的基因片段发挥着巨大的作用。例如，最近的研究表明，它们对光感受器的发育至关重要，光感受器是视网膜上一种特殊类型的神经元。研究还表明，微外显子活动的改变在自闭症患者的大脑中很常见，这表明这些微小的基因片段在自闭症的临床特征中起着重要作用。

“微外显子是一小段DNA片段，它编码一些氨基酸，氨基酸是蛋白质的组成部分。虽然我们不知道其中的确切作用机制，但在剪接过程中加入或排除少数这些氨基酸，会以高度精确的方式雕刻蛋白质表面。因此，微外显子剪接可以被视为一种对神经系统中的蛋白质进行显微手术的方法，改变它们与神经元高度特化突触中其他分子的相互作用，”ICREA研究教授Manuel Irimia博士解释说，他是基因组调控中心(CRG)的研究员，探索微外显子的功能作用。

由CRG的Irimia博士和ICREA研究教授Juan Valcárcel领导的研究小组现在发现，微外显子也存在于另一种类型的细胞中，这种细胞在复杂的组织和器官中执行高度专业化的功能——胰腺中的内分泌细胞。微外显子剪接在胰岛普遍存在，胰岛是制造胰岛素的β细胞的宿主组织。研究结果发表在《自然代谢》杂志上。

研究人员在研究选择性剪接在胰岛生物学和血糖水平维持中的作用时获得了这一发现。他们研究了来自不同人类和啮齿动物组织的RNA序列数据，特别是寻找与其他组织相比，胰岛中剪接不同的外显子。

数据显示，在胰岛特异性富集的外显子中，有一半是微外显子，几乎所有的微外显子也都存在于神经元细胞中。这一发现与胰岛细胞通过借用神经元细胞的调节机制而进化的观点一致。

从发现的100多个胰岛微外显子中，大多数位于对胰岛素分泌至关重要的基因上，或与2型糖尿病风险有关。该研究还揭示了RNA转录物中的微外显子是由SRRM3控制的，SRRM3是一种与RNA分子结合的蛋白质，由SRRM3基因编码。该研究的作者表明，高血糖水平既会诱导SRRM3的表达，也会诱导微外显子的包含，这暗示了微外显子剪接的调控可能在维持血糖水平方面发挥作用。

为了进一步了解胰岛微外显子的影响，研究人员使用实验室培养的人类β细胞进行了各种功能实验，以及用缺乏SRRM3基因的小鼠进行体内和体外实验。

他们发现，消耗SRRM3或抑制单个微外显子会导致β细胞胰岛素分泌受损。在小鼠中，微外显子剪接的改变改变了胰岛的形状，最终影响胰岛素的释放。

研究人员与同样在CRG的Jorge Ferrer博士的研究小组合作，研究糖尿病患者和非糖尿病患者的遗传和RNA转录数据，并探索微外显子与人类代谢障碍之间的可能联系。他们发现，影响微外显子inclusion的基因变异与空腹血糖水平的变化和2型糖尿病风险有关。他们还发现，2型糖尿病患者胰岛中的微外显子水平较低。

这项研究的发现为探索通过调节剪接来治疗糖尿病的新治疗策略铺平了道路。“在这里，我们表明胰岛微外显子在胰岛功能和葡萄糖稳态中发挥重要作用，可能有助于2型糖尿病易感性。因此，微外显子可能是治疗2型糖尿病功能失调β细胞的理想治疗靶点，”该研究的第一作者、CRG的博士后研究员Jonas Juan Mateu博士解释说。

“广泛的剪接调节剂可用于治疗各种人类疾病。八年前，当我第一次开始研究胰岛的剪接时，我想知道现有的剪接调节剂是否可以用于糖尿病。我认为我们离这个目标又近了一步，”Juan Mateu博士补充道。

虽然这项工作表明微外显子在胰岛生物学中的重要性，但还需要进一步的工作来确定它们在组织发育过程中的确切影响。研究人员还缺乏关于每个微外显子如何改变蛋白质功能并影响胰岛细胞的关键通路的机制见解。了解这一点将有助于阐明它们在糖尿病和其他与胰岛有关的代谢疾病中的确切生理作用。

这项研究进一步证明，微外显子在人类发育、健康和疾病中起着至关重要的作用。Irimia博士解释说:“在我们首次报道微外显子的存在后不到10年，我们看到了微外显子是如何在细胞中改变蛋白质相互作用的关键元素，这些功能需要高度的专业化，如神经递质或胰岛素释放和光转导。”

“因此，我们预计微外显子的突变会导致我们尚未了解其遗传原因的疾病。我们正在开始在患有神经发育和代谢障碍以及视网膜病的患者身上寻找这些突变，然后设计出可能的干预措施来治疗它们，”他总结道。

文章标题

Pancreatic microexons regulate islet function and glucose homeostasis