Хорошоо известно, что дисфункция beta клеток, особенно неспособность beta клеток собственно секретировать инсулин в ответ на высокие уровни глюкозы в крови, является наиболее ранним клиническим проявлением в процессе развития T2D (Ferrannini, 2010). Способностью, ощущать уровни глюкозы и увязывать эту информацию с секреторным инсулиновым ответом, наделены beta клетки благодаря специализированным транспортерам и энзимам. Хотя механизмы, которые лежат в основе обуславливаемой глюкозой секреции инсулина, довольно хорошо известны, но остается неясным, какие регуляторы транскрипции инициируют и поддерживают экспрессию генов, которые позволяют beta клеткам осуществлять свою чрезвычайно специализированную функцию. В данном исследовании мы показали, что транскрипционный фактор Nkx6.1 является главным регулятором генов, которые предопределяют функциональное состояние beta клеток, эта роль согласуется с его исключительной экспрессией в beta клетках поджелудочной железы взрослых.

Мы показали, что кондиционная инактивация Nkx6.1 в beta клетках взрослых мышей ведет к сахарному диабету в течение дней после удаления Nkx6.1. Потеря активности Nkx6.1 оказывает непосредственный и драматический эффект на экспрессию генов, которые придают beta клеткам их уникальную способность синтезировать и высвобождать инсулин регулируемым способом. Мы установили, что гены, участвующие в биосинтезе инсулина (Slc30a8 и Ero1lb), импорте глюкозы (Glut2) и метаболизме глюкозы (Pcx) являются непосредственными транскрипционными генами мишенями для Nkx6.1. Кроме того, устранение Nkx6.1 косвенно влияет на экспрессию многочисленных генов, которые важны для функции beta клеток м что интересно, также для пролиферации beta клеток (Figure 7). Находка, что уровни островкового Ccnd2 и пролиферация beta клеток снижены у кондиционных мутантных Nkx6.1 мышей, оказалось до некоторой степени неожиданностью, поскольку некоторые исследования показали, что гипергликемия оказывает стимулирующий эффект на экспрессию в beta клетках Ccnd2 и их самообновление (Alonso et al., 2007; Bonner-Weir et al., 1989; Salpeter et al., 2011). Мы установили, что снижение функциональности beta клеточного митогена инсулина (Paris et al., 2003) не вносит очевидного вклада в снижение пролиферативной способности beta клеток после устранения Nkx6.1. Вместо этого наши результаты показали, что пролиферативная способность дефицитных по Nkx6.1 beta клеток ограничивается за счет снижения внутриклеточной функции глюкозы из-за потери экспрессии Glut2 (Figure 7). Эти находки демонстрируют внутреннюю связь между способностью beta клеток импортировать глюкозу и их пролиферативной способностью, это ведет к дальнейшему подтверждению недавней концепции, что метаболизм глюкозы играет критическую роль в регуляции пролиферации beta клеток (Porat et al., 2011; Salpeter et al., 2010, 2011). В комбинации с находкой, что уровни Nkx6.1 понижены у T2D моделей метаболических стрессов (Talchai et al., 2012), наша работа подтверждает, что Nkx6.1 действует как метаболический сенсор, который модулирует как секрецию инсулина, так и пролиферативную способность в ответ на метаболические стрессы. С помощью предупреждения пролиферации beta клеток, которые теряют чувствительность к глюкозе, клеточно автономная связь между импортом глюкозы в beta клетки и их пролиферацией может представлять наследуемый механизм селекции здоровых beta клеток.

Наше исследование также примирило ранее описанные противоречивые находки о роли Nkx6.1 в пролиферации beta клеток. Мы недавно установили, что избыточная экспрессия трансгена Nkx6.1 в beta клетках взрослых мышей in vivo не оказывает позитивного эффекта на пролиферацию beta клеток или массу beta клеток (Schaffer et al., 2011). Напротив, вирусом обусловленная экспрессия Nkx6.1 в культивируемых островках вызывала пролиферативную активность (Schisler et al., 2008). Возможным объяснением этому противоречию является то, что культура in vitro островков нарушает уровни экспрессии Nkx6.1. Известно, что как только они удаляются из своих ниш и помещаются в культуру, то beta клетки быстро теряют экспрессию Glut2 и прекращают пролиферацию (Weinberg et al., 2007), указывая тем самым, что экспрессия вышестоящих регуляторов Glut2, включая Nkx6.1, также нарушена. Т.о., наблюдаемый пролиферативный эффект Nkx6.1 in vitro может быть объяснен экспрессией вирусами Nkx6.1 , восстанавливающей пониженные уровни Nkx6.1 и, в свою очередь, также уровни Glut2 и Ccnd2 в культивируемых островках. Напротив, повышенные уровни Nkx6.1 выше нормы в здоровых beta клетках in vivo, по-видимому, не оказывают дальнейшего стимулирующего эффекта на импорт глюкозы и пролиферацию beta клеток.

После делеции Nkx6.1, мы наблюдали чрезвычайно быстрое снижение содержания инсулина, при этом потеря инсулина не сопровождалась гибелью beta клеток, демонстрируя сильное сходство между дефицитными по Nkx6.1 beta клетками и ''пустыми'' beta клетками, наблюдаемыми у мышей, моделирующих T2D (Talchai et al., 2012). Более того, как сообщалось, в условиях метаболического стресса (Talchai et al., 2012), мы установили, что пониженная экспрессия Nkx6.1 сопровождается также дерепрессией маркера клеток эндокринных предшественников Ngn3. Базируясь на наблюдении, что beta клетки подвергаются изменению судьбы в не-beta эндокринные типы клеток у T2D моделей (Talchai et al., 2012), потеря признаков beta клеток и избыточная экспрессия Ngn3, как полагают, делают beta клетки пластичными и и более склонными к изменению своих качественных особенностей. В соответствии с этим мнением, мы наблюдали, что субнабор Nkx6.1-дефицитных beta клеток эктопически экспрессирует somatostatin спустя 8 недель после делеции Nkx6.1. Ранее мы показали при отслеживании клонов, что делеция Nkx6.1 в эмбриональных beta клетках ведет к быстрому переключению судеб с beta-на-delta клетки (Schaffer et al., 2013). Однако превращение beta клеток в др. не-beta эндокринные типы клеток не наблюдается после инактивации Nkx6.1 в эмбриональных beta клетках. Сходным образом, после делеции Nkx6.1 в beta клетках взрослых, мы наблюдали совместную экспрессию инсулина исключительно со somatostatin, но не с др. панкреатическими гормонами. Т.о., потеря Nkx6.1 ведет к избирательной дерепрессии генов delta клеток как в эмбриональных, так и во взрослых beta клетках. Однако превращение судьбы более полное и происходит более быстро, когда Nkx6.1 инактивирован в незрелых beta клетках. Следовательно, последовательная потеря признаков beta клеток предшествует принятию альтернативной судьбы эндокринных клеток, наблюдаемому после инактивации Nkx6.1 у взрослых, в точности отображает постепенную потерю функциональной массы beta клеток, наблюдаемую у моделей T2D (Talchai et al., 2012).

Наше исследование подтвердило концепцию, что транскрипционные факторы, такие как Nkx6.1 и FoxO1 (Talchai et al., 2012), являются критическими для поддержания beta клеток в их дифференцированном состоянии. Ключевым вопросом, который нуждается в дальнейшем исследовании, является может ли дестабилизированное состояние beta клеток, наблюдаемое у человека, вносить возможный вклад в патогенез T2D. Наблюдение, что экспрессия NKX6.1 снижается в beta клеток у пациентов с T2D (Guo et al., 2013) подтверждает, что находки у грызунов могут, в самом деле, иметь значение для болезней у человека. Необходимы дальнейшие исследования для выяснения, какие аспекты фенотипа у грызунов обнаруживаются и у людей и как потеря признаков beta клеток связана с прогрессированием болезни. Такое знание поможет идентифицировать период терапевтического вмешательства, во время которого функциональное состояние beta клеток может быть восстановлено прежде, чем beta клетки превратятся в др. типы эндокринных клеток.