Integrating genetics with single-cell multiomic measurements across disease states identifies mechanisms of beta cell dysfunction in type 2 diabetes

生物 染色质 2型糖尿病 遗传学 基因 转录组 电池类型 表型 β细胞 计算生物学 基因表达 细胞 小岛 糖尿病 内分泌学
作者
Gaowei Wang,Joshua Chiou,Chun Zeng,Michael Miller,Ileana Matta,Jee Yun Han,Nikita Kadakia,Mei-Lin Okino,Elisha Beebe,Medhavi Mallick,Joan Camuñas-Soler,Theodore dos Santos,Xiao-Qing Dai,Cara E. Ellis,Yan Hang,Seung K. Kim,Patrick E. MacDonald,Fouad Kandeel,Sebastian Preißl,Kyle J. Gaulton
出处
期刊:Nature Genetics [Springer Nature]
卷期号:55 (6): 984-994 被引量:51
标识
DOI:10.1038/s41588-023-01397-9
摘要

Dysfunctional pancreatic islet beta cells are a hallmark of type 2 diabetes (T2D), but a comprehensive understanding of the underlying mechanisms, including gene dysregulation, is lacking. Here we integrate information from measurements of chromatin accessibility, gene expression and function in single beta cells with genetic association data to nominate disease-causal gene regulatory changes in T2D. Using machine learning on chromatin accessibility data from 34 nondiabetic, pre-T2D and T2D donors, we identify two transcriptionally and functionally distinct beta cell subtypes that undergo an abundance shift during T2D progression. Subtype-defining accessible chromatin is enriched for T2D risk variants, suggesting a causal contribution of subtype identity to T2D. Both beta cell subtypes exhibit activation of a stress-response transcriptional program and functional impairment in T2D, which is probably induced by the T2D-associated metabolic environment. Our findings demonstrate the power of multimodal single-cell measurements combined with machine learning for characterizing mechanisms of complex diseases. Single-cell multiomic and functional characterization of human pancreatic islets identifies two beta cell subtypes correlated with type 2 diabetes progression that exhibit distinct gene regulatory programs and electrophysiological phenotypes.
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