Pax4 is a key transcription factor that regulates pancreas development and β-cell differentiation. It has been reported that PAX4 amino acid variants, Arg192His (R192H) and Arg192Ser (R192S), were associated with increased risk of type2 diabetes (T2D) in Korean. This study aims to unveil the mechanism underlying PAX4 R192H variant-related T2D phenotypes. For human studies, we analyzed 4,610 participants without T2D at baseline from Ansung-Ansan Cohort with oral glucose tolerant tests taken biennially for 14 years. Animal model of human PAX4 R192H variant was generated by knock-in of point mutation in Pax4 gene locus. PAX4WT/WT (PAX4 WT) and PAX4R192H/R192H (PAX4 R192H) mice were fed either standard chow diet (SCD) or high-fat diet (HFD) and the phenotypes were determined by metabolic and histological analyses. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) was performed using isolated mouse pancreatic islets. Carriers of PAX4 variants showed a faster decline of disposition index compared to non-carriers, which was driven by a significant difference in the trajectory of the insulinogenic index but not the insulin sensitivity index. PAX4 R192H mice also showed early impairment of both glucose tolerance and glucose-stimulated insulin secretion compared to PAX4 WT mice during the period of HFD feeding, while HFD-induced β-cell proliferation was delayed in PAX4 R192H mice. Islet scRNA-seq data further revealed aberrant upregulation of ER-stress response genes and concomitant downregulation of genes governing β-cell function in β-cells of PAX4 R192H mice after 4 weeks of HFD feeding, indicating altered response of β-cell to metabolic stress. People who have PAX4 amino acid variants exhibited early impairment of β-cell functions before onset of diabetes. Mice with PAX4 R192H variant showed aberrant response of β-cell to HFD-induced metabolic stress. These findings suggest that the susceptibility of PAX4 R192H variant to T2D could be attributed to the early loss of β-cell function in response to metabolic stress.
Pax4는 췌장 발달과 베타세포 분화를 조절하는 주요 전사 인자이다. 한국인에게서 PAX4 아미노산 변이인 Arg192His (R192H)와 Arg192Ser (R192S)가 제 2형 당뇨병 발병 위험 증가와 관련되었다고 보고되었다. 이 연구는 PAX4 R192H 변이와 관련된 제 2형 당뇨병 표현상의 기전을 밝히기 위한 것이다. 임상 연구에서는 제 2형 당뇨병이 없는 4,610명의 참가자를 대상으로 안성-안산 코호트에서 14년간 매 2년마다 실시한 경구 포도당 내성 검사를 분석했다. 인간 PAX4 R192H 변이의 동물 모델은 Pax4 유전자 위치에 포인트 돌연변이를 도입하여 만들었다. PAX4WT/WT (PAX4 WT) 및 PAX4R192H/R192H (PAX4 R192H) 마우스는 표준 사료 또는 고지방식이로 길러지고 대사 및 조직학적 분석을 통해 형질을 결정했다. 단일 세포 RNA 시퀀싱 (scRNA-seq)은 분리된 마우스 췌장 베타 세포로 진행했다. Pax4 변이체 보유자는 비보유자와 비교하여 베타세포 기능이 빠르게 감소되는 것을 확인했으며, 이는 인슐리노젠 급증 지수의 궤적에서 유의한 차이로 나타났다. PAX4 R192H 마우스도 고지방식이 급여 기간 동안 PAX4 WT 마우스와 비교하여 포도당 내성 및 포도당 자극 인슐린 분비의 초기 장애를 보여주었으며, 고지방식이 유발 베타세포 증식은 PAX4 R192H 마우스에서 지연되었다. 췌장 세포 scRNA-seq 데이터는 고지방식이 급여 4주 후 PAX4 R192H 마우스의 베타세포에서 대사 스트레스에 대한 이상한 ER 스트레스 반응 유전자의 상승 및 동시에 베타세포 기능을 지배하는 유전자의 억제를 나타내어 이는 대사 스트레스에 대한 베타세포의 변형된 반응을 시사하였다. PAX4 아미노산 변이를 가진 사람들은 당뇨병 발병 이전에 베타세포 기능의 초기 장애를 나타냈으며, PAX4 R192H 변이를 가진 마우스는 고지방식이 유발 대사 스트레스에 대한 베타세포의 이상한 반응을 보여주었다. 이러한 결과는 PAX4 R192H 변이의 제 2형 당뇨병 감수성이 대사 스트레스에 대한 베타세포 기능의 초기 손실과 관련될 수 있음을 보여주었다.
