Mutations in a single gene, HNF1A, are known to cause MODY3, a rare, early onset form of diabetes. Smaller scale mutations in the very same gene are also common and quietly nudge millions of people toward type-2 diabetes. A study published today in Cell Metabolism reveals why.

Researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona show it’s fundamentally a problem of insulin-producing βcells. Using mouse models, they switched HNF1A off in different tissues and cell types including the liver, the gut and both α and βcells in the pancreas, one at a time. Blood glucose levels were only affected when the gene was deleted in βcells.

HNF1A is a known transcription factor, meaning its job is to bind to DNA and finetune the expression of other genes. The study found that deleting HNF1A in either human or mouse βcells affected the expression of more than one hundred genes, many of which encode for the molecular parts required to transport and release insulin.

The team also found that one of the direct targets of HNF1A happens to be A1CF, a second gene which assembles (or splices) RNA molecules before they’re turned into proteins. When HNF1A is mutated, A1CF levels collapse and the βcell’s RNA molecules are scrambled on a massive scale, accumulating between 1,900 and 2,300 different RNA splicing mistakes.

“When HNF1A fails, two things go wrong at once. Hundreds of genes that depend on it begin to work incorrectly. That alone is enough to weaken insulin secretion, but the loss of A1CF means that the RNAs that are still made now get spliced incorrectly. Both layers matter, but the first hit is broader and sets the stage while the second piles on extra dysfunction,” says Matías Gonzalo De Vas, co-first author of the study.

Studying human pancreatic cells painted a similar picture. In healthy donors, a robust population of βcells buzzed with HNF1A and A1CF activity, but in donors with type-2 diabetes, researchers observed a major increase in populations of cells with low HNF1A and A1CF activity.

“In people with type-2 diabetes, for every high-functioning βcell we found about eight low-functioning ones, while healthy donors had a healthier ratio of one to one. It’s a dramatic shift that shows how a single mutation can cascade into the loss of function of entire tissues and organs,” says Edgar Bernardo, co-first author of the study.

The discoveries made by the study offer a new druggable foothold for diabetes, both for MODY3, which affects around 0.03% of the general population, and type-2 diabetes, which has become so widespread that more than one in nine adults, around 600 million people worldwide, now live with the disease.

Diseases like spinal muscular dystrophy have become treatable by fixing scrambled RNA messages. Because the diabetes defect uncovered here is an RNA splicing problem, the same strategy could, in principle, be used to “re‑edit” β‑cell RNA molecules, tackling one of the root causes of the disease.

“Existing therapies for diabetes try to lower blood sugar with different strategies without correcting underlying defects. The RNA defects we found are patchable, offering a rare, clear target for an incredibly complex disease,” explains Dr. Jorge Ferrer, corresponding author of the study and researcher at the Centre for Genomic Regulation and CIBERDEM. 

However, type-2 diabetes is driven by many genes and lifestyle factors.

“We can now say this defective program has a causal contribution,” says Dr. Ferrer, “but there are other molecular defects that also need to be addressed. This is only one piece of a larger puzzle that we’ll also have to solve.”

His research group next plans to build what he calls a molecular parts list of the genetic chain of command, hoping to flag every possible protein and RNA molecule that could serve as a potential drug target.

“The goal is to pinpoint the most practical targets for new β‑cell therapies, so we can translate these insights into effective treatments,” concludes Dr. Ferrer. 

EN CASTELLANO

El ARN desordenado empuja a millones de personas hacia la diabetes tipo 2 

Las mutaciones en un único gen, HNF1A, se sabe que provocan MODY3, una forma rara y de aparición temprana de diabetes. Alteraciones de menor escala en ese mismo gen son frecuentes y, de forma discreta, predisponen a millones de personas a desarrollar diabetes tipo 2. Un estudio que se publica hoy en Cell Metabolism desvela la razón de este fenómeno.

Un equipo del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona demuestra que la raíz del problema se encuentra, de manera fundamental, en las células β productoras de insulina. Mediante modelos de ratón, se inactivó HNF1A en distintos tejidos y tipos celulares, el hígado, intestino y las células α y β pancreáticas, de forma individual. Los niveles de glucosa sanguínea solo resultaban alterados cuando el gen se eliminaba en las células β.

HNF1A es un factor de transcripción, es decir, su función consiste en unirse al ADN y ajustar la expresión de otros genes. El trabajo muestra que la supresión de HNF1A en células β humanas o murinas afecta a la expresión de más de un centenar de genes, muchos de los cuales codifican componentes moleculares necesarios para el transporte y la liberación de insulina.

Asimismo, el equipo constató que uno de los objetivos directos de HNF1A es A1CF, un segundo gen encargado de ensamblar (o hacer splicing) las moléculas de ARN antes de traducirse en proteínas. Cuando HNF1A está mutado, los niveles de A1CF se desploman y las moléculas de ARN de la célula β se desordenan de forma caótica, acumulándose entre 1.900 y 2.300 errores de splicing diferentes.

“Cuando HNF1A falla, dos cosas salen mal al mismo tiempo. Cientos de genes que dependen del gen comienzan a funcionar incorrectamente. Eso, por sí solo, basta para debilitar la secreción de insulina, pero la pérdida de A1CF implica que los ARN que aún se producen ahora se ensamblan de forma incorrecta. Ambos factores importan, pero el primer golpe es más amplio y prepara el terreno, mientras que el segundo añade disfunción adicional”, afirma Matías Gonzalo De Vas, coprimer autor del estudio.

El análisis de células pancreáticas humanas ilustró un panorama similar. En donantes sanos se observó una población robusta de células β con elevada actividad de HNF1A y A1CF, mientras que en donantes con diabetes tipo 2 se detectó un aumento significativo de poblaciones celulares con baja actividad de ambos genes.

“En personas con diabetes tipo 2, por cada célula β de alto rendimiento encontramos unas ocho de bajo rendimiento, mientras que los donantes sanos mostraban una proporción más equilibrada de una a una. Es un cambio drástico que demuestra cómo una sola mutación puede desencadenar la pérdida de función de tejidos y órganos enteros”, señala Edgar Bernardo, coprimer autor del trabajo.

Los hallazgos ofrecen nuevas dianas terapéuticas de intervención tanto para MODY3, que afecta en torno al 0,03 % de la población, como para la diabetes tipo 2, una enfermedad tan extendida que uno de cada nueve adultos, unos 600 millones de personas en todo el mundo, convive ya con ella.

Patologías como la atrofia muscular espinal han pasado a ser tratables corrigiendo mensajes de ARN desordenados. Dado que el defecto descrito en el estudio radica en el splicing del ARN, la misma estrategia podría, en principio, emplearse para “reeditar” las moléculas de ARN de las células β y atacar así una de las causas primarias de la enfermedad.

“Las terapias existentes para la diabetes tratan de disminuir la glucemia sin corregir los defectos subyacentes. Las anomalías de ARN que hemos encontrado son subsanables y ofrecen un objetivo claro, algo poco habitual en una enfermedad increíblemente compleja”, explica el Dr. Jorge Ferrer, autor principal del estudio e investigador del Centro de Regulación Genómica y de CIBERDEM.

No obstante, la diabetes tipo 2 está impulsada por múltiples genes y factores relacionados con el estilo de vida.

“Podemos afirmar que este programa defectuoso tiene una contribución causal”, dice el Dr. Ferrer, “pero existen otros fallos moleculares que también deben abordarse. Este es solo un elemento de un rompecabezas mayor que también habrá que resolver”.

Su grupo de investigación planea ahora elaborar lo que denomina una lista de piezas moleculares en la cadena de mando genética, con la esperanza de identificar todas las proteínas y moléculas de ARN susceptibles de convertirse en dianas terapéuticas.

“El objetivo es señalar los blancos más prácticos para nuevas terapias dirigidas a las células β, de modo que podamos traducir estos hallazgos en tratamientos eficaces”, concluye el Dr. Ferrer. 

EN CATALÀ

L'ARN desordenat empeny milions de persones cap a la diabetis tipus 2  

Les mutacions en un únic gen, HNF1A, se sap que provoquen MODY3, una forma rara i d'aparició primerenca de diabetis. Alteracions de menor escala en aquest mateix gen són freqüents i, de forma discreta, predisposen milions de persones a desenvolupar diabetis tipus 2. Un estudi que es publica avui a Cell Metabolism desvetlla la raó d'aquest fenomen.

Un equip del Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona demostra que l'arrel del problema es troba, de manera fonamental, en les cèl·lules β productores d'insulina. Mitjançant models de ratolí, es va inactivar HNF1A en diferents teixits i tipus cel·lulars, el fetge, intestí i les cèl·lules α i β pancreàtiques, de forma individual. Els nivells de glucosa sanguínia només resultaven alterats quan el gen s'eliminava a les cèl·lules β.

HNF1A és un factor de transcripció, és a dir, la seva funció consisteix a unir-se a l'ADN i ajustar l'expressió d'altres gens. El treball mostra que la supressió d'HNF1A en cèl·lules β humanes o murines afecta l'expressió de més d'un centenar de gens, molts dels quals codifiquen components moleculars necessaris per al transport i l'alliberament d'insulina.

Així mateix, l'equip va constatar que un dels objectius directes d'HNF1A és A1CF, un segon gen encarregat d'assemblar (o fer splicing) les molècules d'ARN abans de que es tradueixin en proteïnes. Quan HNF1A està mutat, els nivells d'A1CF es desplomen i les molècules d'ARN de la cèl·lula β es desordenen de forma caòtica, acumulant-se entre 1.900 i 2.300 errors d’splicing diferents.

"Quan HNF1A falla, dues coses surten malament alhora. Centenars de gens que depenen del gen comencen a funcionar incorrectament. Només amb això, n'hi ha prou per debilitar la secreció d'insulina, però la pèrdua d'A1CF implica que els ARN que encara es produeixen ara s'assemblen de forma incorrecta. Tots dos factors importen, però el primer cop és més ampli i prepara el terreny, mentre que el segon afegeix disfunció addicional", afirma Matías Gonzalo De Vas, coprimer autor de l'estudi.

L'anàlisi de cèl·lules pancreàtiques humanes va il·lustrar un panorama similar. En donants sans es va observar una població robusta de cèl·lules β amb elevada activitat d'HNF1A i A1CF, mentre que en donants amb diabetis tipus 2 es va detectar un augment significatiu de poblacions cel·lulars amb baixa activitat de tots dos gens.

"En persones amb diabetis tipus 2, per cada cèl·lula β d'alt rendiment en trobem unes vuit de baix rendiment, mentre que els donants sans mostraven una proporció més equilibrada d'una a una. És un canvi dràstic que demostra com una sola mutació pot desencadenar la pèrdua de funció de teixits i òrgans sencers", assenyala Edgar Bernardo, coprimer autor del treball.

Les troballes ofereixen noves dianes terapèutiques d'intervenció tant per a MODY3, que afecta al voltant del 0,03 % de la població, com per a la diabetis tipus 2, una malaltia tan estesa que un de cada nou adults, uns 600 milions de persones a tot el món, ja conviu amb ella.

Patologies com l'atròfia muscular espinal han passat a ser tractables corregint missatges d'ARN desordenats. Atès que el defecte descrit en l'estudi rau en l'splicing de l'ARN, la mateixa estratègia podria, en principi, emprar-se per "reeditar" les molècules d'ARN de les cèl·lules β i atacar així una de les causes primàries de la malaltia.

"Les teràpies existents per a la diabetis tracten de disminuir la glucèmia sense corregir els defectes subjacents. Les anomalies d'ARN que hem trobat són esmenables i ofereixen un objectiu clar, fet poc habitual en una malaltia increïblement complexa", explica el Dr. Jorge Ferrer, autor principal de l'estudi i investigador del Centre de Regulació Genòmica i de CIBERDEM.

No obstant això, la diabetis tipus 2 està impulsada per múltiples gens i factors relacionats amb l'estil de vida.

"Podem afirmar que aquest programa defectuós té una contribució causal", diu el Dr. Ferrer, "però hi ha altres fallades moleculars que també s'han d'abordar. Aquest és només un element d'un trencaclosques més gran que també caldrà resoldre".

El seu grup de recerca planeja ara elaborar el que denomina una llista de peces moleculars en la cadena de comandament genètica, amb l'esperança d'identificar totes les proteïnes i molècules d'ARN susceptibles de convertir-se en dianes terapèutiques.

"L'objectiu és assenyalar els blancs més pràctics per a noves teràpies dirigides a les cèl·lules β, de manera que puguem traduir aquestes troballes en tractaments eficaços", conclou el Dr. Ferrer.