Integration of genetic and chemical screens to discover targeted therapies for HNF1 A-deficient diabetes

Abstract

HNF1A encodes a key transcription factor in insulin-secreting beta cells from pancreatic islets. Heterozygous mutations in HNF1A cause monogenic diabetes, and hypomorphic variants in HNF1A increase the risk for type 2 diabetes (T2D), whereas gain-of-function variants are protective. Hence, stimulating HNF1A function represents a promising therapeutic strategy. To test this, I first generated a model of HNF1A-deficient diabetes using human pluripotent stem-cell‒derived islets to identify genome-wide HNF1A direct targets. I then showed that re-expressing HNF1A in such model rescued key HNF1A targets and improved beta cell function. Next, I performed genome-wide CRISPR screens in human beta cells and I integrated the results with a repurposing drug screen to uncover targetable pathways that regulate HNF1A expression, including calcium channel activity. Gene co-expression analyses in primary human islet single cells and T2D genetic association signals provided orthogonal evidence for the relevance of many HNF1A regulators. This thesis work elucidates gene regulatory networks that are critical for human beta cell function, and provides a disease model to test their potential as targets for disease-modifying therapies for diabetes.

HNF1A codifica un factor de transcripción clave para las células beta que secretan insulina en los islotes pancreáticos. Mutaciones heterocigotas en HNF1A causan diabetes monogénica, y variantes hipomórficas en HNF1A aumentan el riesgo de diabetes tipo 2 (DT2), mientras que variantes que aumentan la función de HNF1A son protectoras. Por tanto, estimular la función de HNF1A representa una estrategia terapéutica prometedora. Para testarlo, generé un modelo de diabetes con deficiencia de HNF1A utilizando islotes pancreáticos derivados de células madre pluripotentes humanas para identificar las dianas transcripcionales de HNF1A. Luego, demostré que la re-expresión de HNF1A en este modelo permitía rescatar dianas clave de HNF1A y mejorar la función de las células beta. Después, realicé un escáner del genoma en células beta humanas e integré los resultados con un cribado de alto rendimiento de fármacos para descubrir mecanismos que regulasen la expresión de HNF1A, como la actividad de los canales de calcio. Además, un análisis de co-expresión génica en células beta de islotes pancreáticos y de los genes asociados al riesgo de DT2 aportó evidencia independiente de la relevancia de muchos reguladores de HNF1A. Esta investigación revela redes de regulación génica importantes para la función de las células beta humanas, y proporciona un modelo de enfermedad que permitirá testar el potencial de las mismas para desarrollar terapias que corrijan los mecanismos moleculares de la diabetes.