糖尿病是由遺傳和環(huán)境因素之間相互作用引起的,其中Ⅱ型糖尿病往往是由不健康的飲食等生活方式導(dǎo)致,科學(xué)家提出的多種糖尿病干預(yù)策略,重點也集中在改變生活方式和飲食結(jié)構(gòu)上。
本期,小編為您帶來中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所陳雁研究員課題組(博士研究生韋思穎、李晨晨為該論文共同第一作者)的研究成果。文章發(fā)表在Science Bulletin(IF=11.783)上,題目為“Intermittent protein restriction protects islet beta cells and improves glucose homeostasis in diabetic mice”。該研究發(fā)現(xiàn)間歇性蛋白限制(IPR)的飲食方式可以保護(hù)糖尿病小鼠的胰島β細(xì)胞并改善血糖穩(wěn)態(tài),為糖尿病干預(yù)提供了新方法,并利用單細(xì)胞測序技術(shù)對該結(jié)果進(jìn)行了驗證。
烈冰生物參與本研究中的單細(xì)胞測序和數(shù)據(jù)分析工作,下面我們一起了解一下本文的研究思路和數(shù)據(jù)分析過程。
實驗設(shè)計
單細(xì)胞樣本信息
組織類型
小鼠胰島
野生型小鼠(WT):早期db/db小鼠(瘦素受體缺陷小鼠):正常飲食晚期db/db小鼠:3-2-2飲食晚期db/db小鼠=1:1:1:1
單細(xì)胞捕獲平臺
10X Genomics
捕獲細(xì)胞數(shù)
22749個
主要技術(shù)手段
小鼠模型構(gòu)建
單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序
流式細(xì)胞分選
免疫熒光
免疫組化
實時熒光定量分析
結(jié)果分析
已有研究表明:持續(xù)性低蛋白飲食可能會損害免疫和肝功能,并導(dǎo)致蛋白質(zhì)丟失。作者首先利用鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)得到糖尿病小鼠模型,發(fā)現(xiàn)一周內(nèi)3天采用5%的蛋白飲食的IPR可以顯著改善高血糖癥。其次作者分析比較了兩種飲食方式(①. 3-4飲食:低蛋白飲食3天,然后正常飲食4天;②. 3-2-2飲食:低蛋白飲食3天,2天高蛋白飲食和2天正常飲食)對高血糖癥的影響,發(fā)現(xiàn)兩種方式均在一定程度上改善了高血糖癥狀,其中3-2-2飲食方式的效果好于3-4。最后作者檢測了實驗小鼠的糖化血紅蛋白(HbA1c)的水平,并進(jìn)行了葡萄糖耐量試驗(GTT)和胰島素耐量試驗(ITT),發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行飲食干預(yù)后,血液中的HbA1c顯著下降,且顯著改善了小鼠的葡萄糖耐受和胰島素敏感性。這一系列結(jié)果表明間歇性蛋白限制(IPR)飲食可改善小鼠的高血糖癥,干預(yù)糖尿病進(jìn)程。
糖尿病的出現(xiàn)多是由于胰島β細(xì)胞的損傷和外周組織(肝臟和骨骼肌)的胰島素耐受性改變造成的。為探究IPR改善小鼠高血糖癥的原因,作者首先檢測db/db小鼠的胰島素分泌能力,發(fā)現(xiàn)3-2-2進(jìn)食可恢復(fù)胰島β細(xì)胞的功能,改善胰島素的分泌。其次,免疫熒光實驗和EdU(一種胸腺嘧啶核苷類似物)插入法分析了胰島細(xì)胞的增殖狀態(tài),發(fā)現(xiàn)間歇性飲食方式使得胰島β細(xì)胞數(shù)量增加。
此外,作者發(fā)現(xiàn)在db/db小鼠中3-2-2和3-4進(jìn)食均降低了PEPCK(一種糖異生限速酶)的表達(dá),這表明糖異生途徑受到抑制。在野生型小鼠中采用3-2-2飲食方式降低了肝臟中的PEPCK蛋白水平,并且增強(qiáng)了骨骼肌中胰島素刺激的AKT磷酸化,加速GLUT4(葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)轉(zhuǎn)移至質(zhì)膜;3-4飲食顯著降低了STZ誘導(dǎo)小鼠中甘油介導(dǎo)的糖異生。這表明IPR可以減少肝臟中的糖異生并提高骨骼肌中的胰島素敏感性。
飲食干預(yù)在改善糖尿病中發(fā)揮著重要的作用,研究團(tuán)隊進(jìn)一步分析了IPR和持續(xù)性蛋白限制(CPR)這兩種飲食方式在糖尿病小鼠中的不同。在STZ誘導(dǎo)的小鼠模型中,作者發(fā)現(xiàn)IPR和CPR均緩解了高血糖癥狀,但CPR使得小鼠體重的迅速下降,IPR飲食對小鼠體重沒有影響。此外,CPR進(jìn)食顯著提高了肝臟中的甘油三酯(TG)、血液中的丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)和天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)的水平,另外HE染色也證實了CPR可導(dǎo)致的肝臟損傷。
基于本研究中的發(fā)現(xiàn),作者利用scRNA-seq進(jìn)一步分析了小鼠胰島細(xì)胞的基因表達(dá)情況:4組樣本共獲得了22749個細(xì)胞并劃分為23個細(xì)胞亞群。在db/db小鼠的內(nèi)分泌細(xì)胞逐漸減少、免疫細(xì)胞(B 細(xì)胞、T 細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和先天淋巴細(xì)胞(ILC))逐漸積累,但3-2-2 飲食幾乎完全逆轉(zhuǎn)了該情況。這也與免疫熒光技術(shù)和流式細(xì)胞分選的驗證結(jié)果一致,即3-2-2飲食抑制了免疫細(xì)胞在db/db小鼠中的積累。
最后,作者對胰島β細(xì)胞進(jìn)行深入分析,獲得了8個細(xì)胞亞群。根據(jù)marker gene的表達(dá)譜,鑒定出Mafa+β細(xì)胞、Cck+Cela1+β細(xì)胞、Cck+Cela1-β細(xì)胞和循環(huán)β細(xì)胞4種亞型。隨后采用KEGG通路分析了多種pathway(信號通路)的激活差異,如循環(huán)β細(xì)胞亞型中與DNA修復(fù)和細(xì)胞周期相關(guān)通路被激活,胰腺分泌相關(guān)通路在Cck+Cela1+β細(xì)胞亞型中非?;钴S。這些被激活的通路都與胰島素的分泌密切相關(guān),表明IPR飲食干預(yù)可恢復(fù)糖尿病小鼠的β細(xì)胞胰島素分泌活性,這也與本研究中的表型研究結(jié)果一致。
總結(jié)
在本研究中首次提出了間歇性蛋白質(zhì)限制(IPR)進(jìn)食策略,其結(jié)合了蛋白限制和間歇性進(jìn)食的優(yōu)勢,同時避免了連續(xù)性蛋白質(zhì)限制(CPR)對免疫和肝臟的損害。該研究發(fā)現(xiàn)IPR飲食策略類似于“一石二鳥”,既保護(hù)胰島β細(xì)胞,又改善血糖穩(wěn)態(tài)。此外單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)從細(xì)胞層面分析了胰島細(xì)胞并發(fā)現(xiàn)與作者前期的研究結(jié)果一致。鑒于這種飲食干預(yù)策略的多重益處,需要臨床研究來驗證其在糖尿病患者中的有效性,為進(jìn)行糖尿病干預(yù)治療提供了新方式。
原文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.12.024