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