糖尿病是由遺傳和環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致，科學家提出的多種糖尿病干預策略，重點也集中在改變生活方式和飲食結構上。

本期，小編為您帶來中國科學院上海營養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”。該研究發現間歇性蛋白限制（IPR）的飲食方式可以保護糖尿病小鼠的胰島β細胞并改善血糖穩態，為糖尿病干預提供了新方法，并利用單細胞測序技術對該結果進行了驗證。

烈冰生物參與本研究中的單細胞測序和數據分析工作，下面我們一起了解一下本文的研究思路和數據分析過程。

實驗設計

單細胞樣本信息

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

單細胞捕獲平臺

10X Genomics

捕獲細胞數

22749個

主要技術手段

小鼠模型構建

單細胞轉錄組測序

流式細胞分選

免疫熒光

免疫組化

實時熒光定量分析

結果分析

已有研究表明：持續性低蛋白飲食可能會損害免疫和肝功能，并導致蛋白質丟失。作者首先利用鏈脲佐菌素（STZ）誘導得到糖尿病小鼠模型，發現一周內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，發現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，并進行了葡萄糖耐量試驗（GTT）和胰島素耐量試驗（ITT），發現在進行飲食干預后，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，干預糖尿病進程。

糖尿病的出現多是由于胰島β細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，發現3-2-2進食可恢復胰島β細胞的功能，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胞的增殖狀態，發現間歇性飲食方式使得胰島β細胞數量增加。

此外，作者發現在db/db小鼠中3-2-2和3-4進食均降低了PEPCK（一種糖異生限速酶）的表達，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，并且增強了骨骼肌中胰島素刺激的AKT磷酸化，加速GLUT4（葡萄糖轉運蛋白）轉移至質膜；3-4飲食顯著降低了STZ誘導小鼠中甘油介導的糖異生。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。

飲食干預在改善糖尿病中發揮著重要的作用，研究團隊進一步分析了IPR和持續性蛋白限制（CPR）這兩種飲食方式在糖尿病小鼠中的不同。在STZ誘導的小鼠模型中，作者發現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移酶（AST）和天冬氨酸氨基轉移酶（ALT）的水平，另外HE染色也證實了CPR可導致的肝臟損傷。

基于本研究中的發現，作者利用scRNA-seq進一步分析了小鼠胰島細胞的基因表達情況：4組樣本共獲得了22749個細胞并劃分為23個細胞亞群。在db/db小鼠的內分泌細胞逐漸減少、免疫細胞(B 細胞、T 細胞、巨噬細胞和先天淋巴細胞(ILC))逐漸積累，但3-2-2 飲食幾乎完全逆轉了該情況。這也與免疫熒光技術和流式細胞分選的驗證結果一致，即3-2-2飲食抑制了免疫細胞在db/db小鼠中的積累。

最后，作者對胰島β細胞進行深入分析，獲得了8個細胞亞群。根據marker gene的表達譜，鑒定出Mafa+β細胞、Cck+Cela1+β細胞、Cck+Cela1-β細胞和循環β細胞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β細胞亞型中與DNA修復和細胞周期相關通路被激活，胰腺分泌相關通路在Cck+Cela1+β細胞亞型中非常活躍。這些被激活的通路都與胰島素的分泌密切相關，表明IPR飲食干預可恢復糖尿病小鼠的β細胞胰島素分泌活性，這也與本研究中的表型研究結果一致。

總結

在本研究中首次提出了間歇性蛋白質限制（IPR）進食策略，其結合了蛋白限制和間歇性進食的優勢，同時避免了連續性蛋白質限制（CPR）對免疫和肝臟的損害。該研究發現IPR飲食策略類似于“一石二鳥”，既保護胰島β細胞，又改善血糖穩態。此外單細胞轉錄組測序技術從細胞層面分析了胰島細胞并發現與作者前期的研究結果一致。鑒于這種飲食干預策略的多重益處，需要臨床研究來驗證其在糖尿病患者中的有效性，為進行糖尿病干預治療提供了新方式。

原文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.12.024