糖尿病是由遗传和环境因素之间相互作用引起的，其中Ⅱ型糖尿病往往是由不健康的饮食等生活方式导致，科学家提出的多种糖尿病干预策略，重点也集中在改变生活方式和饮食结构上。

本期，小编为您带来中国科学院上海营养与健康研究所陈雁研究员课题组（博士研究生韦思颖、李晨晨为该论文共同第一作者）的研究成果。文章发表在Science Bulletin（IF=11.783）上，题目为“Intermittent protein restriction protects islet beta cells and improves glucose homeostasis in diabetic mice”。该研究发现间歇性蛋白限制（IPR）的饮食方式可以保护糖尿病小鼠的胰岛β细胞并改善血糖稳态，为糖尿病干预提供了新方法，并利用单细胞测序技术对该结果进行了验证。

烈冰生物参与本研究中的单细胞测序和数据分析工作，下面我们一起了解一下本文的研究思路和数据分析过程。

实验设计

单细胞样本信息

组织类型

小鼠胰岛

野生型小鼠（WT）：早期db/db小鼠（瘦素受体缺陷小鼠）：正常饮食晚期db/db小鼠：3-2-2饮食晚期db/db小鼠=1：1：1：1

单细胞捕获平台

10X Genomics

捕获细胞数

22749个

主要技术手段

小鼠模型构建

单细胞转录组测序

流式细胞分选

免疫荧光

免疫组化

实时荧光定量分析

结果分析

已有研究表明：持续性低蛋白饮食可能会损害免疫和肝功能，并导致蛋白质丢失。作者首先利用链脲佐菌素（STZ）诱导得到糖尿病小鼠模型，发现一周内3天采用5%的蛋白饮食的IPR可以显著改善高血糖症。其次作者分析比较了两种饮食方式（①. 3-4饮食：低蛋白饮食3天，然后正常饮食4天；②. 3-2-2饮食：低蛋白饮食3天，2天高蛋白饮食和2天正常饮食）对高血糖症的影响，发现两种方式均在一定程度上改善了高血糖症状，其中3-2-2饮食方式的效果好于3-4。最后作者检测了实验小鼠的糖化血红蛋白（HbA1c）的水平，并进行了葡萄糖耐量试验（GTT）和胰岛素耐量试验（ITT），发现在进行饮食干预后，血液中的HbA1c显著下降，且显著改善了小鼠的葡萄糖耐受和胰岛素敏感性。这一系列结果表明间歇性蛋白限制(IPR)饮食可改善小鼠的高血糖症，干预糖尿病进程。

糖尿病的出现多是由于胰岛β细胞的损伤和外周组织（肝脏和骨骼肌）的胰岛素耐受性改变造成的。为探究IPR改善小鼠高血糖症的原因，作者首先检测db/db小鼠的胰岛素分泌能力，发现3-2-2进食可恢复胰岛β细胞的功能，改善胰岛素的分泌。其次，免疫荧光实验和EdU（一种胸腺嘧啶核苷类似物）插入法分析了胰岛细胞的增殖状态，发现间歇性饮食方式使得胰岛β细胞数量增加。

此外，作者发现在db/db小鼠中3-2-2和3-4进食均降低了PEPCK（一种糖异生限速酶）的表达，这表明糖异生途径受到抑制。在野生型小鼠中采用3-2-2饮食方式降低了肝脏中的PEPCK蛋白水平，并且增强了骨骼肌中胰岛素刺激的AKT磷酸化，加速GLUT4（葡萄糖转运蛋白）转移至质膜；3-4饮食显著降低了STZ诱导小鼠中甘油介导的糖异生。这表明IPR可以减少肝脏中的糖异生并提高骨骼肌中的胰岛素敏感性。

饮食干预在改善糖尿病中发挥着重要的作用，研究团队进一步分析了IPR和持续性蛋白限制（CPR）这两种饮食方式在糖尿病小鼠中的不同。在STZ诱导的小鼠模型中，作者发现IPR和CPR均缓解了高血糖症状，但CPR使得小鼠体重的迅速下降，IPR饮食对小鼠体重没有影响。此外，CPR进食显著提高了肝脏中的甘油三酯（TG）、血液中的丙氨酸氨基转移酶（AST）和天冬氨酸氨基转移酶（ALT）的水平，另外HE染色也证实了CPR可导致的肝脏损伤。

基于本研究中的发现，作者利用scRNA-seq进一步分析了小鼠胰岛细胞的基因表达情况：4组样本共获得了22749个细胞并划分为23个细胞亚群。在db/db小鼠的内分泌细胞逐渐减少、免疫细胞(B 细胞、T 细胞、巨噬细胞和先天淋巴细胞(ILC))逐渐积累，但3-2-2 饮食几乎完全逆转了该情况。这也与免疫荧光技术和流式细胞分选的验证结果一致，即3-2-2饮食抑制了免疫细胞在db/db小鼠中的积累。

最后，作者对胰岛β细胞进行深入分析，获得了8个细胞亚群。根据marker gene的表达谱，鉴定出Mafa+β细胞、Cck+Cela1+β细胞、Cck+Cela1-β细胞和循环β细胞4种亚型。随后采用KEGG通路分析了多种pathway（信号通路）的激活差异，如循环β细胞亚型中与DNA修复和细胞周期相关通路被激活，胰腺分泌相关通路在Cck+Cela1+β细胞亚型中非常活跃。这些被激活的通路都与胰岛素的分泌密切相关，表明IPR饮食干预可恢复糖尿病小鼠的β细胞胰岛素分泌活性，这也与本研究中的表型研究结果一致。

总结

在本研究中首次提出了间歇性蛋白质限制（IPR）进食策略，其结合了蛋白限制和间歇性进食的优势，同时避免了连续性蛋白质限制（CPR）对免疫和肝脏的损害。该研究发现IPR饮食策略类似于“一石二鸟”，既保护胰岛β细胞，又改善血糖稳态。此外单细胞转录组测序技术从细胞层面分析了胰岛细胞并发现与作者前期的研究结果一致。鉴于这种饮食干预策略的多重益处，需要临床研究来验证其在糖尿病患者中的有效性，为进行糖尿病干预治疗提供了新方式。

原文链接

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