圖1

2. Ace2在α細(xì)胞中的異質(zhì)表達(dá)
為了分析α細(xì)胞的異質(zhì)性，使用scRNA-seq數(shù)據(jù)將α細(xì)胞聚成8個(gè)簇（圖2a-b），并分析了8個(gè)聚類中的marker基因表達(dá)（圖2c）。本研究發(fā)現(xiàn)與嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2 (SARS-CoV-2)感染相關(guān)的關(guān)鍵基因Ace2在α細(xì)胞群中顯著變化。根據(jù)Ace2的表達(dá)水平，將8個(gè)α細(xì)胞簇分為Ace2^low(簇3和5)和Ace2^high(簇0、1、2、4、6和7)亞群。ScRNA-seq和免疫熒光證實(shí)了在cd和hfd小鼠胰島中α細(xì)胞亞群的存在（圖f,g,j）。為了探索ace2 α細(xì)胞異質(zhì)性的分子特征，我們?cè)贏ce2^low和Ace2^high亞群之間鑒定出379個(gè)差異基因（圖2h），并對(duì)差異基因進(jìn)行了KEGG富集分析（圖2i），表明Ace2的表達(dá)可以區(qū)分具有不同功能和生存狀態(tài)的α細(xì)胞。我們還發(fā)現(xiàn)，在Ace2^low組中，α細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子（Mafb和Irx1）和α細(xì)胞相關(guān)基因（Ttr、Chgb、Fev和Pyy）顯著下調(diào)。相反，Ace2^low α細(xì)胞開(kāi)始表達(dá)具有β細(xì)胞特征的基因（如Ucn3、Ero1lb、和Slc2a2）。其中一些結(jié)果通過(guò)qPCR（圖2m-q）和western印跡（圖2k）對(duì)分選的α細(xì)胞群進(jìn)行了證實(shí)。這表明，Ace2^low亞群可能代表了未成熟的α細(xì)胞，似乎具有β細(xì)胞樣特征。
 

圖2

3. 表明α細(xì)胞亞群功能的單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)
用胰島單細(xì)胞懸液的 FACS將α細(xì)胞（胰高血糖素[GCG]+）細(xì)胞分為ACE2^high組和ACE2^low組。值得注意的是，HFD小鼠中ACE2^high α細(xì)胞的比例（65.3%）明顯低于CD小鼠（80.0%）,這表明基于ace2的α細(xì)胞異質(zhì)性可能參與了糖尿病的病理生理過(guò)程（圖3a,b）。從FACS分選的的CD和HFD小鼠（每個(gè)樣本2000個(gè)細(xì)胞）中收集ACE2^low和ACE2^high α細(xì)胞亞群進(jìn)行單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)分析。檢測(cè)到的蛋白數(shù)量在3042~4021之間，重復(fù)性良好。PCA也能明顯區(qū)分ACE2^low細(xì)胞和ACE2^high細(xì)胞（圖3c）。在CD小鼠中，與ACE2^high α細(xì)胞相比，ACE2^low α細(xì)胞中有29個(gè)上調(diào)，80個(gè)DEPs下調(diào)(圖3d)，受影響的KEGG通路包括Ras信號(hào)通路和有絲分裂活化蛋白激酶（MAPK）信號(hào)通路（圖3 e）。在HFD小鼠中，與ACE2^high α細(xì)胞相比，ACE2^low α細(xì)胞中的DEPs明顯增加，其中17個(gè)上調(diào)，301個(gè)DEPs下調(diào)（圖3 f）。KEGG分析發(fā)現(xiàn)與營(yíng)養(yǎng)和能量代謝相關(guān)的途徑在ACE2低組均顯著下調(diào)（圖3g）。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈暗示了ACE2^low α細(xì)胞的代謝和其他生物活性減弱，特別是在HFD小鼠中。
 

圖3 

4. CD81在β細(xì)胞中的異質(zhì)表達(dá)
為了分析β細(xì)胞的異質(zhì)性，我們將這些細(xì)胞聚為9個(gè)簇，并確定了前10個(gè)標(biāo)記基因（圖4a-c）。根據(jù)最近的一項(xiàng)研究，發(fā)現(xiàn)Cd81在細(xì)胞簇中有差異表達(dá)。研究將9個(gè)β細(xì)胞簇分為Cd81^low（簇0-4和7）和Cd81^high（簇5、6和8）亞群（4d-g），發(fā)現(xiàn)CD81在CD和HFD小鼠的β細(xì)胞中分布的明顯異質(zhì)性，同時(shí)也經(jīng)過(guò)了免疫組化的證實(shí)（圖4j）。接下來(lái)分析了Cd81^low相對(duì)于Cd81 ^highβ細(xì)胞的差異基因和KEGG通路分析，細(xì)胞代謝及其相關(guān)功能通路以及一系列應(yīng)激相關(guān)和炎癥通路被顯著富集。而未成熟的細(xì)胞標(biāo)記物（Chga、Chgb、Mafb和Rbp4）在Cd81^high亞群中高表達(dá)（圖4l）。這表明Cd81^high亞群可能代表了一組功能較弱和未成熟的細(xì)胞。其中一些結(jié)果通過(guò)qPCR（圖4m-p）和westernblot（圖4k）對(duì)分選的細(xì)胞亞群進(jìn)行證實(shí)。
 

圖4

5. β細(xì)胞亞群功能的單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)鑒定

為了進(jìn)一步探索HFD對(duì)β細(xì)胞亞群的影響，F(xiàn)ACS顯示與CD小鼠相比，HFD小鼠的CD81^high細(xì)胞比例降低。然后，使用單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)（每個(gè)樣本10000個(gè)細(xì)胞）分析FACS分選的CD81^low和CD81^highβ細(xì)胞（圖5a,b）。PCA顯示CD81^low和CD81^highβ細(xì)胞被聚集成兩個(gè)獨(dú)立的組（圖5c）。比較CD81^low和CD81^highβ細(xì)胞，在CD小鼠中檢測(cè)到869個(gè)上調(diào)和373個(gè)下調(diào)的DEPs，在HFD小鼠中檢測(cè)到707個(gè)上調(diào)和312個(gè)下調(diào)的DEPs（圖5d,e）。在CD和HFD小鼠中，與能量代謝相關(guān)的途徑（包括氧化磷酸化和阿爾茨海默�。┰贑D81低亞群中被下調(diào)（圖5f,g），并通過(guò)免疫組化和western blot進(jìn)行了驗(yàn)證。
 

圖5

6. HFD增強(qiáng)了成熟的Slc2a2 ^low δ細(xì)胞的功能

本研究將δ細(xì)胞分為 Slc2a2^low and Slc2a2^high 亞群，通過(guò)Slc2a2^low 相比于 Slc2a2^high差異基因和KEGG功能富集分析顯示，上調(diào)的通路與鈣離子和激素分泌有關(guān)，提示Slc2a2^low亞組可能功能更成熟（S6a,b）。然而，8周的HFD并沒(méi)有改變兩個(gè)delta細(xì)胞亞群的比例（圖6a,c）。免疫熒光證實(shí)了在小鼠和人類胰島中均存在δ細(xì)胞亞群（圖6b）。接下來(lái)采用FASC對(duì)CD和HFD小鼠的Slc2a2^low and Slc2a2^high  δ細(xì)胞亞群（每個(gè)樣本3000個(gè)細(xì)胞）進(jìn)行單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)分析。PCA數(shù)據(jù)顯示，Slc2a2^low 和Slc2a2^high  δ細(xì)胞聚集成兩個(gè)不同的群體（圖6d）。Slc2a2^low 和 Slc2a2^high    δ細(xì)胞亞群之間有548個(gè)上調(diào)和171個(gè)下調(diào)的DEPs；同時(shí)，HFD小鼠中DEPs上調(diào)較多（832），下調(diào)較少（102）（圖6e,f)。KEGG分析顯示，與β細(xì)胞相似，CD小鼠的Slc2a2^low （相對(duì)于Slc2a2^high  δ細(xì)胞）中的氧化磷酸化和阿爾茨海默病通路顯著下調(diào)(圖6g)。在CD和HFD小鼠的Slc2a2^low細(xì)胞中，多種營(yíng)養(yǎng)代謝途徑也顯著上調(diào)。綜上所述，Slc2a2^low δ細(xì)胞可能比Slc2a2^high δ更具有功能和代謝活性，而HFD進(jìn)一步刺激Slc2a2^low δ細(xì)胞的功能和代謝。
 

圖6

總之，我們發(fā)現(xiàn)未成熟的胰島細(xì)胞部分失去了它們的身份維持基因，并開(kāi)始表現(xiàn)出其他內(nèi)分泌細(xì)胞的特征。在HFD誘導(dǎo)的葡萄糖耐受不良中，低容量和未成熟的ACE2^low細(xì)胞的比例隨著功能活性和成熟的CD81^low細(xì)胞比例的增加而增加。成熟的Slc2a2^low δ細(xì)胞功能增強(qiáng)，但比例不變。這些動(dòng)態(tài)變化揭示了胰島對(duì)HFD應(yīng)激反應(yīng)的代謝可塑性。這種可塑性適應(yīng)可以通過(guò)抑制高血糖來(lái)抵消代謝應(yīng)激，恢復(fù)葡萄糖穩(wěn)態(tài)，增強(qiáng)細(xì)胞的低血糖作用，并增加δ對(duì)α和β細(xì)胞的調(diào)節(jié)。
 

圖7
 

參考文獻(xiàn)：
Fu Q, Jiang H, Qian Y, et al. Single-cell RNA sequencing combined with single-cell proteomics identifies the metabolic adaptation of islet cell subpopulations to high-fat diet in mice[J]. Diabetologia, 2022: 1-17.