胰岛具有复杂的异质性和亚种群，包含异质性细胞、未成熟和成熟的亚群。由于胰岛素是血糖的主要调节器，大多数关于胰岛功能障碍的研究都局限于β细胞。然而，越来越多的证据强调了α、β和δ细胞在葡萄糖稳态中的协同相互作用[1-3]。高脂肪饮食（HFD）是导致2型糖尿病的一种常见原因，它会导致胰岛的代偿性适应，随着胰岛功能损伤加剧，会使得病人的症状加重[4-6]。目前迫切需要α、β和δ细胞亚群的细胞表面标志物，以探索肥胖进展和糖尿病发病过程中各亚群的组成变化，以及高脂饮食诱导胰岛代谢的适应机制。
该研究采用单细胞RNA测序（scRNA-seq）结合单细胞蛋白质组学分析，深入阐明了各α、β、δ细胞亚群在葡萄糖耐受不良中的功能状态，为探索胰岛内分泌亚群在健康和疾病中的命运和功能机制提供了基础资源。
南京医科大学第一附属医院付麒、蒋和敏、钱玙为本文共同第一作者，杨涛、徐宽枫研究员为共同通讯作者，华大科技质谱平台为该研究提供了单细胞蛋白质组学分析服务。
研究思路及主要成果
图1研究流程图
1、小鼠胰岛细胞scRNA-seq
该研究将4周大的雄性小鼠随机分成两组，正常喂养（CD）组和高脂肪饮食（HFD）组，喂养8周，每周监测体重。8周的HFD诱导小鼠明显肥胖，葡萄糖稳态受损，并诱导胰岛素抵抗，HFD导致胰岛团块代偿性增生，尤其是β细胞。研究人员利用高通量scRNA-seq分析了15,093个来自CD小鼠胰岛的细胞和18,906个来自HFD喂养小鼠胰岛的细胞，并聚成四种主要内分泌细胞，基于主要激素基因表达进行了注释：4,069个α（Gcg）、14,108个β（Ins1）、1,698个δ（Sst）和666个PP（Ppy）细胞。
图2HFD和正常组之间α（a）、β（b）和δ（c）细胞中DEGs富集的KEGG通路前20位
2、胰岛细胞亚群的单细胞蛋白质组学分析
由于mRNA的表达不能完全反映细胞或器官的生物活性，全面的蛋白表达谱在胰岛细胞亚群研究中是必不可少的。然而，传统的蛋白质组学需要样本量高，而小鼠胰腺中胰岛细胞数量有限，流式细胞仪分类的细胞亚群产量低。
因此，该研究对胰岛细胞亚群进行了单细胞蛋白质组学分析。首先，研究人员利用大量胰岛样品的谱库，在数据依赖采集模式下进行质谱（MS）数据采集，鉴定出90,494个多肽和8,168个蛋白质。接下来，MaxQuant集成的Andromeda引擎识别了α、β和δ亚群的单细胞蛋白质组学样本中的蛋白质。最终，在36个胰岛细胞亚群样本（2种饲料×3种内分泌细胞类型×2种细胞亚群×3个重复）中，研究人员鉴定出6,955个蛋白质和50,245个肽。
3、RNA测序技术结合单细胞蛋白质组学阐明各细胞亚群在葡萄糖耐受不良中的功能状态
ACE2lowα细胞可能代表低容量、脆弱和对HFD应激易感性的状态
CD81highβ细胞可能代表功能较弱的未成熟β细胞
HFD增强了成熟GLUT2lowδ细胞的功能
图6δ细胞亚群功能的单细胞蛋白质组学鉴定
总结
ACE2、CD81和GLUT2作为表面标记物分别区分成熟度和功能状态不同的α、β和δ细胞亚群。在HFD诱导的葡萄糖耐受不良中，低容量和未成熟的ACE2lowα细胞比例随着功能活跃和成熟CD81lowβ细胞比例的增加而增加。成熟的GLUT2lowδ细胞功能增强，但比例不变。这些动态变化揭示了胰岛在HFD应激下的代谢可塑性，这种可塑性适应可以通过抑制α细胞的高血糖效应，增强β细胞的低血糖效应，以及增加δ细胞对α和β细胞的调节来抵消代谢应激，恢复葡萄糖稳态。因此，靶向上述标志物改变胰岛亚群分布，以增强胰岛功能可能是治疗糖尿病的有效方法。
图7小鼠胰岛细胞（α、β和δ）亚群在HFD诱导下的胰岛功能紊乱
科技君点睛
本研究利用单细胞RNA测序技术（scRNA-seq）在HFD诱导的葡萄糖耐受小鼠模型中鉴定α、β和δ细胞亚群标记物，通过流式细胞仪和免疫染色对各亚群的比例进行分类和评估，并对分选细胞进行单细胞蛋白质组学分析，通过蛋白表达深入阐明各α、β、δ细胞亚群在葡萄糖耐受不良中的功能状态。
参考文献：
[1]Controlofinsulinsecretionbycholinergicsignalinginthehumanpancreaticislet.Diabetes.2014
[2]Urocortin3mediatessomatostatin-dependentnegativefeedbackcontrolofinsulinsecretion.NatMed.2015
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[5]EpidemiologyanddeterminantsofobesityinChina.LancetDiabetesEndocrinol.2021
[6]Ethnicity-specificBMIcutoffsforobesitybasedontype2diabetesriskinEngland:apopulation-basedcohortstudy.LancetDiabetesEndocrinol.2021