饮食干预保护2型糖尿病胰岛β细胞功能的新机制

糖尿病是一种由胰岛β细胞胰岛素分泌不足或者功能障碍引起的全身性代谢紊乱综合征，主要包括4种类型：1型糖尿病（Type 1 Diabetes, T1D）、2型糖尿病（Type 2 Diabetes, T2D）、妊娠糖尿病和特殊类型糖尿病，其中T2D为常见，占所有糖尿病患者的90%左右。2015年全球成人糖尿病患者达到4.15亿，预计到2040年糖尿病患者将增加到6.42亿，截止目前，中国糖尿病患者已达1.48亿，约占全球糖尿病患者总数的三分之一。糖尿病已成为继肿瘤和心脑血管疾病之后严重危害人类健康的第三大慢性疾病，造成了巨大的社会负担和经济损失。迄今为止，糖尿病的发病机制尚未完全清楚，接受治疗的患者中超过半数血糖控制不佳，治疗效果远不理想。因此，深入开展T2D及其并发症的分子机制的研究，将为开发新的更加有效的个体化治疗方案提供理论基础和分子靶标，意义重大。

胰岛β细胞功能损伤是T2D发生发展的关键因素之一。过去的研究提示随着T2D的发生发展，胰岛β细胞可能经历了代偿到失代偿的动态变化，T2D疾病进程和疗效很大程度上取决于胰岛β细胞功能损伤程度和恢复潜能。然而在T2D发生发展过程中，胰岛β细胞数量和功能的动态变化规律，以及终发生不可逆损伤的分子机制仍属空白，给糖尿病的个体化预防和治疗带来巨大挑战。深入解析T2D胰岛β细胞数量和功能的动态变化特征和损伤机制将为开发新的更加有效的糖尿病个体化治疗方案提供理论基础和分子靶标。

饮食和运动等生活方式干预是预防和治疗糖尿病的有效措施。近年来，诸多临床试验结果表明胰岛β细胞功能的恢复潜力是饮食和运动干预是缓解和治疗T2D的决定因素，但是，受困于胰岛所处的独特解剖位置以及复杂结构，在人体中对胰岛β细胞的详细功能变化进行研究并不具备可行性。因此，开拓新的动物模型用于挖掘饮食干预在肥胖和T2D发病的不同时期如何改善胰岛β细胞功能及其潜在机制

该研究通过给予野生型小鼠高脂饮食（HFD）喂养1-6个月，在动物水平确证小鼠发生肥胖和T2D的基础上，利用自主搭建的胰岛动态灌流系统（图1）检测了葡萄糖刺激下胰岛β细胞的胰岛素分泌功能，发现随着HFD时间的延长，小鼠胰岛β细胞葡萄糖刺激的1相和2相胰岛素分泌功能表现出了从早期代偿到中晚期的失代偿和功能衰竭的动态变化（图2），建立了一个能够重现T2D发病过程中胰岛β细胞数量和功能发生动态变化的动物模型。

为了探究上述动态过程的潜在机制，研究人员运用转录组测序（RNA-Seq），分析了肥胖和T2D发病的各个阶段胰岛基因表达网络的变化规律，发现除了细胞代谢和应激反应等经典生物学过程之外，染色质重塑和组蛋白修饰也可能在胰岛β细胞功能由代偿到失代偿的转折过程中发挥关键作用。

为了进一步模拟临床研究中对肥胖和早期T2D糖尿病患者进行的饮食干预，研究人员对胰岛功能仍处于代偿期的T2D小鼠进行了饮食干预（将HFD换成正常饮食）。通过体内外胰岛功能研究和多组学分析，研究人员发现饮食干预能够几乎完全逆转HFD诱导的胰岛组织形态学变化、胰岛β细胞葡萄糖刺激的1相和2相胰岛素分泌功能损伤。为了探究饮食干预改善胰岛功能的分子机制，研究人员首先利用全胰岛RNA-Seq和胰岛单细胞转录组测序（sc-RNA-Seq）技术，揭示了饮食干预可能通过调控胰岛β细胞葡萄糖代谢、细胞钙离子响应和细胞应激相关基因的转录重编程（transc[x]riptional reprogramming）改善胰岛β细胞功能。

进而，研究人员利用ATAC-Seq技术在全基因组水平分析了饮食干预对胰岛β细胞细胞染色质可及性的影响，结果提示染色质重塑（chromatin remodeling）介导的转录重编程（transc[x]riptional reprogramming）可能是饮食干预改善胰岛功能重要机制。进一步通过对受饮食干预调控的染色质开放区域进行基序分析（motif analysis），发现DNA结合蛋白CTCF可能是驱动饮食干预改善胰岛β细胞功能的关键分子。为了验证这一可能性，研究人员利用CUT&Tag技术分析了HFD和饮食干预对CTCF在全基因组水平与DNA结合情况的影响，结果发现饮食干预显著影响了CTCF在细胞代谢（如Slc2a2）和内质网应激（如Hspa1a、Hspa1b）相关的基因附近的结合，并引起相应基因表达的显著改变，说明饮食干预可能通过CTCF介导的转录重编程改善T2D胰岛β细胞的功能损伤。

为了进一步明确CTCF在饮食干预改善T2D胰岛β细胞功能中的作用，研究人员分析了在T2D发病过程中以及饮食干预后胰岛β细胞中的CTCF表达水平的变化，结果表明，CTCF的表达水平在T2D患者和T2D模型小鼠的胰岛β细胞中均显著下调，而饮食干预能够显著恢复其表达水平。研究还发现T2D相关的脂毒性和慢性炎症是胰岛β细胞中CTCF下调的重要原因。

后，研究人员利用AAV胰腺导管内注射技术（图3）成功在T2D小鼠胰岛中实现CTCF的长期过表达，发现回补CTCF的表达水平能够很好地模拟饮食干预通过转录重编程改善胰岛β细胞功能和全身血糖稳态。

该论文以临床问题为导向，聚焦T2D发病过程中胰岛β细胞的动态变化，以高脂饮食喂养不同时长的肥胖和T2D小鼠、基于AAV胰腺导管注射技术构建的胰岛特异性基因过表达的糖尿病小鼠，以及原代小鼠和人胰岛等体内外研究模型，充分利用原代胰岛动态灌流和钙成像等胰岛β细胞功能分析技术，基于ATAC-Seq、CUT&Tag、RNA-Seq和scRNA-Seq的表观组、转录组和基因组分析技术，系统地描绘了肥胖和T2D发生发展过程中胰岛β细胞功能和基因表达谱的动态变化图谱，揭示了饮食干预对T2D胰岛β细胞功能的改善作用，发现了DNA结合蛋白CTCF通过染色质重塑（chromatin remodeling）介导的选择性转录重编程（selective transc[x]riptional reprogramming），在饮食干预保护T2D胰岛β细胞功能中发挥关键作用。研究为饮食健康提供了新的理论依据，为开发以胰岛β细胞为靶标的T2D治疗方法和药物提供了新的思路和靶点