编辑推荐：
本文通过对喂食高脂高蔗糖（HFHS）或果糖饮食的小鼠进行多组织单细胞 RNA 测序，揭示了不同饮食诱导代谢综合征（MetS）的细胞和分子机制差异，还发现了 mt-Rnr2 的调控作用，为 MetS 的研究和治疗提供了新方向。
研究背景
代谢综合征（MetS）是一种复杂的疾病，由多种代谢异常症状组成，如高血脂、肥胖、胰岛素抵抗和高血压等。现代饮食中高脂肪、高蔗糖或高果糖的摄入与 MetS 的发生密切相关。其中，啮齿动物的高脂高蔗糖（HFHS）饮食类似经典西方饮食，而高果糖饮食则模仿了苏打水和零食中的高果糖玉米糖浆。这两种饮食诱导 MetS 的机制不同，HFHS 饮食的代谢涉及蔗糖分解、脂肪储存，可促进肥胖和胰岛素抵抗；果糖代谢则通过肠道中的 GLUT5 转运体吸收，并在小肠和肝脏中经酮己糖激酶（KHK）代谢，过量摄入主要导致血脂异常和高血糖。
以往对 MetS 的研究多基于 bulk 组织，无法深入了解细胞类型特异性机制。本研究利用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，对喂食 HFHS 或果糖饮食的小鼠的下丘脑、肝脏、性腺白色脂肪组织和小肠进行研究，旨在揭示不同饮食诱导 MetS 的细胞和分子机制差异，为 MetS 的防治提供新的靶点和思路 。
研究方法
- 动物实验：选用 8 周龄雄性 C57BL/6J 小鼠，分为对照组、15% 果糖饮食组和 HFHS 饮食组，喂养 11 周。期间记录食物和液体摄入量，每周测量体重，实验结束时收集血浆、肝脏、性腺脂肪、小肠、下丘脑和棕色脂肪组织等样本 。
- 单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）：对收集的组织样本进行单细胞分离，构建测序文库并测序。对测序数据进行预处理和质量控制，去除低质量细胞和潜在的双细胞，通过聚类分析和标记基因鉴定细胞类型 。
- 数据分析：使用多种方法进行数据分析，包括计算欧氏距离以确定细胞类型对饮食的敏感性，识别差异表达基因（DEGs）并进行通路富集分析，运用单细胞通量估计分析（scFEA）研究营养和代谢通量变化，利用 NicheNet 进行配体 - 受体网络分析，以及将 DEGs 与人类全基因组关联研究（GWAS）数据整合分析 。
- 功能验证：选择 mt-Rnr2 基因进行体内验证，将编码的人源化肽（HNG）、SHLP2 和 scrambled（SC）肽分别注射到喂食果糖或 HFHS 饮食的小鼠体内，观察其对代谢指标的影响 。
研究结果
- 饮食对 MetS 相关表型的影响：HFHS 饮食导致小鼠体重、脂肪量显著增加，血浆甘油三酯（TGs）、总胆固醇（TC）、低密度脂蛋白（LDL）等血脂指标升高，胰岛素水平上升且葡萄糖耐量受损；果糖饮食虽未改变体重和血糖相关指标，但显著提高了血浆 TC、HDL 和未酯化胆固醇（UC）水平。两种饮食均使小鼠食物摄入量减少，但总热量摄入未变 。
- scRNA-seq 鉴定细胞类型：通过 scRNA-seq 分析，在各代谢组织中成功鉴定出多种标准细胞类型及亚型，如小肠中的近端和远端肠上皮细胞、肝脏中的不同肝细胞亚型、性腺脂肪中的脂肪祖细胞（APCs）和巨噬细胞亚型、下丘脑中的神经元亚型等 。
- 饮食对细胞类型比例和转录组的影响：两种饮食均显著改变了各组织中细胞类型的比例。例如，在小肠中，果糖增加了 T 细胞比例，HFHS 则降低了 T 细胞比例；在肝脏中，两种饮食对不同肝细胞亚型和免疫细胞比例的影响不同。通过欧氏距离测试发现，不同细胞类型对两种饮食的敏感性存在差异，如脂肪 SVF 内皮细胞和巨噬细胞对 HFHS 更敏感，而下丘脑的某些神经元对果糖更敏感 。
- 差异表达基因（DEGs）和通路分析：在不同细胞类型和组织中，两种饮食诱导的 DEGs 数量和类型不同。mt-Rnr1 和 mt-Rnr2 是在多种细胞类型和组织中被下调的关键基因，它们编码的线粒体衍生肽与代谢调节密切相关。在肝脏中，两种饮食对翻译、代谢和炎症相关通路的影响存在细胞特异性和方向差异；在脂肪 SVF 中，HFHS 诱导的 DEGs 和富集通路更多；在小肠和下丘脑中，两种饮食也对不同的通路产生影响 。
- 营养和代谢通量变化：利用 scFEA 分析发现，在不同组织和细胞类型中，两种饮食对营养物质的摄取和代谢通量有显著影响。在小肠中，果糖和 HFHS 均增加了脂肪酸和果糖的摄取；在肝脏中，两种饮食均促进了脂肪酸摄取和能量储存相关代谢；在脂肪 SVF 中，HFHS 增加了脂肪酸摄取，而果糖对糖酵解通量有特定影响；在下丘脑中，两种饮食对脂肪酸摄取和神经元代谢通量的影响不同 。
- 配体 - 受体网络分析：通过 NicheNet 分析发现，HFHS 在周围组织间形成了更密集的配体 - 受体网络，涉及炎症和脂质代谢相关的配体。果糖虽然对周围组织网络影响较弱，但在丘脑内组织的旁分泌网络中表现出较强的信号，且两种饮食均影响了与食物摄入调节相关的配体 。
- DEGs 与人类代谢表型的关联：将小鼠的 DEGs 与人类 GWAS 数据整合分析发现，来自肝细胞、脂肪 SVF APCs 和小肠近端肠上皮细胞的 DEGs 与血浆 TG、LDL 和 TC 的 GWAS 信号相关；下丘脑神经元的 DEGs 与厌食和 BMI 相关性状的 GWAS 信号相关，且 HFHS 诱导的部分 DEGs 与糖尿病相关性状的 GWAS 信号相关 。
- mt-Rnr2 编码肽的功能验证：mt-Rnr2 编码的 HNG 和 SHLP2 肽在减轻饮食诱导的 MetS 方面具有相似作用，但机制有所不同。在果糖饮食小鼠中，它们通过减少食物摄入、增强产热和改善线粒体氧化应激来减轻体重；在 HFHS 饮食小鼠中，它们主要通过抑制脂肪储存和改善肝脏脂质代谢来减轻体重，同时也增强了产热和改善了线粒体功能 。
研究讨论
本研究首次通过多组织单细胞分析，全面比较了果糖和 HFHS 饮食对 MetS 的影响，填补了相关领域的研究空白。研究发现，两种饮食在细胞和分子水平上具有不同的作用靶点和机制。果糖主要影响小肠肠上皮细胞的果糖和脂肪酸代谢，进而影响肝脏和下丘脑的代谢和神经肽信号；HFHS 则更显著地影响脂肪组织的炎症、细胞外基质（ECM）和 PPAR 信号通路 。
mt-Rnr2 在多种组织和细胞类型中受两种饮食调控，其编码的 HNG 和 SHLP2 肽在减轻饮食诱导的 MetS 方面具有重要作用，且表现出饮食特异性效应。这表明 mt-Rnr2 可能是一个潜在的代谢传感器和调节因子，为 MetS 的治疗提供了新的靶点 。
然而，本研究也存在一些局限性。样本量相对较小，可能无法完全捕捉到所有的细胞和分子变化；数据分析方法存在一定的局限性，可能受到批次效应等因素的影响；网络分析仅关注了配体 - 受体相互作用，可能遗漏其他重要的相互作用；研究仅在雄性 B6 小鼠中进行，未考虑性别和遗传背景的差异 。
未来的研究需要进一步扩大样本量，涵盖更多的组织和时间点，采用更全面的分析方法，深入研究不同性别和遗传背景下的代谢差异，以更深入地了解 MetS 的发病机制，为开发更有效的治疗策略提供依据 。
