过多的营养摄取和肠道激素分泌的改变导致全身能量失衡，这会导致肥胖并增加患Ⅱ型糖尿病和结直肠癌的风险。这种功能失调被认为是在肠道干细胞(ISCs)的水平上出现的。然而，目前还不清楚肥胖饮食如何影响ISCs的功能和命运。
方法流程
开发抗击肥胖和糖尿病的药理学方法需要深入了解肠道适应不良条件和内分泌功能障碍的机制，特别是在从健康到肥胖和糖尿病前期状态的转变过程中。在这项研究中，作者将单细胞图谱与遗传谱系标记和ISCs谱系追踪以及原位代谢组学相结合，以阐明小鼠肠道在高脂/高糖饮食(HFHSD)条件下的细胞和分子机制。实验结果
1.HFHSD改变了ISCs的谱系分配，并改变了细胞的区域性特征
作者采用CD和HFHSD喂养的FVF报告小鼠小肠（SI）隐窝细胞进行单细胞RNA测序(scRNA-seq)。对ISCs和肠内分泌细胞（EECs）进行流式分选富集，共分析了27,个细胞。作者观察到细胞密度的变化，表明HFHSD影响粘膜上皮的组成。使用区域特征将细胞类型分为近端和远端细胞，HFHSD小鼠具有近端标识的ISCs、肠细胞和杯状细胞的比例增加。这些数据表明，HFHSD促进了吸收细胞和杯状细胞谱系的形成。
图1HFHSD改变了ISCs的谱系分配，并改变了细胞的区域性特征
2.隐窝的谱系关系改变可增加绒毛长度
进一步构建谱系追踪小鼠模型，作者分析了CD和HFHSD小鼠绒毛中成熟肠细胞，杯状细胞和肠内分泌细胞的丰度。HFHSD小鼠中的ISCs和祖细胞增殖上调。绒毛肠细胞和Muc2+杯状细胞的总数增加，而ChgA+EEC的数量减少。由于HFHSD小鼠中杯状细胞数量的大量增加，肠细胞和ChgA+EEC的相对丰度减少。
图2隐窝的谱系关系改变可增加绒毛长度
3.HFHSD改变肠内分泌谱系的分配
为了阐明肥胖饮食导致EEC功能障碍的机制，将EEC细胞分为不同的亚群，发现了5个EEP簇，以及6个多激素EEC簇。作者鉴定出一组共表达内分泌和ISC标记的Lgr5+EECs。拟时序分析表明，从Sox4+祖细胞到成熟亚型有两条主要分化轨迹：(1)通过Arx/Isl1+和Ghrl+祖细胞到肽能型EEC(SILA、SILP、SIK和SAKD)的路径；(2)通过Pax4+祖细胞到5-羟色胺能EC和成熟Reg4+EC细胞的路径。为了确定EEC谱系分配的转录特征和调节因子，作者提取了那些只在特定EEP阶段或成熟细胞亚型中瞬时表达的基因，或者在随后的状态中持续表达的基因。数据证实了EEC的谱系分化，从早期的共同祖细胞分化为偏向EC(Pax4+)和非偏向EC(Arx/Isl1+)的祖细胞及其各自的分子程序。此外，作者发现HFHSD改变肠内分泌谱系的分配，影响了各类细胞的占比，如Ngn3+EEP和肽能EEC增多、5-羟色胺能EEC减少等。
图3HFHSD改变肠内分泌谱系的分配
4.HFHSD可诱导ISCs和祖细胞的过度增殖
为了探究绒毛长度的增加是否与Ngn3+EEP的数量增加有关。作者使用细胞周期标记基因来识别增殖细胞，HFHSD中处于G2M期的细胞比例增加，表明HFHSD改变了细胞周期动力学。特别是在ISCs、肠细胞、杯状细胞以及早期Sox4+和Ngn3+EEP簇中，周期细胞的比例明显增加。此外，已知的细胞周期调节因子与S/G2M细胞周期评分相关，在HFHSD的增殖细胞中有差异表达，进一步表明ISCs和祖细胞的细胞周期动力学加速。为了证实增殖活性的增加，作者首先鉴定了Edu阳性的祖细胞。与scRNA-seq数据一致，在HFHSD小鼠SI隐窝的TA区发现了更多的增殖祖细胞。
图4HFHSD可诱导ISCs和祖细胞的过度增殖
5.HFHSD上调脂肪酸合成和PPAR信号转导
为了将细胞命运改变与代谢途径联系起来，作者比较了CD和HFHSD小鼠SI隐窝区域的代谢物分布。共确定了个差异代谢物，其中个在HFHSD小鼠SI隐窝中富集。富集分析表明，HFHSD上调了与脂肪酸生物合成相关的代谢物信号和亚油酸代谢信号，下调了与葡萄糖代谢途径相关的代谢物信号。将代谢组学数据与单细胞转录组学数据整合发现，HFHSD代谢物特征与参与碳水化合物代谢的调控基因和促进增殖的脂肪酸生物合成途径重叠。这些通路的调节在富含肠系祖细胞的FVFneg和富含ISC的FVFlow细胞中最为明显。
接着，作者想要确定HFHSD改变新陈代谢的细胞亚型，并确定与之相关的分子途径。作者比较了CD和HFHSD来源的细胞转录图谱，发现与PPAR信号转导和脂肪酸生物合成相关的基因在HFHSD来源的ISCs和祖细胞簇中上调。这些基因组的上调在具有近端特性的亚群中更强；特别是在近端的ISCs、肠细胞和杯状祖细胞中。此外，与碳水化合物代谢相关的基因在这些亚型中下调。
最后，作者通过一种单细胞qPCR方法证实，在HFHSD隐窝蛋白裂解物以及ISCs和祖细胞中，活性Srebp1、Acc、PPARγ和Scd1上调，它们是PPAR信号和脂肪酸合成的主要转录调节因子和关键酶。总之，这些结果揭示了饮食诱导的代谢重排以及与增殖和内分泌功能障碍增加相关的细胞和亚型特异性转录变化。
图5HFHSD上调脂肪酸合成和PPAR信号转导
结论
作者发现肥胖饮食诱导了ISCs及其前体细胞的过度增殖，增强了ISCs的分化和细胞周转，并改变了ISCs和肠细胞的区域特性。肠内分泌谱系的单细胞分辨显示，祖细胞和肽能肠内分泌细胞类型增加，5-羟色胺肠内分泌细胞类型减少。从机制上讲，作者将脂肪酸合成增加、PPAR信号转导和Insr-Igf1r-Akt通路与粘膜改变联系起来。这项研究描述了饮食诱导的肠道适应不良的分子机制，这些机制促进了肥胖，从而奠定了代谢综合征及其相关并发症的发病机制。
参考文献
Aliluev,A.,Tritschler,S.,Sterr,M.etal.Diet-inducedalterationofintestinalstemcellfunctionunderliesobesityandprediabetesinmice.NatMetab3,–().