想吃甜食又不想长肉、升血糖？Nature子刊破解天然糖代谢之谜

在我们当前的社会里，高糖饮食如同一把双刃剑，与糖尿病、肥胖乃至癌症都形成了密不可分的联系。然而自然界中却存在一种令人惊叹的生物，它们仿佛对这些健康威胁毫不在意。这个生物就是果蝠，它们每天都能摄入相当于自身体重两倍的含糖水果，不仅能够保持生存，同时还在茁壮成长。当我们眼巴巴地看着高糖美食，内心既渴望又矛盾时，果蝠却上演着一场场甜蜜的盛宴。这种生存方式仿佛是一种令人“羡慕嫉妒”的表演，这不禁让人思考，难道我们不能像果蝠一样大吃特吃，同时又能保持身体的健康吗？果蝠的甜蜜之道里究竟隐藏着怎样的秘密？

2024年1月9日，来自加州大学旧金山分校的研究人员在《nature communication》上发表了一篇题为“Integrative single-cell characterization of a frugivorous and an insectivorous bat kidney and pancreas”的论文，这篇文章为我们揭开了“果蝠为何食用大量糖分而不影响健康”的神秘一角。

果食性，就是以水果为主要饮食也能很好生存的能力，拥有这一能力使得哺乳动物得以扩展其生态位，果蝠就是其中一个展现果食性的群体，从生理和分子适应性变化上看，适应以水果为主的饮食需要多重形态学和代谢方面的适应性变化。这包括感觉适应性的提升，如增强的视觉和嗅觉，以及形态适应性，包括头骨、舌头、小肠、肾脏和胰腺等器官的变化，还有代谢适应性的调整，包括转运蛋白的损失和增加的活性。

果食性带来的一个主要挑战是高血糖水平，可能导致糖尿病。果蝠在迅速控制高糖水平方面表现出色，尽管它们摄入的糖分比非果食性蝙蝠更多，却能更快地降低血糖。因此果蝠的胰腺对葡萄糖和胰岛素表现出高度敏感。此外，水果富含水分，但相对贫乏电解质如钠和钙，因此果蝠的肾脏必须做出多种调整来进行适应。因此，研究人员重点关注了果蝠的胰腺和肾脏功能的特殊性。

在这项研究中，科学家运用整合的单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单细胞ATAC测序（scATAC-seq）技术，对昆虫食蝙蝠和果食蝙蝠的成年个体进行了研究，旨在识别与果食性适应有关的肾脏和胰腺中的细胞群、基因和调控元素差异。研究人员总计分析了来自八只昆虫食蝙蝠和七只果食蝙蝠的34,696个细胞，同时建立了一个跨物种的整合分析框架，利用人类和小鼠单细胞肾脏和胰腺标记物对细胞类型进行了注释。

图一：蝙蝠肾脏的 scRNA 和 scATAC 联合分析

上图所示的就是代表性的演化树，展示了蝙蝠果食性的演变。图中的甲虫表示以昆虫为食的谱系，香蕉表示以水果为食的谱系。数字单位为百万年。

图二：蝙蝠胰腺关节scRNA和scATAC谱分析

作者团队的研究揭示了食虫蝙蝠和食果蝙蝠在细胞类型、基因表达和基因调控方面的差异。在果食蝙蝠的肾脏中，更多的集合管细胞被观察到，并发现与液体和电解质平衡相关的基因表达变化，如图二所示。而在果食蝙蝠的胰腺中，研究人员发现了相对更少的外分泌细胞，以及与胰岛素分泌和葡萄糖响应有关的基因表达变化，如下图所示。

图三：两种蝙蝠肾脏和胰腺细胞组成、基因表达和基因调控差异及其与人类糖尿病的关系

通过单细胞ATAC测序的转录因子（TF）分析，作者发现了两种蝙蝠的饮食类型之间TF结合位点的差异。简单来说，研究结果表明，果食蝙蝠的肾脏和胰腺表现出了许多糖尿病的特征，例如肾脏中钾的排泄、糖的生成和葡萄糖的重吸收增加，以及胰腺中胰岛素的分泌增加和高血糖。

在果蝠中，胰腺和肾脏的组成正在不断演变，以适应它们的饮食。胰腺有更多的细胞来产生胰岛素，它告诉身体降低血糖，并且有更多的细胞来产生胰高血糖素。与此同时，果蝠的肾脏在过滤血液时有更多的细胞来捕获稀缺的盐。当我们仔细查看时能够观察到，这些细胞中的调控DNA已经发生了进化，其可以打开或关闭水果代谢的相关基因。相比之下，大棕色蝙蝠拥有更多的细胞来分解蛋白质和保留水分。这些细胞中的基因表达经过调整，以适应昆虫饮食。尽管果蝠的某些生物学特性与人类糖尿病患者相似，但果蝠似乎演变出了一些人类只能梦想的东西：热爱甜食却没有任何不良后果。

研究团队的Gordon说：“从实验室老鼠等模型生物中退一步，在自然界中发现人类健康危机的可能解决方案，这是非常了不起的。” 蝙蝠已经明白了这一点，这一切都存在于它们的 DNA 中，而这一切，都是自然选择的结果。

参考文献：

Gordon, W.E., Baek, S., Nguyen, H.P. et al. Integrative single-cell characterization of a frugivorous and an insectivorous bat kidney and pancreas. Nat Commun 15, 12 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44186-y

撰文 | 之予

编辑 | 蓁蓁

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