王冠琳课题组与John Speakman课题组合作揭示小鼠下丘脑特异性响应母体哺乳期高脂饮食神经元性别差异

　　

全球肥胖人口数量日益增长，超过25亿人超重或肥胖^【1】。前期研究表明母体在孕期及哺乳期的营养摄入状况对后代的生长发育影响深远^【2】。人类和啮齿类动物的研究结果表明哺乳期母体的营养过剩，不仅会增加后代肥胖的风险，还可能导致高血压、胰岛素抵抗等代谢综合症问题。以往研究主要集中在母体哺乳期饮食对雄（男）性后代的影响，缺少对不同性别的后代差异影响的系统性研究^【3】。

2024年3月16日，中国科学院遗传与发育生物学研究所、复旦大学代谢与整合生物学研究院、中国科学院深圳先进技术研究院等单位的研究人员在Nature Communications在线发表题为Maternal dietary fat during lactation shapes single nucleus transcriptomic profile of postnatal offspring hypothalamus in a sexually dimorphic manner in mice的文章。

研究团队结合哺乳期低脂饮食（LFD）和高脂饮食（HFD）喂养的母鼠和子代小鼠的代谢生理表型以及子代小鼠在哺乳高峰期（P15）的下丘脑高分辨率单细胞核转录组图谱，发现下丘脑中特异性响应母体哺乳期高脂饮食的神经元具有较大的性别差异，以及雄性小鼠下丘脑中特异性响应母体哺乳期高脂饮食的三类神经元AgRP，Hdc与Avp/Rorb，暗示发育早期营养过剩可能是雄性后代成年后代谢疾病风险高的重要因素。

研究团队首先分析了HFD和LFD喂养对哺乳期母鼠及其子代代谢生理表型的影响，比较不同组别母体体重、自体能量消耗以及乳汁输出能量后发现，尽管在妊娠晚期和哺乳期间，HFD喂养的母鼠乳汁能量输出显著高于LFD喂养的母鼠。这一结果表明母体饮食的脂肪含量可能通过乳汁影响后代的生长发育。通过比较HFD与LFD喂养母鼠后代小鼠的体重及其组成，发现雄性后代体重体脂更高，对母体哺乳期饮食更为敏感。

下丘脑是负责调节能量平衡的中枢，为了更好地理解泌乳高峰期小鼠后代下丘脑中不同细胞类群的性别差异，研究人员构建了该时期后代小鼠的下丘脑单细胞核转录组图谱。研究人员分别从LFD和HFD喂养母鼠的雄性和雌性后代中分离了细胞核进行单细胞核转录组测序，经过质量控制、去除双细胞和批次矫正，鉴定了9种主要的细胞类型，包括：神经元细胞（Neurons）、星型胶质细胞（Astrocytes）、少突胶质前体细胞和少突胶质细胞（Oligodendrocyte precursor cells and oligodendrocytes）、间质细胞（Stromal cells）、扩张细胞和室管膜细胞（Tanycytes and ependymal cells）、内皮细胞（Endothelial cells）、中间神经元（Interneurons）、微胶质细胞/巨噬细胞（Microglia/macrophages）以及少量的B细胞（B cells）。通过进一步与已经发表的下丘脑转录组图谱HypoMap对比显示，本图谱细胞类群捕获全面。

研究人员将神经元这一细胞类群进一步细分为30个亚群，发现哺乳期进食不同脂肪水平母体后代神经元中的一些亚群在功能上有显著差异：通过代谢通路富集分析和细胞类群组成差异分析，研究人员发现哺乳期高脂喂养母鼠的雄性后代中控制饥饿感的AgRP神经元数量增多，同时研究发现Avp/Rorb和Hdc神经元的数量也显著增加，这些神经元和食物摄入控制和胰岛素分泌等代谢功能密切相关。研究人员进一步分析了饮食调控的主要神经元AgRP和POMC的对母体高脂饮食的响应，发现在HFD喂养母鼠的雄性后代中，AgRP/POMC的比率较高。此外，研究人员还发现与性别决定和雌性衰老相关的长非编码RNA Xist在HFD喂养母鼠的雌性后代中表达上调。

研究团队接下来分析了下丘脑中的细胞间相互作用，发现哺乳期高脂喂养的后代下丘脑细胞间通讯作用更为丰富，而响应母鼠高脂饮食的雄性后代的AgRP/Npy神经元与星形胶质细胞（Astrocytes）间的相互作用显著增强。利用Npy-hrGFP小鼠模型，结合多重免疫荧光染色，研究者观察了这些细胞在下丘脑ARC区域的共定位情况，并发现在HFD喂养母鼠的雄性后代中，Npy神经元与星型胶质细胞的共定位显著高于LFD喂养母鼠的雄性后代，然而该差异在雌性后代中并未观察到。此外，在HFD喂养的雄性后代中，神经生长调节通路NEGR通路的相互作用显著增强。特别值得注意的是，NEGR1是全基因组关联分析确定和身体肥胖水平强相关的基因之一。这些结果表明，母体高脂饮食也可能通过改变特定神经通路的细胞间相互作用，进而影响后代的食物摄入调节能力，并且这种影响具有性别差异，在雄性后代中更为明显。

综上，本研究构建了哺乳期高峰阶段后代下丘脑单细胞核转录组图谱，并将雌雄后代的代谢表型变化与相应的细胞亚群变化及细胞间相互作用联系在一起，从细胞层面呈现出雄性后代对母体哺乳期饮食变化的敏感性高于雌性后代。值得一提的是，该研究将单细胞数据开源，为相关研究人员提供了母体哺乳高峰期后代的下丘脑图谱探索在线交互工具（https://mouse10x.shinyapps.io/p15atlas/），这为更多研究人员研究母体营养过剩对后代的影响提供了便利。

中国科学院遗传与发育生物学研究所已出站博士后黄弋（现为Broad Institute of MIT and Harvard博士后）和在读博士生王安永琪为本文的共同第一作者，中国科学院深圳先进技术研究院的John R. Speakman教授和复旦大学代谢与整合生物学研究院青年研究员王冠琳为该论文的共同通讯作者，郑州大学天健实验室的李保国研究员对本文亦有重要贡献。本研究获科技部重大研究计划（2018YFA0800900）、国家自然科学基金、复旦大学启动经费等项目资助。

参考文献：

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原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-46589-x