近日，来自美国贝斯以色列女执事医疗中心（BIDMC）的研究人员在Nature 杂志发表题为“A single cell atlas of human and mouse white adipose tissue”的文章，通过对人类与小鼠中的白色脂肪组织的单细胞图谱进行揭示，描述了新的脂肪细胞亚群，并将特定的细胞类型与代谢性疾病的风险增加联系起来。
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研究背景
白色脂肪组织（White adiposetissue，WAT）曾经被认为形态和功能上没什么特别之处，但实际上白色脂肪组织是高度动态、具有可塑性以及异质性，并且在一系列生物过程中发挥关键作用，比如维持体内能能量稳态、对糖类和脂质进行加工和处理、血压控制以及宿主防御等等。高脂肪饮食会引起脂肪形态、生理以及细胞组成的巨大变化，而这些变化又与包括2型糖尿病在内的代谢性疾病有关。
主要结果
1. 人类白色脂肪组织图谱
本研究对9名女性皮下白色组织使用胶原酶消化的方式分离出单细胞，进行Drop-seq。另外，从10位女性中收集了对应的皮下以及内脏脂肪组织，从3位男性中收集了皮下脂肪组织，进行单细胞核测序（sNuc-seq）以及单细胞Drop-seq（以下简称scRNA-seq）（图1a和1b）。将测序数据进行整合共得到了28,465个单细胞以及137,684个单细胞核的数据。通过对细胞类型进行聚类，从该图谱中能够识别白色脂肪组织中所有的典型细胞类型，比如脂肪细胞、脂肪干细胞与祖细胞（ASPCs）、血管细胞和免疫细胞等（图 1c和1d）。为进一步评估BMI对细胞比例的影响，本研究以sNuc-seq数据为参考，对METSIM队列中331名男性皮下脂肪的bulk-RNA数据进行了分析，发现BMI与脂肪细胞的相对丰度与呈负相关，而与ASPC和骨髓细胞呈正相关（图 1e）。
图1 人白色脂肪组织的单细胞图谱
2. 小鼠白色脂肪组织单细胞图谱
用高脂饮食喂食小鼠13周后，取小鼠腹股沟脂肪组织（ING）和性腺周围脂肪组织（PG），进行sNuc-seq测序（图2a和2b）。数据处理后得到197,721个细胞（106,469个来自PG, 91,252个来自ING）。聚类分析发现，除在人类WAT中观察到的所有细胞类型外，还发现了男性和女性上皮细胞群（分别为Dcdc2a+和Erbb4+）。女性上皮细胞群主要存在于ING样本中，类似于乳腺上皮细胞，而男性上皮细胞群几乎只存在于PG样本中（图2c和2d）。与人类数据相比，小鼠WAT中的细胞类型丰度高度依赖于体重，且高脂喂养后小鼠脂肪组织中细胞类型的比例在雄性和雌性小鼠之间存在显着差异。
图2 小鼠白色脂肪组织的单细胞图谱
3. 细胞亚群分析
分析发现小鼠和人类血管内皮细胞的比例是相似的。在人类样本中，肥胖对血管细胞数量的影响很小。但是在小鼠中高脂肪饮食会造成血管细胞发生了显著变化，动脉血管细胞比例降低而静脉血管细胞水平升高。
此外，分析发现免疫细胞亚群中巨噬细胞和单核细胞中在人类与小鼠中对应映射较好。高脂肪饮食会造成小鼠体内巨噬细胞发生显著变化，这一点在人体中相似。
人体中具有6个不同的脂肪组织干细胞与ASPC亚群，小鼠中也是一样，关键的细胞标记物是Pdgfra。小鼠和人类中多个脂肪干细胞与ASPC亚群表现出对饮食、脂肪贮存等方面特征的依赖。
4. 人类白色脂肪细胞的独特亚群
人类白色脂肪细胞被聚类成7个亚群（图3a和3b），免疫组化和免疫荧光验证了scRNA-seq的分群结果和细胞比例（图3c）。为了在更大的数据集中检验SAT亚型比例是否受BMI的影响，本研究对43名女性皮下脂肪细胞的bluk RNA-seq数据分析，发现hAd4 和 hAd7 亚群与 BMI 呈负相关，而hAd5 比例与 BMI 呈正相关，与免疫组化结果一致（图3d）。
为研究单个脂肪细胞亚群是否具有特定功能，作者分析了参与脂肪细胞代谢的基因，并通过聚类分析，确定了亚群 hAd3-hAd7 。hAd3 与“甘油三酯生物合成”相关，包括DGAT2、SREBF1和PNPLA3的更高表达。hAd4表达最高量的几种脂肪酸去饱和酶，包括ELOVL5和FADS3。hAd5 脂肪细胞除了具有最高表达的几种胰岛素信号基因外，还以“鞘脂信号基因”的表达为特征。hAd3 和 hAd4 都表现出脂肪生成基因的高表达，而在 hAd5 中脂肪分解基因的表达更高。随后，本研究对57个来自人类皮下和内脏脂肪细胞祖细胞的 RNA-seq 数据分析发现，体内鉴定的许多亚群存在于培养的细胞中。将单个亚群与代表形态和细胞表型（包括脂质和线粒体含量）的基于图像的特征相关联进行预测，具有高hAd3含量的离体分化的脂肪细胞培养物具有更多的整体脂质和更大的脂滴（图3e）。相反，具有高hAd5含量的离体分化的脂肪细胞培养物具有较少的总脂质和较小的脂滴，这与脂肪分解基因与脂肪生成基因表达的较高比率一致。需特别注意的脂肪细胞亚群是 hAd6，它选择性地表达与产热相关的基因，例如EBF2、ESRRG和PPARGC1A。进一步分析支持了 hAd6 作为具有产热潜力的新型内脏脂肪细胞亚型的作用。
5. 小鼠和人类的脂肪细胞的异同
小鼠脂肪细胞聚类为六个亚群（图3g和3h）。与人类脂肪细胞不同的是，小鼠脂肪细胞亚群表现出很少的脂肪库相关富集，却存在强烈的饮食依赖性，饮食依赖性表达变化反映了所有小鼠细胞亚群的变化和不同亚群的出现或消失。与人类相同的是，与主要脂肪细胞功能相关的基因在小鼠中也显示出一些亚群选择性。
图3 人和小鼠脂肪细胞的亚群聚类
6. 脂肪组织中的细胞间相互作用及其细胞类型和人类疾病的关联
为了对不同体重的细胞相互作用进行研究，本研究使用CellPhoneDB进行分析，通过配体-受体对的表达评估细胞与细胞之间的联系。在高 BMI 的人群中会检测到脂肪细胞与巨噬细胞之间的通信增加，肥胖者体内脂肪细胞与巨噬细胞之间编码配体和受体基因表达也显著升高。这些细胞类型之间的潜在相互作用通常是双向的，并且受体通常在多种细胞类型上表达，表明存在相互作用的网络。这些结果表明脂肪细胞和与之相关的细胞相互作用的变化在脂肪组织的重塑过程中发挥了关键作用（图4a和4b）。对小鼠的数据分析也得到了类似的结果，HFD 增加了配体-受体对表达的强度，非免疫细胞类型之间相互作用显著。
为确定白色脂肪组织中与疾病相关的特定细胞类型，本研究将 scRNA-seq 和 sNuc-seq 数据与 GWAS 整合分析，发现1型糖尿病（T1D）与 B 和 T 淋巴细胞以及 NK 细胞的变化显著相关。与预期一样，WAT 细胞类型与 BMI 不相关，与WAT最相关的表型是BMI调整的腰臀比（WHR）（图4c）。所有脂肪细胞亚群与WHR显著相关（图4d），分析发现PPARG是WHR相关的脂肪细胞基因，它在所有脂肪细胞中都高度表达。来自 METSIM 队列的数据表明，在整个 WAT 中 WHR 和PPARG之间存在很强的反比关系。脂肪细胞也是最有可能介导 WAT 与 T2D 关联的细胞类型，特别是与 hAd7 的关联最强（图4d）。为了进一步研究 hAd7 和 T2D 之间的关联，本研究绘制了 hAd7 的丰度作为 HOMA-IR 的函数，发现hAd7与胰岛素抵抗显示出显著的负相关（图4e），并确定了与HOMA-IR具有相同关系的hAd7标记基因（图4f和4g）。hAd7 的标志基因之一AGMO（也称为TMEM195）已成为T2D GWAS中的候选基因座。以上数据表明hAd7可能对T2D的风险产生巨大影响，尽管它仅占人类脂肪细胞的 1%。
此外，尽管脂肪细胞与低密度脂蛋白（LDL）的关联没有达到全基因组的程度，但本研究发现 LDL 和 hAd1 之间存在近乎显著的关系， hAd4 则存在较小程度关联，如几个 hAd1 和 hAd4 特异性基因与 LDL 显示出强烈的正相关。小鼠数据的 CELLECT结果显示， BMI 调整的 WHR 与小鼠脂肪细胞和前脂肪细胞相关，表明 WHR 可能在很大程度上取决于脂肪细胞分化的改变，这一假设与上述PPARG数据一致，并且与不同 WHR 基因的独立研究一致。
图4 WAT中细胞的相互作用和与人类疾病特征的关联
研究结论
本研究构建出人类和小鼠白色脂肪组织中存在的细胞类型图谱，以更高的分辨率分析了白色脂肪组织生物学特性。描述了新的脂肪细胞亚群，并将特定的细胞类型与代谢性疾病的风险增加联系起来。此外，本研究提供了一个在脂肪组织研究中对小鼠和人体进行比较的框架，这将是将小鼠研究结果转化为人类治疗的重要资源。这些数据提供了前所未有的敏锐度，可以更好地加深对WAT生物学的理解，并能够更深入地探索脂肪组织在健康和疾病中的作用。
参考文献
Emont MP, Jacobs C, Essene AL,et al. A single-cell atlas of human and mouse white adipose tissue.Nature. 2022; 603(7903): 926-933.
王盼飞 | 文案
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