脂肪干细胞亚群的独特特性决定了脂肪库特异性特征
研究背景
在哺乳动物中，脂肪组织主要分为白色脂肪组织（WAT）和棕色脂肪组织（BAT），前者专门储存能量，后者产生热量以维持体温。WAT在解剖学上分为两大脂肪库，内脏脂肪组织和皮下脂肪组织。已经证实附睾脂肪组织（EAT）和腹股沟脂肪组织（IAT）分别是小鼠内脏和皮下脂肪组织的代表性模型。越来越多的证据表明，脂肪干细胞（ASC）的不同特性将介导EAT和IAT的不同特征。
方法流程
作者使用scRNA-seq对来自瘦和肥胖小鼠的EAT和IAT中的异质性ASC进行比较表征，研究了肥胖刺激如何影响ASC特征，并确定了调节库选择性脂肪组织重塑的关键ASC亚群，包括饮食诱导肥胖中的新生脂肪生成、纤维化和炎症。此外，通过ASC移植和淋巴结（LN）清扫实验，研究了内在或组织微环境因素是否会驱动脂肪库特异性ASC簇的不同特征。
研究结果
（1）在EAT和IAT中，ASC簇表现出不同的分子特性，包括三个成脂阶段
为了表征两个白色脂肪库中的ASC，对正常周粮喂养（NCD）的小鼠的Lin（CD31-/CD45-）基质血管组分进行了scRNA-seq分析。对11225个质控阳性细胞的非监督聚类分析显示，来自NCD小鼠的ASC在EAT中分为四个ASC簇（EN1–EN4，N表示NCD），在IAT中分为七个ASC簇（IN1-IN7）（图2A）。使用Palantir推断了ASC簇的分化轨迹, 如图2C和2D所示，EAT-ASC簇主要分为三个阶段：第1阶段（S1）EAT表达BMPs的多能ASC(ES1：簇EN1）；第 2 阶段 (S2) EAT中的早期定型前脂肪细胞高度表达早期脂肪形成标志物，例如Cebpd（ES2：簇EN2-EN3）；EAT中的第3阶段（S3）晚期前脂肪细胞表达晚期成脂标志物，如Fabp4（ES3：簇EN4）。类似的，IAT ASC簇被分为三个阶段：IS1（IN1–IN4簇）、IS2（IN5簇）和IS3（IN6–IN7簇）ASC。
为了确认ASC阶段的硅脂肪生成层次，我们决定通过荧光激活细胞分选（FACS）分离和鉴定EAT和IAT中的ASC。正如预期的那样，ES2和ES3 ASCs中脂滴形成的程度和脂肪细胞标记基因表达高于用脂肪混合物培养的ES1 ASCs，而ES1 ASCs中的细胞增殖活性和成骨潜力更高。同样，IS1、IS2和IS3 ASC表现出不同的成脂和成骨潜能（图2G）。EAT和IAT之间的一个显著差异是，在瘦小鼠中，EAT比IAT中的新生脂肪生成更活跃（图2H）。此外，EAT（ES2和ES3）中的前脂肪细胞比例显著高于IAT（IS2和IS3）。总的来说，ASC簇的不同分子特性和两个白色脂肪库中ASC的不同比例会影响它们的脂肪生成潜力。
图2 在EAT和IAT中，ASC簇表现出不同的分子特性，包括三个成脂阶段
（2）ES1和IS1 ASC的内在因素驱动脂肪生成潜能
从GFP转基因小鼠中分离出GFP+/DPP4+ES1和IS1 ASC，并将它们分别移植到野生型小鼠的EAT和IAT中（图3A）。当检测供体ES1 ASC时，在移植后的ES2和ES3人群中发现65%的GFP+细胞（图3B）。相反，在IS2和IS3人群中发现了14.3%的IS1供者ASC（图3C）。将供体ES1和IS1 ASC交叉注射到对面的脂肪库中（图3A），发现移植到IAT中的DPP4+供体ES1 ASC中有52.2%在移植后的ES2和ES3人群中发现（图3D），而移植到EAT中的供体IS1 ASC中有24.3%在IS2和IS3人群中发现（图3E）。这表明，ES1和IS1 ASC的内在特征将主要推动前脂肪细胞的分化，而脂肪组织微环境可能会产生边际效应。
基因本体分析表明，富含ES1 ASC的基因，如Tle3和Egr2，与脂肪细胞分化有关，而富含IS1 ASC的基因与冷诱导的产热和典型WNT信号有关。当使用siRNA抑制IS1 ASC中Wnt2的表达时，分化脂肪细胞中的脂质含量和脂肪生成标记基因表达显著增强（图3H-3J）。综上所述，内在特征将主要调节ES1和IS1 ASCs的成脂潜能，而IS1 ASCs中的WNT信号将抑制对前脂肪细胞的承诺。
（3）在EAT中，肥胖刺激通过FGF和TGFβ信号促进ES1 ASC增殖，从而诱导新生脂肪生成
为了阐明在肥胖症中介导EAT特异性从头脂肪生成的关键ASC簇和分子机制，使用NCD喂养、2周HFD喂养和10周HFD喂养小鼠的组合scRNA序列数据集，对EAT和IAT中的ASC簇进行了表征和比较。如图4A所示，EN1簇的大多数细胞出现在簇ENH1（NH表示合并的NCD和HFD数据集）。ES1 ASC的比例在肥胖开始时增加，而ES3 ASC在HFD 10周后依次扩大（图4E）。此外，在3天或7天HFD后，ES1 ASC的总数显著增加（图4F和4G）。对喂食NCD或3天HFD的小鼠的脂肪细胞进行的转录组分析表明，在3天HFD后，几种生长因子的表达增加，包括FGFs、TGFβ、BMPs、GDFs和PDGFs（图4H）。FGF和TGFβ信号可能介导HFD 3天后ES1 ASC的存活，这在ES1 ASC中使用Fgfr1和Tgfbr2基因敲除进行了验证（图4I）。与EAT一样，我们发现在HFD喂养期间，IS1、IS2或IS3的比例没有显著变化，或者在HFD喂养3天后，IAT ASC的增殖没有显著变化（图4J）。总之，至少部分由FGF和TGFβ信号级联介导的ES1 ASC的增殖会增强HFD EAT特异性脂肪生成。
图4 在EAT中，肥胖刺激通过FGF和TGFβ信号促进ES1增殖，从而诱导新生脂肪生成
（4）在肥胖患者中，EAT特异性SDC1+和IAT特异性CXCL14+ASC以一种特定的方式调节纤维化和炎症
在肥胖患者中，EAT会迅速发生纤维化和炎症。通路分析表明，TGFβ信号在EAT命运1末端增强（图5D）。在ENH10纤维炎症簇中，表面标记物syndecan 1（Sdc1）被大量表达（图5E）。与scRNA-seq结果一致，FACS实验表明SDC1+ASC在HFD喂养的EAT中占主导地位（图5F）。在HFD喂养的小鼠中，EAT中CXCL12的表达高于IAT（图5J）。此外，HFD EAT患者的CM单核细胞浸润程度比HFD IAT患者的CM进一步升高（图5K）。因此，脂肪库特异性ASC，如SDC1+和CXCL14+细胞，将以库特异性方式调节肥胖患者的纤维炎症特征。
（5）IAT特异性BST2highASC是米色脂肪细胞前体，其生物发生受LNs调节
为了确定IAT特异性米色脂肪细胞前体，我们进行了一项投影分析，将EAT ASC投影到类似的IAT ASC上, 该比较分析表明，似乎没有EAT集群投射到集群IN4上（图6A）。IAT特异性IN4簇中的细胞高度表达Tmem26和Il33，与米色脂肪细胞相关（图6B和6C）。此外，集群IN4中的细胞似乎具有不同于其他IAT ASC的分化命运（图6D）。IAT特异性簇IN4大量表达表面标记物Bst2（图6E）, 与scRNA序列数据一致，在IAT中大量检测到BST2highASC，而在EAT中几乎未观察到BST2highASC。此外，冷暴露增加了BST2highASC的比例，而在Ucp1表达减弱的HFD喂养小鼠中，BST2highASC的比例下调（图6J和6K），这意味着BST2高ASCs可能对调节IAT内代谢刺激下的米色脂肪形成很重要。从解剖学上将IAT分为周围LN IAT（PL-IAT）和远端LN IAT（DL-IAT）（图6M）。如图6N所示，PL-IAT组BST2highASC在总ASC中的比例显著高于DL-IAT组。在室温和冷暴露后，PL-IAT中Ucp1 mRNA的表达也较高，并伴有多房脂肪细胞的富集（图6O、6P），此外，LN去除降低了IAT中BST2highASC的比例（图6R）。综上所述，IAT特异性BST2高表达ASC会产生米色脂肪细胞，LN可能通过IAT特异性BST2高表达米色脂肪细胞前体的生物发生调节IAT的产热特征。
图6 在IAT中，BST2高ASC是米色脂肪前体，其生物发生受淋巴结调控
研究结论
我们以单细胞分辨率分析了EAT和IAT ASC以响应代谢刺激。首先，并排比较和移植实验表明，DPP4+ES1和IS1 ASCs的内在特征将主要决定它们的脂肪生成潜力。其次，在肥胖开始时，由FGF和TGFβ信号刺激的DPP4+ES1特异性增殖将诱导EAT选择性从头脂肪生成。第三，在长时间暴露于致肥胖刺激后，EAT特异性SDC1+ASCs会促进纤维炎症重塑，而IAT特异性CXCL14+ASCs会抑制单核细胞浸润。最后，IAT特异性BST2highASC似乎在IAT选择性米色脂肪细胞生物发生中起关键作用。总的来说，这些数据表明，来自EAT和IAT的ASC簇的不同特性将决定脂肪库的特定代谢特征。
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