单细胞抽核| snRNA-seq技术揭示肥胖发生过程中脂肪组织重塑机制
文献标题：Plasticity of Epididymal Adipose Tissue in Response to Diet-Induced Obesity at Single-Nucleus Resolution
期刊：Cell metabolism (IF=27.287)
发表时间：2021年2月
平台：10X
样本：小鼠附睾脂肪组织（eWAT）
问题：持续摄入过量能量会导致肥胖，而由肥胖引起的白色脂肪组织的功能改变是肥胖相关疾病(如II型糖尿病和心血管疾病)发展的关键驱动因素。因此，详细了解肥胖发展过程中WAT中单个细胞类型的变化对于理解驱动WAT可塑性和相关疾病的发生机制非常重要。
主要内容：本文利用snRNA-seq技术详细绘制了小鼠附睾脂肪组织的单细胞图谱，并揭示了在饮食诱导的肥胖发生过程中脂肪组织如何通过转录组重编程实现组织重塑。本文证明了不同脂肪细胞亚群的存在，并表明肥胖导致脂肪生成亚群的消失和应激脂质清除亚群的丰度增加。此外，肥胖可能与其他细胞群的丰度和基因表达的重大变化有关，包括巨噬细胞中脂质处理基因的显著增加，而巨噬细胞特异性基因的减少。为未来脂肪细胞分化和脂肪组织可塑性机制的探索研究提供了重要依据。
结果
1. snRNA-seq揭示小鼠睾丸脂肪组织的主要细胞组成
分别选取高脂饮食组 (HFD)和低脂饮食组（LFD）的小鼠附睾脂肪组织进行单细胞核测序，共检测到7种细胞类型，其中5种为脂肪细胞、纤维脂肪源性祖细胞(FAPs)、免疫细胞、内皮细胞和间质细胞。另外两种细胞类型可能来自取样附近的睾丸组织。与LFD组相比，HFD小鼠中免疫细胞的相对数量显著增加，而脂肪细胞数量减少。
图1.附睾脂肪组织的snRNA-Seq
2. 肥胖对附睾脂肪组织中巨噬细胞亚群的影响
对所有免疫细胞重新聚类(n = 8,355)，共细分为9个亚群，分别为巨噬细胞，树突状细胞，T细胞，和B细胞。其中巨噬细胞是eWAT中的主要免疫细胞，基于基因表达，巨噬细胞可进一步分为：血管周样巨噬细胞(C1, PVM)，非血管周样巨噬细胞(C3, NPVM)，脂质相关巨噬细胞(LAM, C2)，proliferative LAM (C5, P-LAM)，胶原表达巨噬细胞(C4, CEM)和调节性巨噬细胞(C6, RM)。与对照组相比，高脂饮食诱导的肥胖导致LAMs和P-LAMs数量急剧增加，NPVMs和PVMs数量显著降低。
图2. 肥胖对附睾脂肪组织中的免疫细胞的影响
3. 肥胖引发间质和内皮细胞群的炎症状态
对间质和内皮细胞重新聚类(n = 790)，可细分成5个亚群，分别为血管内皮细胞(VEC)，淋巴内皮细胞(LEC)，内皮祖细胞(EPC)，间质细胞(MC)和促炎间质细胞(IMC)。细胞比例分析显示，肥胖导致MC细胞数下降，IMC相对数量显著增加，而内皮细胞比例无变化。已知eWAT中，间质细胞和内皮细胞可以通过分泌细胞因子来调节细胞状态。而HFD和LFD组12种差异最为显著的细胞因子中，有9种都是由间质细胞和内皮细胞所分泌，表明HFD诱导的肥胖促使间质和内皮细胞出现炎症反应。
图3. 肥胖对附睾脂肪组织中间质和内皮细胞的影响
4. 肥胖导致前脂肪细胞亚群增加
FAPs是由干细胞、前脂肪细胞和成纤维细胞组成的大而多样的细胞群，可将其细分为四个不同的亚群FAP1-FAP4。其中FAP2高表达成熟脂肪相关基因，表明FAP2是成熟脂肪前体。与对照组相比，HFD组FAP2数量增加，而FAP3和FAP4的数量显著减少，表明肥胖可能促使FAPs向更富脂肪细胞的表型发展。此外， FAP1中，一些此前被报道为脂肪生成抑制剂的因子下调，表明肥胖抑制脂肪生成。而在FAP2中，与新脂肪形成相关的基因下调，表明肥胖影响了新生脂肪细胞的表型，并影响脂肪生成相关基因的表达。
图4.肥胖对附睾脂肪组织FAP细胞的影响
5. 附睾脂肪组织含有不同的脂肪细胞亚群
脂肪细胞可细分为3类：脂肪生成的脂肪细胞(LGA)，清除脂质脂肪细胞(LSA)和应激脂质清除脂肪细胞(SLSA)。其中与对照组相比，HFD组LAG几乎完全消失，而LSA和 SLSA细胞数显著增加。且在LSA和SLSA亚群中，与成熟脂肪细胞功能相关的基因被显著抑制，免疫应答和细胞外基质重塑/胶原沉积相关基因被显著诱导。表明LSA和SLSA细胞增加，可能是导致肥胖的根本原因，同时LGA亚群的消失可能是脂肪细胞可塑性的结果。
图5. 肥胖对附睾脂肪组织中的脂肪细胞的影响
6. 脂肪发育轨迹分析
随后研究者通过脂肪细胞间的发育轨迹来追踪体内脂肪形成。分析结果显示，存在一种亚稳态前脂肪细胞状态，即检查点，需要一个或多个诱导物通过该检查点。一旦通过，细胞会迅速向成熟脂肪细胞转化。且脂肪形成过程中，多种基因综合调控从而促进新生脂肪生成。配体受体对分析结果显示，内皮细胞可通过分泌不同BMP6和PDGFD等，促进脂肪生成，并可能在调节脂肪细胞祖细胞的分化中发挥重要作用。
图6. 体内脂肪发育轨迹分析
[1] Sárvári AK, Van Hauwaert EL, Markussen LK, et al (2021) Plasticity of Epididymal Adipose Tissue in Response to Diet-Induced Obesity at Single-Nucleus Resolution. Cell Metab 33:437-453.e5. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.12.004.
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