Cell Metabolism|空间图谱揭示人类脂肪细胞亚群对胰岛素有不同的敏感性

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英文题目：Spatial mapping reveals human adipocyte subpopulations with distinct sensitivities to insulin

中文题目：空间图谱揭示人类脂肪细胞亚群对胰岛素有不同的敏感性  

期刊名称：Cell Metabolism 

影响因子：27.287

细胞异质性和结构对白色脂肪组织(WAT)功能的贡献尚不清楚。在此，作者利用空间转录组（stRNA-seq）与单细胞测序（scRNA-seq）和图像分析相结合，绘制了人类WAT的组成和结构。最终，该研究确定了18个具有独特倾向的细胞类群，形成空间组织的同型和异型集群。其中三种构成了成熟的脂肪细胞，它们的大小相似，但在空间排列和转录谱上不同。基于标记基因，作者将其命名为Adipo ^PLIN、Adipo ^LEP和Adipo ^SAA。通过对数据进行分析，证实了它们各自的基因谱与脂肪细胞和全身胰岛素敏感性存在不同的关联。高胰岛素-正常血糖葡萄糖钳夹的体内胰岛素刺激显示只有AdipoPLIN对胰岛素有转录反应，也进一步证实了作者的结果。总之，通过挖掘这一多通道资源，作者确定了人类WAT由三种成熟脂肪细胞组成，其中只有一种是胰岛素应答的。

背景介绍

WAT通过储存、释放脂质和分泌因子来调节热量的摄入，从而在能量稳态中发挥重要作用。同时，WAT在细胞组成和结构等功能方面也起着关键作用。与大脑、胰腺和肝脏等器官相比，WAT没有明显的组织结构，加上许多固有细胞类型缺乏明确定义的标记，因此对定义WAT的微结构提出了挑战。

为了对WAT细胞进行更深入的了解，作者利用scRNA-seq和stRNA-seq对其进行了测序研究，并将数据与图像结合分析，最终提供了人类皮下腹腔WAT的细胞类型和结构的全面图谱。通过对这一资源的挖掘以及在人体中进行的功能性研究，作者确定了三种表现出不同空间定位和对胰岛素反应差异的脂肪细胞群体，表明脂肪细胞异质性是WAT对胰岛素敏感性的决定因素。

研究方法

空间转录组；单细胞转录组；免疫荧光；分离脂肪细胞大小测定；高胰岛素-正常血糖葡萄糖钳夹等

研究结果

1. 空间转录组学鉴定了人类WAT的多种细胞特征

作者使用10x Genomics Visium平台对 WAT中的细胞类型的异质性和空间位置进行了研究。通过穿刺活检获得体重指数、年龄和对胰岛素敏感性均有差异的10个人的腹部皮下WAT样本。对其覆盖27,937个spots的数据进行空间转录组分析，结果发现每个切片平均检测17,303个独特基因和3,280,607个UMIs（图1B）。通过对数据进一步分析，共鉴定了 20种不同的细胞类群（C01-C20;图1C），且存在于所有捐助者中。接下来，将目前的结果与最近发表的人类WAT间质血管的单细胞数据进行整合分析 ，结果表明，空间数据包含了内皮细胞、免疫细胞和祖细胞的特定群体（图1D）。人工注释标记基因协助作者对20类细胞类型进行标注（图1E），主要包括免疫细胞（单核细胞［C15］, Ml-like［C20］和 M2-like 巨噬细胞［C08］,树突细胞［C16］,肥大细胞［C10］, B细胞［C18］和NK细胞［C13］）,血管细胞（微血管 ［C05］和经典［C14］内皮细胞和血管平滑肌细胞［C17 / C19］）和脂肪细胞祖细胞（C07 / C09 / C12）。在后者中，C07表达成熟的前脂肪细胞/脂肪干细胞标记物，C09表达编码纤维化和细胞外基质蛋白的转录本，而C12是前两者的混合。一个祖细胞类群（C11）富集了多个编码金属硫蛋白的基因，在立体分析中将其归为祖细胞（图1D）。然而，在UMAP中，它从其他三个祖细胞中分离出来，因此，作者确定了其特征基因在脂肪生成的整体转录谱和WAT的不同组分中的表达。这些分析证实了C11在脂肪祖细胞中富集，并在人类脂肪形成过程中瞬时表达。

空间数据分析了成熟脂肪细胞，他们在C03-C20 细胞类群中占比达到31%-57%。图1E中显示，作者鉴定了三种成熟脂肪细胞(C03/C04/C06)，它们有明显差异的标记基因。

2. WAT在空间上分为同型和异型细胞群

为了系统地确定WAT的细胞类型，作者计算了每个相邻spot点内细胞的倾向性，这里称为同型聚类评分(图2A)。分析结果显示，所有免疫细胞、脂肪祖细胞、血管细胞以及成熟脂肪细胞在同型评分中均表现出较大跨度(图2B,2c)。免疫细胞中的 M1-like巨噬细胞(C20)、B细胞(C18)和肥大细胞(C10) 通常在细胞簇中； 而M2-like巨噬细胞(C08)和NK细胞(C13) 则分布在组织各处。对于脂肪祖细胞，C09和C11 的聚类水平高于C07和C12。对同型簇的检查显示，C09位于纤维/血管结构之上，而 C11位于含有脂肪细胞的区域。成熟脂肪细胞的同型评分较低，除C06外，在组织切片的特定区域密度较高。对于罕见事件，如大血管结构，其评分在样本之间显示出更多的可变性，因为这些特征并不是在所有的部分都存在。然而，经典内皮细胞(C14)和血管平滑肌细胞(C17/C19)在更大的血管结构区域被检测到，而微血管内皮细胞(C05)均匀分布于整个组织。

为了确定不同细胞类型之间的空间关系，作者还开发了一种算法对异型邻域分析 (图3A)，揭示了几种关联性(图3B,3C)。正如预期的那样，较大血管结构 (C14/C17/C19)彼此之间的距离比与血管样组织的距离更加靠近；M2-like巨噬细胞(C08)经常位于两种脂肪祖细胞附近：C09的同型簇(图3C)和分散的C12，这与小鼠研究一致。此外，树突状细胞(C16)与其他免疫细胞表现出较高的异型评分，而两类成熟脂肪细胞(C03/C04)相互共定位，并与C06脂肪细胞明显分离。总之，异型邻域分析表明，WAT的空间定义比预期的更明确，具有特定的细胞-细胞关系。

3. 人类WAT含有不同的成熟脂肪细胞亚群

作者的分析确定了三种不同类型的成熟脂肪细胞，它们具有不同的转录谱和空间排列。作者进一步定义了每个亚型的标记基因（图4A），结果发现了LEP（编码脂肪因子瘦素）、PLIN1/PLIN4（编码脂滴蛋白perilipin-1和-4）和SAA1/SAA2（编码血清淀粉样蛋白A1和A2急性期蛋白质）是各分类中最独特的基因。因此，作者将这些亚群体命名为Adipo ^LEP、Adipo ^PLIN和Adipo ^SAA。如结果所示，Adipo ^LEP富集了细胞-细胞/基质细胞相互作用蛋白和瘦素信号/分泌调节基因。Adipo^PLIN标记基因与葡萄糖和脂质代谢以及脂肪因子脂联素相关。虽然Adipo ^SAA与Adipo ^PLIN有一些共同的标记基因，但这类基因也富集了多种与视黄醇代谢及结合的多种脂肪因子和酶。为了证实这三种亚型的标记基因在成熟脂肪细胞中表达，作者分析了大量配对样本的转录组学数据，比较了从WAT中分离的脂肪细胞和非脂肪细胞。相关数据表明，50个标记基因在脂肪细胞中富集（图4B）,说明Adipo ^LEP、Adip^PLIN和Adipo^SAA代表不同类型的脂肪细胞。空间数据的进一步分析显示，这些亚型表现出相互的表达模式（图4C）。作者用针对Adipo^LEP（DDR2）和Adipo ^PLIN （HSL,由LIPE编码）标记蛋白的抗体对从人皮下WAT分离的成熟脂肪细胞进行染色，验证了该结果（图4D）。此外，还使用针对CD36（Adipo ^PLIN的标记物）和 CSDEl（Adipo ^LEP的标记物）的抗体对人类成熟脂肪细胞进行了免疫共标记，观察到其相互的染色模式。对于Adipo ^SAA，作者进行了多种抗体的测试，但没有一种抗体显示出足够的特异性。综上所述，空间数据可在蛋白质水平上进行概述，并支持所鉴定的脂肪细胞具有不同表达谱的亚群。

4. 脂肪细胞的大小并不是脂肪细胞异质性的决定因素

由于脂肪细胞的大小和数量影响WAT的功能，因此我们将这两个参数与已鉴定的脂肪细胞亚型的关系进行了确定。结果表明Adipo ^LEP是最丰富的细胞类群，其次是Adipo ^PLIN和Adipo ^SAA。在这个相对较小的队列中， 肥胖与非肥胖受试者的比较显示，前者Adipo ^PLIN细胞较少，而两组间Adipo ^LEP和Adipo ^SAA的比例相似。相比之下，供体年龄并不影响脂肪细胞亚型的比例。为了测试脂肪细胞亚型是否在细胞体积上显示出差异，作者开发了一个自动图像分析流程，可将脂肪细胞大小数据与来自相应spot的基因表达谱整合（图5A）。各受试者的数据分析显示，直径存在显著的差异: Adipo^PLIN（74 mm）平均小于Adipo ^SAA （76 mm）和Adipo^LEP（77 mm）（图5E）。为了测试细胞大小是否是脂肪细胞亚型的决定因素，比较了小脂肪细胞和大脂肪细胞差异表达的基因（图5F和5G）。结果表明 ，Adipo ^LEP和Adipo ^PLIN （Adipo ^SAA点数盘较少，无法进行可靠的分析）对细胞大小的差异做出了响应（图5G）。综上所述，这些分析表明:⑴ 脂肪细胞亚型的比例受肥胖的影响；（2）小脂肪细胞和大脂肪细胞的基因发生了差异表达，⑶虽然脂肪细胞亚型对脂肪细胞大小的变化有反应，但这并不能解释脂肪细胞的异质性。

5.  体内脂肪细胞亚群对胰岛素的反应不同

接下来，作者的目标是了解脂肪细胞亚型对组织功能的贡献。为深入了解脂肪细胞亚型方面的功能，作者对56女性的WAT转录组数据进行了综合分析，其中还对新鲜分离的脂肪细胞进行了脂肪分解/脂肪生成测量。在比较56名女性数据时，Adipo ^PLIN、Adipo ^LEP和Adipo ^SAA标记基因形成了单独的、共同调控的集群(图6A)，可用来确定细胞类型丰度和脂肪细胞表型之间的关系。与空间数据一致 ，Adipo ^PLIN在肥胖人群中的比例降低，分析显示Adipo ^PLIN与BMI之间负相关，Adipo^SAA与BMI也呈负相关，而Adipo^LEP呈正相关（图6B）。

在脂肪细胞中，儿茶酚胺刺激脂肪分解，胰岛素抑制脂肪分解促进脂肪生成。通过校正BMI（图6c），作者观察到Adipo^PLIN和两种脂解指标之间存在正相关，而Adipo^LEP与这些参数没有或弱负相关。对于胰岛素刺激脂肪生成，研究发现Adipo ^PLIN与此指标呈正相关，Adipo^LEP呈负相关。相比之下，Adipo^SAA与任何研究参数均无显著相关性。总之，这表明Adipo ^PLIN与Adipo^SAA相比，Adipo ^PLIN与更明显的胰岛素反应有关。为了在人体内测试这一发现，作者在高胰岛素-微生物-正血糖钳夹2小时后，从10个个体中的4个收集了 WAT样本，并进行了空间转录组分析（图7A，7B）。稳定状态下的胰岛素平均浓度是空腹状态下的10倍，从葡萄糖处理率（m值）可以看出，4例患者均表现出明显的胰岛素敏感性（图7B）。高胰岛素血症的空间数据与禁食状态下获得的样本质量相似（图7B），两者的比较在基因表达水平上明确了胰岛素反应（图7C）。这些数据与之前报道的高胰岛素钳夹队列的大量组织RNA测序显示出一致的结果，表明空间分析捕捉到了胰岛素的急性反应。尽管胰岛素诱导了一个快速的转录反应，但在这个时间框架内，它本身并不是脂肪细胞异质性的驱动因素（图7D）。接下来，作者根据细胞类型进行胰岛素反应分析。对于脂肪细胞，在Adipo^PLIN中有多个基因对胰岛素有显著反应，Adipo^SAA中变少，而Adipo^LEP中只有一个基因（图7E）。作者评估了个体间对胰岛素的转录反应是否存在数量差异，分析结果表明，Adipo ^PLIN反映了 M-values值，但这在其他两个亚型中不明显（图7F和7G）。总之，这些数据表明，体内对胰岛素的转录反应主要归因于Adipo ^PLIN，而其他脂肪细胞亚型对高胰岛素血症仍然没有反应。

结论

作者鉴定了人类WAT组织的空间图谱，证实其由多种类型的细胞组成，并排列在特定的区域。此外，WAT至少包含三种不同表型的脂肪细胞亚型。在禁食和高胰岛素状态下，只有一个脂肪细胞亚群对胰岛素有反应，这表明脂肪细胞异质性是WAT胰岛素敏感性的决定因素。虽然研究主要集中在成熟脂肪细胞，但数据集信息非常丰富，也为后续深入研究WAT体系结构和细胞异构性提供了一个开放资源。

研究的局限性

虽作者对WTA有了一定的了解，但仍有一些问题没有得到解答。例如，未确定脂肪细胞异质性的决定因素。未研究常见的代谢紊乱，如2型糖尿病对WAT 微结构和不同脂肪细胞亚型比例的影响。重要的是，脂肪细胞异质性在多大程度上促成了胰岛素抵抗以及异位脂质沉积尚不清楚。此外，缺乏不同脂肪细胞亚型的体内功能数据，较难对成熟的人体脂肪细胞进行分类。除此之外，该研究结果只适用于人类的皮下腹部，其他部位或生物体是否也有类似的分类仍有待确定。

原文下载

https://international.biocloud.net/zh/article/detail/34380013

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