Cell Metab | 揭示对胰岛素具有不同敏感性的人类白色脂肪细胞亚群

白色脂肪组织 (white adipose tissue, WAT) 通过储存和释放脂质以及分泌调节热量摄入的因子在能量稳态中发挥重要作用。WAT的一个标志性特征是其固有的可塑性，由几种不同的常驻细胞类型来协同完成。比如健康状态下脂肪组织扩张血管分布增加、祖细胞形成脂肪细胞和瞬时免疫细胞反应，而以脂肪细胞肥大和由浸润免疫细胞介导的慢性炎症为特点的不健康的结构重组会导致胰岛素抵抗、2型糖尿病等的发展。因此，WAT的细胞组成和结构在决定组织功能方面起着关键作用。然而，与大脑、胰腺和肝脏等器官相比，WAT没有显示出独特的组织学组织，再加上许多常驻细胞类型缺乏明确定义的标记，这对定义组织微结构提出了挑战。

为深入了解WAT的细胞复杂性，单细胞分析最近已开始应用于小鼠和人类脂肪库，但仍不能解析细胞之间的空间关系，此外大多数关于WAT的研究都忽略了成熟脂肪细胞而专注于基质血管部分【1】，仅有少数对分离的脂肪细胞核进行了分析，但仍缺乏脂肪细胞形态或组织定位的相关信息【2, 3】。最近已用于揭示肿瘤和中枢神经系统中细胞异质性和空间排列结构的空间转录组学似乎可以用于WAT研究。

2021年8月10日，来自瑞典卡罗琳斯卡大学医院的Niklas Mejhert团队等多个团队在Cell Metabolism杂志上合作发表了一篇题为Spatial mapping reveals human adipocyte subpopulations with distinct sensitivities to insulin 的文章，这项研究通过Visium平台（10x Genomics）执行空间转录组学并将其与单细胞RNA 测序数据以及邻域和图像分析相结合，提供了细胞类型和人类皮下腹部WAT结构的综合图谱，最终确定三种显示出不同空间定位和对胰岛素不同反应的脂肪细胞群，提示脂肪细胞异质性是WAT胰岛素敏感性的决定因素。

首先，研究人员通过10x Genomics Visium空间基因表达平台确定了WAT中的细胞类型异质性和定位，结合所有受试者数据，使用Seurat v3和ST Utility进行下游分析，通过Harmony校正、无监督聚类和UMAP降维的组合方法，在WAT中识别20种不同的细胞类别。随后，研究人员通过stereoscope（一种用于整合空间和单细胞数据的概率方法）【4】利用最近发表的来自人类 WAT 的基质血管部分的单细胞数据对本研究结果进行了反卷积。最终研究人员确定了具有不同特征基因的三种成熟脂肪细胞类别。

为了系统地确定WAT的细胞组织结构，研究人员计算了每个细胞类别中的点彼此相邻定位的倾向（同型聚类分数），如所有免疫细胞、脂肪细胞祖细胞等在评分中表现出很大跨度，而微血管内皮细胞在整个组织中均匀分布。为了进一步确定不同细胞类别之间的空间关系，研究人员还开发了一种算法来执行成对的异型邻域分析，如M2巨噬细胞通常靠近两类脂肪细胞祖细胞等，这一分析提示WAT在空间上的定义比以往预期的更具有特定的细胞间关系。

上述发现的三类成熟脂肪细胞具有不同的转录谱和空间排位，研究人员进一步为每个亚型定义了标记基因，发现LEP（编码脂肪因子瘦素）、PLIN1/PLIN4（编码脂滴蛋白）和 SAA1/ SAA2（编码血清淀粉样蛋白A1和A2急相蛋白）是各自类别中最独特的基因，分别命名为AdipoLEP、AdipoPLIN 和 AdipoSAA。考虑到脂肪细胞的大小和数量均会影响WAT功能，研究人员将这三种细胞类别的数量和受试者的肥胖信息，以及将脂肪细胞大小鼠和来自相应点的基因表达谱整合在一起进行分析。结果表明脂肪细胞亚型的比例受肥胖影响，肥胖受试者的AdipoPLIN细胞较少，在比较大小脂肪细胞时一组基因表现出改变的表达，但脂肪细胞大小并不是脂肪细胞异质性的决定因素。

接下来，研究人员想要评估不同脂肪细胞亚型对组织功能的贡献，对来自于56名女性的WAT转录组数据进行了综合分析，并对新鲜分离的脂肪细胞完成脂肪生成/分解测试。结果与上述空间数据一致，AdipoPLIN细胞在肥胖者中比例降低，与BMI呈负相关，而AdipoLEP细胞与BMI 呈正相关，此外，AdipoPLIN细胞与脂肪分解和生成指标均呈正相关，提示与另外两种亚型相比，AdipoPLIN细胞与更显著的胰岛素反应有关。高胰岛素-正常血糖钳夹作为确定体内胰岛素敏感性的金标准实验，研究人员在对受试者实施后并收集WAT样本，根据细胞类别划分对胰岛素的反应分析，其中，多个基因在AdipoPLIN细胞中对胰岛素有显著反应，而在AdipoSAA和AdipoLEP细胞中更少甚至只有一个。因此，这些数据表明体内对胰岛素的转录反应主要归因于AdipoPLIN，而其他脂肪细胞亚型对高胰岛素血症基本上没有反应。

总的来说，这项研究在不破坏组织结构的情况下原位定义了WAT的细胞类别及其空间定位，根据标记基因将成熟脂肪细胞划分为三种亚型，对体内胰岛素刺激表现出不同的转录反应，提出脂肪细胞异质性式WAT胰岛素敏感性的决定因素。这项研究也提供了一个开放资源以供更详细地剖析除了WAT架构，以及除了成熟脂肪细胞之外的其他细胞类型。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.07.018

参考文献

1. Vijay, J., Gauthier, M.F., Biswell, R.L., Louiselle, D.A., Johnston, J.J., Cheung, W.A., Belden, B., Pramatarova, A., Biertho, L., Gibson, M., et al. (2020). Singlecell analysis of human adipose tissue identifies depot and disease specific cell types. Nat. Metab. 2, 97–109.

2. Sa´ rva´ ri, A.K., Van Hauwaert, E.L., Markussen, L.K., Gammelmark, E., Marcher, A.B., Ebbesen, M.F., Nielsen, R., Brewer, J.R., Madsen, J.G.S., and Mandrup, S. (2021). Plasticity of epididymal adipose tissue in response to diet-induced obesity at single-nucleus resolution. Cell Metab. 33, 437–453.e5.

3. Sun, W., Dong, H., Balaz, M., Slyper, M., Drokhlyansky, E., Colleluori, G., Giordano, A., Kovanicova, Z., Stefanicka, P., Balazova, L., et al. (2020). snRNA-seq reveals a subpopulation of adipocytes that regulates thermogenesis. Nature 587, 98–102.

4. Andersson, A., Bergenstra˚ hle, J., Asp, M., Bergenstra˚ hle, L., Jurek, A., Ferna´ ndez Navarro, J., and Lundeberg, J. (2020). Single-cell and spatial transcriptomics enables probabilistic inference of cell type topography. Commun. Biol. 3, 565