Cell Metabolism | 揭示代谢不健康肥胖者（MUO）脂肪细胞的特异性转录作用

尽管肥胖患者的代谢表型存在很大差异，但精准医疗仍未被视为肥胖治疗的标准治疗方法。影响代谢疾病风险变化的最重要因素之一是脂肪组织 (AT) 功能障碍；然而，人们对不同细胞群、细胞类型特异性转录程序和疾病严重程度之间的联系了解甚少。

近期在Cell Metabolism上发表题为“Unveiling adipose populations linked to metabolic health in obesity”的研究。获得了代谢健康肥胖者（MHO）和代谢不健康肥胖者（MUO）的皮下和内脏脂肪组织的综合细胞图谱。通过将单核 RNA 测序与转录组和临床数据相结合，发现间皮细胞、脂肪细胞和脂肪祖细胞与代谢疾病的关联性最强。此外，发现了间皮细胞向间充质表型的转变，这些程序参与了肥胖与代谢疾病的分化。总之，为揭示临床终点的生物学驱动因素提供了有价值的见解。

为了研究脂肪在代谢疾病中的作用，收集 77 名MHO 和 MUO的皮下(subcutaneous AT)和内脏(visceral AT)白色脂肪，并进行了转录组（bulk RNA seq）和单核转录组测序 (snRNA seq)（图 1 A）。与 MUO相比，MUO 患者的内脏 AT 面积显著增加（图 1 E），而皮下 AT 的数量保持不变（图 1 F）。通过单细胞核测序获得了28,931 个内脏 AT细胞核和19,186 个皮下 AT细胞核，并根据典型细胞群注释（图 1 G-K）。MHO 和 MUO 的内脏 AT 细胞组成有显著不同，而皮下 AT 的细胞景观基本没有变化（图 1  G-L）。最显著的变化是，MHO内脏 AT 中间皮细胞 (MesoC) 的比例过高。此外，MHO内脏脂肪细胞比例高于 MUO，表明脂肪细胞增生持续存在。

为了以无监督方式探索单核数据，进行了多细胞因子分析（MOFA-cell）。对于内脏 AT，所有Factor都捕获到了 MHO 和 MUO 之间的明显分离，其中Factor1主要由 MesoC 和 APC的转录差异驱动；与内脏 AT 相反，皮下 AT 的条件分离不太明显（图 1 O-P）。总体而言，MesoC 和 APC 能够解释内脏 AT snRNA-seq 数据中超过 50% 的转录变异性，而脂肪细胞能够解释皮下 AT 约 30% 的转录变异性。发现了 MHO 和 MUO 内脏和皮下 AT 的转录差异，并确定了与代谢健康最密切相关的 AT 特定细胞类型。

图1 AT 在不同健康状态下以特定方式进行重塑

大量文献表明，肥胖者的代谢疾病易感性存在性别差异。发现不同性别患者的疾病严重程度存在细微差异，女性对胰岛素更敏感（图 2 C–2E）。虽然皮下 AT 体积保持不变，但 MUO 男性内脏 AT 体积和体重明显高于女性（图 2 F-G）。鉴于 MUO 个体的条件分离与性别有很强的相关性，按性别进行了分析。虽然内脏和皮下 AT细胞组成改变发生了细微变化，但并未显示出性别之间的统计学差异(图 2H-K)。

接下来，旨在研究高肥胖本身（在代谢疾病参数不增加的情况下）是否会诱导组织重塑。因此对一组独立的非肥胖、代谢健康 (MHNO) 个体的AT进行了 snRNA 测序。有趣的是，在MHNO 和MHO中并未发现内脏（图 2 N 和 2O）或皮下 AT（图 2 P 和 2Q）存在明显的细胞组成差异。总之，MOFA-cell分析揭示了MUO 的女性和男性的不同细胞类型的转录差异，但AT 重塑引起的广泛变化与性别和肥胖无关。

图2 MHUO 患者内脏 AT 的 广泛变化与性别和肥胖无关

与之前的数据一致，研究发现代谢不健康组（MUO）的脂肪细胞尺寸明显更大（图 3 A）。可进一步将内脏脂肪细胞重新分为5个细胞群体（vAdipo1-5），表明脂肪细胞具有明显的异质性（图 3 B-C）。通过对五个脂肪细胞亚群的功能特征进行比较，发现这些亚群表现出炎症（Adipo1 [LEP]）、脂质代谢（Adipo2 [PLIN]）和脂肪生成（Adipo3 [SAA1]）功能的富集。两个脂肪细胞亚群是内脏脂肪所特有，即 vAdipo4（FGF14）和 vAdipo5（FLT1）（图 3 B 和 3C），其分别表现出粘着斑和血管生成途径的功能上调（图 3 B-C）。snRNA-seq 数据显示健康和患病条件下的内脏脂肪细胞之间存在明显分离（图 3E）。且在比较代谢不健康和健康的内脏脂肪细胞时，发现MUO患者中编码代谢途径的基因下降，而参与缺氧相关途径的基因显著富集（图 3F-G）。

接下来，重点分析了皮下脂肪细胞。皮下脂肪细胞重聚类鉴定到了2个特异性群体，sAdipo4（EGR1）和 sAdipo5（NRCAM），而 Adipo1–3 在内脏和皮下 AT 中是保守的（图 3 H-I）。有趣的是，MUO 皮下 AT 中 sAdipo5比例明显升高（图 3 J-K）。皮下特异性脂肪亚群的特点是参与炎症相关途径（sAdipo4 [EGR1]）和生长相关途径（如MAPK信号传导，sAdipo5 [NRCAM]）。发现皮下脂肪细胞在 MHO 和 MUO 之间明显分离（图 3M）。有趣的是，发现 MUO 皮下脂肪中胰岛素信号通路的相关基因上调表达（图 3N）。总之，证实了存在不同的脂肪细胞状态/亚群，且只有一个皮下脂肪细胞亚群在疾病状态下特有。此外，说明内脏脂肪细胞亚群从代谢活跃型转变为缺氧型。

图3 脂肪细胞功能与代谢健康密切相关

为了分析 APC 细胞异质性及其功能，重新聚类了 APC（图 4 A-B）。AAP 进一步聚类为两个亚群，AAPs1（EPHA3 + ZNF804B −）和 AAPs2（EPHA3 + ZNF804B +）。MUO 内脏 AT 中 CPAs1（FMO2）降低（图 4 C 和 4D）。男性 MUO 患者 CPAs2（ICAM1）的比例增加，但女性中无增加，这与 FAP 的细胞比例相反（图 4 C-D）。两种 CPA 均高度表达脂肪形成基因PPARG，FAP 表达干细胞标志物DPP4（图 4E）。最显著的变化是内脏特异性亚群AAPs2增加，其特征是高表达ZNF804B（图4C -E）。有趣的是，AAPs2的增加强烈地依赖于性别，因无法在肥胖男性中检测到这群细胞。

AAPs2 (ZNF804B) 的转录特征表明，选择性表达几种细胞因子 (图 4 G)。配体-受体分析证实 AAPs2 具有很高的分泌能力并与其他 APC 亚群和免疫细胞相互作用，通过影响免疫细胞募集或细胞外基质组成的通路来介导 (如 PTPRC、THBS1 和 LAMA3 信号传导) (图 4 H-I)。接下来研究了 AAPs2 是否能以性别特异性方式抑制脂肪生成。APC 的转录特征明显区分了患有 MUO 的男性和女性；与患有 MUO 的男性相比，患有 MUO 的女性的 APC 中的脂肪生成途径（如 PPARG 信号传导）整体下调（图 4 J-K）。

此外，AAPs2 与免疫细胞的预测相互作用以及它们对编码细胞因子的基因的高表达促使作者研究该群体的丰度是否与内脏 AT 中的免疫细胞数量相关。重聚类的免疫细胞群显示，与 MHO 相比，MUO 内脏 AT 中的Tregs、B 细胞和DCs 的相对丰度更高（图 4 L-M）。有趣的是，这种适应性免疫细胞的富集仅存在于 MUO 女性中，与 AAPs2 (ZNF804B) 的存在相对应。此外，与 MUO 女性相比，MUO 男性的 PVM 和 LAM 较多，这与免疫组织化学验证的巨噬细胞数量总体增加相一致。与内脏 AT 相比，皮下 AT 中的免疫细胞亚型不会因代谢健康或性别而发生变化。综上所述，描述了迄今为止未被认识的 MUO 女性体内炎症、内脏特异性 AAP 群体与适应性免疫细胞之间的潜在串扰。

图4 揭示了女性特异性、高分泌性抗脂肪生成祖细胞群，它们可能募集适应性免疫细胞至内脏 AT

MesoC 一直被视为惰性细胞群，在内脏区形成一层保护层，包围着 AT。然而，最近的研究指出 MesoC 可能会转变为间充质状态。注意到MesoCs 分为两个不同的细胞群，其中一个细胞群meMesoCs以BCHE的表达为特征，而两个群细胞都表达 MesoC 标记基因KRT19（图 5 A-B）。将它们定义为间充质 MesoCs (meMesoCs)。有趣的是，与cMesoC相比，meMesoC 在 MHO 中的富集程度明显高于 MUO（图5 C）。利用 RNA-scope 分析细胞位置发现，BCHE 阳性细胞主要位于 AT 小叶的边界，但也部分散布在 AT 周围的脂肪细胞中（图 5D）。

cMesoCs 和 meMesoCs 的重新聚类分为了六个不同的亚群（图 5E和 5F）。除 MesoCs6 外，所有 MesoCs 亚群均表达间皮标志物KRT19、TM4SF1和EZR。有趣的是，MesoCs6（FN1）显示 APC 标记基因PDGFRA和FN1的富集，与上皮-间质转化（EMT）过程中干细胞标志物的逐渐增加一致。根据标记基因的表达，MesoCs1（KRT19）、MesoCs3（CD55）和 MesoCs4（PPARG）代表 cMesoC，而 MesoCs2（BCHE）和 MesoCs5（ITLN1）对应于 meMesoC。

此外，注意到只有特定的间皮亚型与代谢健康呈正相关（图5G 和 5H）。在 MUO 中，MesoCs4 (PPARG) 的比例明显较高，而 MesoCs6 (FN1) 的比例略高。相反，在 MHO 中，MesoCs2 (BCHE) 和 MesoCs5 (ITLN1) 的相对比例增加，在反卷积后，MesoCs5 (ITLN1) 的比例达到显著性。MesoCs2（BCHE）和MesoCs5（ITLN1）的许多标记基因，如BCHE、CDON、DPP4、WT1和ITLN1，在MHO的MesoC中上调。鉴于编码Omentin1的ITLN1代表一种描述良好的脂肪因子，因此旨在研究MesoCs5（ITLN1）丰度的健康依赖性是否会产生全身影响。ITLN1仅由内脏AT内的MesoC表达，而不存在于皮下AT中（图5I-J）。此外，MHO 患者的血浆 Omentin1 水平明显高于 MUO 患者，表明其有望成为内脏 AT 功能的标志物。

转录组测序发现 MesoCs1（KRT19）、MesoCs2（BCHE）和 MesoCs5（ITLN1）的标志物基因的表达与代谢健康的临床参数呈正相关（图 5 K）。为了进一步研究 MesoCs 亚群和代谢后遗症的依赖性，利用了减肥手术时和术后 2 年（n  = 44）体重指数至少下降 25% 的个体内脏 AT 的独立数据集。对该队列的bulk RNAs seq数据的分析表明，几个 MesoCs1（KRT19）、MesoCs2（BCHE）和 MesoCs5（ITLN1）标记物在减肥手术后体重减轻患者中表达显著增加。

此外，发现MesoC 显示出条件分离，证实它们会根据健康状态发生重大转录变化（图 5 L）。MUO 内脏 AT 中 MesoC 的上调基因在炎症途径中富集，而健康条件下 MesoC 中在Hedgehog和 PDGFR信号通路中富集（图 5 M-N）。这些数据表明，在疾病条件下，MesoC 可能会从间充质表型转变为炎症表型，为 MesoC 在内脏 AT 重塑中的重要作用提供证据。

图5 间皮细胞从上皮状态向间质状态的转变与代谢健康密切相关

原文链接：http://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(24)00452-2