IF 25｜肥胖=身体有炎症？加州大学利用单细胞测序揭示健康和肥胖人群白色脂肪组织细胞图谱差异

吉凯基因

2022.4.13

作者吉凯基因

TA的动态

白色脂肪组织（White adipose tissue，WAT）是哺乳类动物体内的两种脂肪组织之一，在健康且不超重的男性体内，白色脂肪组织占20%的体重；在女性体内，这一值为25%。白色脂肪组织 (WAT) 是能量储存和全身代谢稳态的重要调节剂。由免疫和结构细胞组成的调节网络是维持 WAT 代谢所必需的，在哺乳动物肥胖期间，WAT 可能会受到损害。

2021年，加州大学洛杉矶分校的研究人员利用单细胞转录组技术，对WAT包括的细胞类型，新的细胞亚群，亚群的发育轨迹及配体-受体相互作用进行了描述。

单细胞测序揭示了多样化的

WAT免疫系统

为了解健康人类WAT的细胞组成，作者从3名瘦人和3名肥胖病人的腹部皮下深层脂肪组织中分离出单细胞悬浮液。如果患者没有心血管或肝脏疾病、糖尿病或免疫学疾病的病史，则被认为是 "健康 "的。

每个病人样本的单细胞悬浮液被分选为CD45+（造血）和CD45-（非造血）群体，然后用10×分析（图1a）。质控后82,577个细胞被保留，聚类分析显示了19个不同群组。

频率分析表明：细胞类型与一个共同的细胞系有关，而非来自某一个病人（图1c）。肥胖样本中Endos和adipose-resident DCs、unconventional T cells、ILCs、myeloid-like和NK-like细胞的比例增加。pADs、circulating CD8+和CD4+T细胞亚群、B细胞和其他骨髓细胞群的比例下降或没有变化（图1d,e）。

基于独立队列，流式细胞仪支持了以上scRNA-seq的分析，且表明WAT Endos和APCs，以及γδ T细胞、MAITs、CD4+ T和Treg细胞与BMI的增加呈正相关。而SMCs、pADs和CD8+T细胞是负相关。间质祖细胞与病人的BMI没有相关性（图1f,g）。

以上结果表明，人类肥胖与不同的非免疫细胞和淋巴细胞系的积累有关，与组织驻留的表型一致，但肥胖期间，ILC和骨髓细胞群如何变化不清楚，几个肥胖富集的细胞群（NK cell like、myeloid cell like、ILC、CDC2B like）可能代表了转录相似的异质群体或以前没有描述过的新的细胞亚群，因此，要从用更大的样本量分析亚群来确认细胞系。

图1

肥胖患者中独特的WAT ILC亚群

为进一步研究WAT的细胞异质性，作者收集了7名瘦人或5名肥胖患者的WAT细胞，并选择了CD45+Lin-CD7+CD200R1+和CD45+Lin-CD7+CD200R1-的细胞，两个分选群体的14,849个细胞被分为7个集群（图2a）。与CD45+分选的细胞相似，mNK细胞表达了FCGR3A、FGFBP2、KLRF1和EOMES（图2b）。

其余两个NK细胞亚群不同于CD45+细胞，来自CD45+Lin-CD7+CD200R1-，表达较低水平的FCGR3A和KLRF1（图2b）。另外四个集群共同表达CD200R1和IL7R，代表ILCs（图2a-c），结合文献证明：CD200R1可作为标志物区分人类WAT中的ILCs和NK系细胞。另外两个队列的WAT样本经流式细胞仪实验证实了scRNA-seq分析的结果（图2d，e）。

瘦人、超重人和肥胖人WAT NK细胞和ILC群体的频率和密度分析表明，与瘦病人相比，肥胖病人mNK细胞的频率和密度下降，并与病人的BMI呈负相关；iNK和trNK细胞的频率增加，但密度没有增加，并且与患者的BMI没有明显的相关性；ILC1s在瘦人和肥胖病人中的频率和密度相似；ILC2s在肥胖患者中的频率和密度下降，但由于超重和瘦弱患者中WAT ILC2s的密度相似，因此与患者BMI的增加没有明显的负相关；ILC3s和ILCP like细胞在肥胖的WAT中的频率和密度增加，并与患者的BMI呈正相关，这表明与其他成熟的ILC亚群相比，WAT驻留的ILC3s在肥胖患者中优先积累（图2g,h）。

图2

ILCs亚群可视化表明，ILCP like在转录上与ILC1s和ILC3s的相似性高于ILC2s，ILCP like细胞可能是ILC1s和ILC3s的一种前体。发育分析的软件RNA-velocity，CytoTRACE，Monocle均表明ILCP like细胞可发育为ILC1s和ILC3。IPA表明IL-23和STAT3信号是向ILC3s转变的重要介质，而IFN-α与ID2和STAT5B信号相结合调节了向ILC1转变(图3f、g)。这些结果表明，人类WAT中存在一种以前未识别的ILC1-ILC3前体，肥胖期间WAT内ILC3的累积可能是由于从ILCP like细胞分化出的ILC3增加。

图3

不同的DC和巨噬细胞亚群

在肥胖的WAT中积累

为了检查WAT髓系细胞的异质性，作者收集了七名瘦患者或五名肥胖患者的WAT的单细胞悬液，并按CD45+Lin-CD11b+CD14+和CD45+Lin-CD11bintCD14intHLA-DR+CD11c+分类，scRNA-seq分析表明，两个分选细胞群共得到12, 824个细胞，并聚集成了10个细胞群。其中包括三个单核细胞群体：表达FCGR3A和HES4的ncMos；表达FCER1A的Mo-1s；相比Mo-1s，CSF3R、FCAR和SELL表达增加的Mo-2s；一个中性粒细胞，表达THBS1和S100A12；两种巨噬细胞亚群，TREM2、CD9和LPL在脂质相关巨噬细胞(LAMs)表达，LYVE1、SELENOP、C1Q在PVMs表达(图4a、b)。

与瘦患者相比，DC子集频率没有变化，但密度增加，与患者BMI增加呈正相关(图4h、I)。IMs和LAMs在瘦人WAT中不存在于高频或高密度，但在肥胖WAT中显著累积，并与患者BMI增加呈正相关(图4j，k)。总之，cDC1、cDC2B、cDC2A、LAM和IM细胞群在肥胖的人WAT中累积(图4h-k)。

图4

经典单核细胞在WAT中分化为

PVM和IMs

RNA-velocity、CytoTRACE，Monocle表明PVM和Mo-1s分化程度较低，LAMs、Mo-2s和IMs分化程度更高，Mo-1s分化为PVM和IMs，Mo-2s是IMs的过渡态，PVM分化为LAMs (图5a, b, c, d)。频率分析表明，肥胖细胞中，Mo-1s优先转变为IMs，而非PVM。

IPA分析证实，促炎细胞因子(TNF，IFN-γ等)和信号通路(Jun-Fos)是Mo-1s向IMs转变的重要介质；抗炎细胞因子(IL-1RA，IL-13和IL-37)和转录因子(NANOG，MAFB，MEF2C和GATA4)可调节向PVM的转变；促炎细胞因子TNF、IFN-γ、IL-1β和IL-12A，涉及Jun-Fos的信号通路等介导了从PVM向LAMs的转变 (图5f, g, h)。

因此，胖人WAT微环境诱导单核细胞源性巨噬细胞发育，向受特异性促炎细胞因子和缺氧影响的促炎亚群转变。

图5

配体-受体分析揭示了WAT中

存在的细胞通讯

瘦人中，CellPhoneDB配体-受体分析表明存在数以千计的细胞间相互作用(图6a)，结构细胞、DC、ILC亚群和PVM是通信中枢(图6b)。CellPhoneDB还给出了介导细胞通讯的配体-受体名称，例如cDC2As可能通过产生GAS6、JAG1、PDGF和AREG发挥免疫调节作用，与APC、pad、Endos和SMC相互作用。总之，这些结果暗示了不同的结构和免疫细胞在维持人类WAT稳态中的重要作用，且保护性抗炎机制在瘦人WAT中是活跃的。

图6

与瘦人相比，胖人配体-受体配对总数增加，特别是涉及到循环髓系和巨噬细胞亚群(图7a)。网络图表明，肥胖WAT内PVM、IM、cDC2B和LAM是通讯的中心(图7b，c)。CellPhoneDB同样给出了介导细胞通讯的配体-受体名称，例如IMs和LAMs可能通过TNF-、IL-1β-、IL-18-、CXCL8-、PDGFβ-和TNFSF13B介导的对基质细胞、树突状细胞和循环髓系亚群的调节而导致脂肪组织炎症。总之，这些数据表明肥胖期间WAT间期内有显著的炎性改变，新细胞类型参与了肥胖期间人WAT炎症的增强。

图7

IPA揭示了一种独特的

肥胖富集的WAT信号体

对差异基因进行的IPA分析表明，使用CellPhoneDB鉴定的许多炎性信号在肥胖期间充当基因表达的转录调节因子(图8a)。

WAT常驻免疫细胞，包括IMs、cDC2As、cDC2Bs、ILC3s和trNK细胞，在肥胖期间高度表达了许多关键途径的上游配体。分泌型上游调节因子(如：CSF2, LIF, CXCL12)已被证明在小鼠代谢功能障碍的发生中发挥作用。几种非分泌型上游调节因子(如：HIF1-α, CREB, FOXO1) 与小鼠肥胖相关的炎症和代谢功能障碍有关。

对常见上游调节因子的基因集富集分析表明，在肥胖WAT细胞中存在许多转录调控的重要途径(图8c)。涉及多种JAK-STAT信号通路，包括IL-1、IL-6、IL-12、IL-17等。

综上所述，肥胖期间，巨噬细胞、DC、ILCs、NK细胞和结构细胞产生的炎性通路的复杂混合调节了人WAT中的炎性信号通路。

图8

【参考文献】

Hildreth A D, Ma F, Wong Y Y, et al. Single-cell sequencing of human white adipose tissue identifies new cell states in health and obesity[J]. Nature immunology, 2021, 22(5): 639-653.

吉凯基因凭借多年在靶标筛选及验证服务领域的技术积累，建立的标准化、工程化、系统化的GRP平台，为中国研究型医生提供科研服务，加快科研成果转化。其中，多组学平台包含高通量测序平台和蛋白质组学平台：

·高通量测序平台分为常规测序服务和单细胞测序服务：单细胞测序拥有10x和BD两个平台，提供单细胞RNA-seq、单细胞核测序、单细胞混样RNA-seq、单细胞TCR/BCR、单细胞（RNA+ATAC）、空间转录组测序等服务；常规测序服务提供meRIP-seq（m6A/m1A/m7G/m5C 等RNA甲基化修饰测序）、acRIP-seq（ac4C RNA乙酰化修饰测序）、ATAC-seq、Ribo-seq（翻译组测序）、mRNA/miRNA/LncRNA/circRNA-seq、全转录组测序（两文库/三文库）、外泌体miRNA/LncRNA-seq、WGS/WES、WGBS、RRBS、BSAS等服务；

·蛋白质组学平台拥有多台timsTOF Pro、Exploris 480高精度质谱仪，专业领先的Spectronaut Plusar、Mascot等分析软件，提供专业的4D、DIA、TMT、PRM、磷酸化修饰组、olink蛋白质组等检测服务，强大的机器学习算法、IPA分析、蛋白基因组分析服务，系统的生物标志物、分子分型、药物靶点、基因功能研究等解决方案，真正让广大研究型医生的科研工作更省心、更省力、更高效。