單核RNA測序揭示脂肪生成棕色脂肪細(xì)胞亞群驅(qū)動(dòng)生熱記憶

文章題目：A subpopulation of lipogenic brown adipocytes drives thermogenic memory

中文題目：脂肪生成棕色脂肪細(xì)胞亞群驅(qū)動(dòng)生熱記憶

見刊時(shí)間：2023.10

期刊名稱：Nature Metabolism

影響因子：20.8

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組（10x）、空間轉(zhuǎn)錄組（10x）

DOI：10.1038/s42255-023-00893-w
 

文章摘要

對短暫環(huán)境刺激的持續(xù)反應(yīng)對于生存重要。對非生物因素暫時(shí)變化的長期適應(yīng)機(jī)制仍不完全清楚。研究者發(fā)現(xiàn)短暫的寒冷暴露會(huì)導(dǎo)致棕色脂肪組織持續(xù)的轉(zhuǎn)錄和代謝適應(yīng)，從而改善對二次寒冷遭遇的生熱反應(yīng)。即使在原始刺激停止后，當(dāng)出現(xiàn)再次寒冷暴露時(shí)，可持續(xù)誘導(dǎo)觸發(fā)脂質(zhì)生物合成程序。單核 RNA 測序和空間轉(zhuǎn)錄組檢測揭示，這種反應(yīng)是由位于Ucp1hi 脂肪細(xì)胞周邊的棕色脂肪細(xì)胞的特定亞群驅(qū)動(dòng)。這種脂肪生成程序與�；�肉堿的產(chǎn)生有關(guān)，補(bǔ)充酰基肉堿可增強(qiáng)繼發(fā)性寒冷反應(yīng)�？傮w而言，該研究強(qiáng)調(diào)了棕色脂肪特定亞群對于“生熱記憶”的重要性，這可能對利用短期生熱來對抗肥胖具有治療意義。

研究路線

 

 研究結(jié)果 

1.對急性寒冷的初級和次級產(chǎn)熱反應(yīng)

為了研究初級和次級產(chǎn)熱反應(yīng)背景下的耐冷性，研究者設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首先讓小鼠適應(yīng)熱中性（30°C），然后暴露于兩個(gè)周期的短暫急性寒冷中（4°C，8小時(shí)）。研究者使用持續(xù)保持熱中性的小鼠（TN 組）和僅暴露于單周期寒冷的小鼠（1cyc 組）作為對照。研究者發(fā)現(xiàn)，在初次暴露于短暫的寒冷時(shí)，小鼠體溫迅速下降。但4天后進(jìn)行二次寒冷挑戰(zhàn)后，耐冷性顯著提高（2cyc 組）。

研究者接下來看這種改善的次級產(chǎn)熱反應(yīng)是否依賴于 BAT 和 UCP1。為此，研究者對接受肩胛間 BAT 手術(shù)切除（BAT 切除術(shù)）的小鼠和 UCP1 缺陷小鼠進(jìn)行兩個(gè)周期的短暫急性寒冷（間隔 4 天）。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，相對于未接觸過冷的對照組，研究者沒有發(fā)現(xiàn)次級產(chǎn)熱反應(yīng)有改善，這表明對急性寒冷的次級產(chǎn)熱反應(yīng)增強(qiáng)是BAT和UCP1依賴性的。因此，研究者將重點(diǎn)放在 BAT 上。

圖1 增強(qiáng)對急性寒冷的繼發(fā)生熱反應(yīng)
 

2.對初級生熱反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)

研究者對暴露于急性寒冷和熱中性條件下的小鼠的棕色脂肪進(jìn)行了Bulk RNA測序（RNA-seq）。結(jié)果表明急性寒冷對整個(gè)轉(zhuǎn)錄組產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。在急性誘導(dǎo)的基因中，研究者發(fā)現(xiàn)了在產(chǎn)熱作用中有明顯作用的基因，如Ucp1和Dio2。在那些僅在恢復(fù)熱中性后才被誘導(dǎo)表達(dá)并且即使在沒有低溫的情況下也能持續(xù)表達(dá)的基因中，最突出的是參與從頭脂肪生成（DNL）的基因，包括 Acly、Acaca、Fasn、Elovl6 和 Scd1。這些發(fā)現(xiàn)表明，先前觀察到的響應(yīng)輕度和慢性寒冷的脂質(zhì)生物合成基因的表達(dá)不需要持續(xù)的寒冷暴露。

圖2 初級生熱反應(yīng)導(dǎo)致棕色脂肪組織中脂質(zhì)生物合成程序的延遲誘導(dǎo)，與持續(xù)的冷暴露無關(guān)

 

3.脂肪生成促進(jìn)二次產(chǎn)熱

研究者培育了具有可誘導(dǎo)的棕色脂肪細(xì)胞特異性 Scap (ScapΔUcp1) 缺失的小鼠。初次冷暴露后 4 天，棕色脂肪細(xì)胞中 Scap 的丟失消除了 Fasn 和 Scd1 的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)，但不改變 Ucp1 表達(dá)。為了進(jìn)一步證實(shí) BAT DNL 在繼發(fā)生熱反應(yīng)中的作用，研究者生成了 BAT 中 Fasn 組織特異性敲除的小鼠 (FasnΔUcp1)。同樣，他們沒有發(fā)現(xiàn) FasnΔUcp1 對寒冷挑戰(zhàn)的初級反應(yīng)的耐冷性存在顯著差異，但次級產(chǎn)熱反應(yīng)的改善依賴于 Fasn。

隨后研究者評估了二次產(chǎn)熱對棕色脂肪細(xì)胞脂肪生成的依賴性對全身代謝的影響。結(jié)果顯示，與對照組相比，ScapΔUcp1小鼠的攝氧量反應(yīng)降低。此外，研究者也測試了BAT中頭皮消融對原發(fā)性產(chǎn)熱反應(yīng)后4天葡萄糖耐量的貢獻(xiàn)。

圖3 生脂棕色脂肪細(xì)胞促進(jìn)改善對急性寒冷的次級產(chǎn)熱反應(yīng)

 

4.棕色脂肪組織細(xì)胞對初級生熱的反應(yīng)

研究者接下來對來自熱中性環(huán)境下的經(jīng)歷過寒冷的和未接觸過的 BAT小鼠進(jìn)行了單核 (sn)RNA-seq。共分析了 2,360 個(gè)細(xì)胞核并對聚類出的脂肪細(xì)胞群進(jìn)行了亞亞群分析。對每個(gè)亞亞群高表達(dá)基因進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)A1亞群與最近報(bào)道的通過乙酸鹽介導(dǎo)的調(diào)節(jié)鄰近脂肪細(xì)胞的亞群相同。對A2亞群分析發(fā)現(xiàn) A2 亞群是 A1 和 A3 之間的中間脂肪細(xì)胞狀態(tài)。A3和A4亞群非常相似，主要區(qū)別在于與A3相比，A4中Ucp1和Gnas表達(dá)升高。因此，研究者將 A3 亞群命名為Ucp1lo 棕色脂肪細(xì)胞，將 A4 亞群命名為 Ucp1hi 棕色脂肪細(xì)胞。A5 群中顯示脂肪生成基因的特異性表達(dá)。

隨后研究者分析了每種條件（未接觸過的和經(jīng)歷寒冷的）下的脂肪細(xì)胞核。脂肪細(xì)胞亞亞群的分布在經(jīng)歷寒冷的 BAT 中表現(xiàn)出顯著不同。

研究者又分析了人類棕色脂肪轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集。研究者根據(jù) FASN 表達(dá)鑒定了脂肪生成棕色脂肪細(xì)胞亞群，與 UCP1hi 棕色脂肪細(xì)胞亞群很大程度上不同。

圖4 初級產(chǎn)熱反應(yīng)誘導(dǎo)產(chǎn)脂的棕色脂肪細(xì)胞亞群

 

5.初次生熱后棕色脂肪組織的空間模式

研究者對熱中性條件下經(jīng)歷過冷和未經(jīng)歷過冷的 BAT 切片進(jìn)行了空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。之后將snRNA-seq 數(shù)據(jù)與空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行反卷積來查看細(xì)胞類型的空間分布。隨后，研究者又查看了細(xì)胞類型的空間相關(guān)性。在熱中性條件下，研究者發(fā)現(xiàn)Slc7a10+/Cyp2e1+ A1脂肪細(xì)胞亞群與非脂肪細(xì)胞的共定位最為顯著。此外，非脂肪細(xì)胞彼此之間具有最高的空間相關(guān)性，這表明脂肪細(xì)胞和非脂肪細(xì)胞在熱中性 BAT 內(nèi)的組織空間中有差異。

研究者又更詳細(xì)地評估脂肪細(xì)胞亞群 A1-A5 的空間分布，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵標(biāo)記基因 Ucp1、Fasn、Scd1、Gnas 和 Cyp2e1等在熱中性和短暫急性冷暴露后第 4 天的情況。研究者對經(jīng)歷過寒冷和未經(jīng)歷過寒冷的小鼠的 BAT 切片中的 UCP1 和 FASN 進(jìn)行了免疫熒光染色驗(yàn)證。初次生熱反應(yīng)后 4 天，F(xiàn)ASN+ 脂肪細(xì)胞的數(shù)量急劇增加。重要的是，研究者證實(shí)了單個(gè)細(xì)胞水平上 FASN 蛋白表達(dá)與 UCP1 蛋白表達(dá)之間存在很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，并發(fā)現(xiàn) FASN+ 脂肪細(xì)胞在組織空間中包圍 UCP1hi脂肪細(xì)胞，類似于在空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中觀察到的情況。

圖5 生脂棕色脂肪細(xì)胞在初次生熱反應(yīng)后，在棕色脂肪組織中表現(xiàn)出獨(dú)特的空間組織模式

 

6.�；�肉堿有助于二次產(chǎn)熱

研究者探索 BAT 中脂肪生成的潛在下游機(jī)制，這些機(jī)制有助于改善次級產(chǎn)熱反應(yīng)。研究者假設(shè)，二次生熱反應(yīng)的改善可能是通過 BAT 中脂質(zhì)代謝物水平的持續(xù)重編程來介導(dǎo)的。因此，研究者對暴露于急性寒冷和熱中性條件下不同時(shí)間的小鼠的棕色脂肪進(jìn)行了非靶向脂質(zhì)組學(xué)檢測。在研究者分析的所有脂質(zhì)種類中，長鏈酰基肉堿在 BAT 中保持升高狀態(tài)數(shù)天，并在恢復(fù)熱中性后 32 天回到基線。因此，BAT 中�；�肉堿的豐度與組織啟動(dòng)改善的次級產(chǎn)熱反應(yīng)的能力有關(guān)。

研究者進(jìn)一步分析了特定的長鏈�；�肉堿以及它們在初次冷暴露后在 BAT 中的豐度如何隨時(shí)間變化。

總之，研究者的數(shù)據(jù)表明，BAT 固有的脂肪生成可促進(jìn)短暫冷暴露后�；�肉堿的持續(xù)升高，從而推動(dòng)繼發(fā)反應(yīng)的長期改善。

圖6 主要產(chǎn)熱反應(yīng)導(dǎo)致脂肪生成驅(qū)動(dòng)的酰基肉堿持續(xù)升高

 

 研究意義 

該研究的發(fā)現(xiàn)可能對生熱挑戰(zhàn)療法的設(shè)計(jì)具有重要意義。BAT 在人類中的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們的希望，因?yàn)樗�的刺激可能有助于抵消肥胖及其相關(guān)合并癥的高熱量狀態(tài)。短期產(chǎn)熱挑戰(zhàn)可能是這種治療策略最實(shí)際的實(shí)施方式。他們的研究表明，DNL 的 BAT 內(nèi)在動(dòng)力學(xué)將為開發(fā)最佳的基于冷挑戰(zhàn)的療法提供依據(jù)。

 

參考文獻(xiàn)：

Lundgren P, Sharma PV, Dohnalová L, Coleman K, Uhr GT, Kircher S, Litichevskiy L, Bahnsen K, Descamps HC, Demetriadou C, Chan J, Chellappa K, Cox TO, Heyman Y, Pather SR, Shoffler C, Petucci C, Shalem O, Raj A, Baur JA, Snyder NW, Wellen KE, Levy M, Seale P, Li M, Thaiss CA. A subpopulation of lipogenic brown adipocytes drives thermogenic memory. Nat Metab. 2023 Oct 2. doi: 10.1038/s42255-023-00893-w. Epub ahead of print. PMID: 37783943.