撰文 | 陳文強（哈佛大學博士後）
責編 | 兮
脂肪組織是系統代謝的關鍵調節器，透過旁分泌及內分泌訊號來調節機體代謝，而在肥胖中，脂肪組織的功能紊亂也是多種繼發性代謝紊亂的罪魁禍首【1-2】。通常情況下，脂肪組織可透過其外觀及生理功能被分類為白色脂肪(WAT)、棕色脂肪 (BAT) 或淺褐色 (beige或brite) 脂肪【3】。脂肪包含20-30%的成熟脂肪細胞及包括多種細胞型別的脂肪基質血管成分 (SVF)，其中白色脂肪主要儲存能量，而棕色和淺褐色脂肪可透過非戰慄產熱效應以消散能量，這是透過棕色脂肪和淺褐色脂肪線粒體所存在的UCP1蛋白實現的。
此前的研究透過人脂肪細胞的體外分化實驗，發現了分別與產熱效應、脂質儲存功能相關的四個主要類別。為進一步對脂肪細胞異質性進行鑑定，近日，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Christian Wolfrum團隊 (第一作者Wenfei Sun，也是共同通訊作者)，聯合其他多個國際團隊的研究人員，在Nature雜誌線上發表了題為snRNA-seq reveals a subpopulation of adipocytes that regulates thermogenesis的研究論文，透過小鼠及人源脂肪組織的單細胞核測序鑑定了一類罕見的脂肪組織亞群細胞，這類細胞的丰度隨溫度升高而增加，從而透過醋酸鹽介導的調控機制來調節周圍脂肪細胞的產熱效應。這一研究可幫助我們更好地理解機體產熱及儲存能量的機制。
首先，研究人員使用由Adipoq啟動子驅動、在肩胛間BAT (iBAT) 表達紅色熒光蛋白的小鼠進行棕色脂肪細胞的單細胞核測序，發現三類脂肪細胞亞群C1、C2、C3 (圖1)，並分別鑑定其標誌基因。
圖1. 基於流式細胞的單細胞核測序揭示小鼠棕色脂肪細胞亞群
隨後為了更進一步對生活在不同溫度條件下小鼠進行更深入的單細胞核測序，研究人員採集到了來自於30攝氏度 (熱中性)、生活120天的小鼠的6560個脂肪細胞核及來自於8攝氏度下 (低溫條件) 生活4天的小鼠的11074個脂肪細胞核進行分析。研究人員發現在室溫、熱中性和低溫等不同條件下，脂肪組織細胞核可分為10個亞群 (圖2a-b)，其中P1和P2亞群主要分別來自室溫和低溫條件，而P3來自熱中性條件。為在人源脂肪組織上驗證這一結論，研究人員收集了來自16個受試者的36590個細胞核，發現在3607個脂肪細胞裡可鑑定出8個亞群，而對應小鼠脂肪細胞P4亞群的基因特徵在人來源的BAT組織上具有更高程度的富集，因此認為P4細胞亞群在人源的BAT的比例高於WAT。
圖2. 不同溫度暴露條件下，BAT脂肪細胞不同亞群的鑑定
研究人員分析了P4亞群表達最豐富的的標誌基因Cyp2e1。發現這一獨特亞群細胞主要分佈在iBAT的邊緣及內部。其他P4亞群的標誌基因如Aldh1a1, Nrip1, Auts2, Atp2b4, Cyp2e1均未能在bulk RNA測序中發現，進一步佐證了單細胞核測序的優勢。電鏡研究發現表達有CYP2E1的細胞表現出與BAT相似的超微結構，而線粒體卻較小。當小鼠暴露於室溫或低溫後，表達有CYP2E1的P4細胞在ingWAT脂肪的比例升高，並高於iBAT，提示CYP2E1表達陽性的脂肪細胞可能參與調控產熱效應。
為了驗證這一可能性，研究人員將目標放在與Cyp2e1幾乎完全共表達的基因Aldh1a1上，這是因為此前有報道提示Aldh1a1參與脂肪組織產熱效應【4】。研究人員使用shRNA技術敲減Aldh1a1在成熟棕色細胞的表達 (圖3b)，發現Aldh1a1敲減後，小鼠在低溫暴露後頸部溫度升高更高 (圖3d)，且iBAT內的UCP1表達更高 (圖3e-f)，這些結果均提示P4亞群細胞Aldh1a1的有效敲減伴隨有iBAT產熱效能的增加。
圖3. iBAT成熟脂肪細胞的ALDH1A1表達降低能促進產熱效應及全身能量消耗
研究人員接下來要回答的問題是，iBAT的P4細胞的產熱效能與哪些訊號通路有關呢？研究人員將iBAT和ingWAT進行體外分化為SVF，觀察到具有分化脂肪細胞的異質混合中，大約17%來源於iBAT的脂肪細胞和23%來源於ingWAT的脂肪細胞表達有ALDH1A1和CYP2E1。使用siRNA降低Aldh1a1表達後，UCP1表達增加。接下來，研究人員透過共培養實驗，揭示了P4細胞核其他產熱細胞之間的旁分泌相互作用，證實了P4細胞可調控其他細胞的產熱效應，並提示ALDH1A1+CYP2E1+細胞可能表達某個旁分泌因子來抑制棕色脂肪細胞的產熱效應。隨後，研究人員證實了這個旁分泌因子為視黃素及醋酸鹽 (圖4)。
圖4. ALDH1A1透過醋酸鹽來調控棕色脂肪產熱效能
綜上所述，本文透過成熟棕色及白色脂肪單細胞核的深度測序，鑑定了表達CYP2E1及ALDH1A1的脂肪亞群細胞能以旁分泌方式調控其他脂肪細胞的產熱效應，從而為我們更深入理解脂肪組織在生理及病理條件下的能量代謝。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2856-x
製版人：十一
參考文獻
1. Lauby-Secretan, B. et al. Body fatness and cancer—viewpoint of the IARC working group. N. Engl. J. Med. 375, 794–798 (2016).
2. Hajer, G. R., van Haeften, T. W. & Visseren, F. L. J. Adipose tissue dysfunction in obesity, diabetes, and vascular diseases. Eur. Heart J. 29, 2959–2971 (2008).
3. Cannon, B. & Nedergaard, J. Brown adipose tissue: function and physiological significance. Physiol. Rev. 84, 277–359 (2004).
4. Kiefer, F. W. et al. Retinaldehyde dehydrogenase 1 regulates a thermogenic program in white adipose tissue. Nat. Med. 18, 918–925 (2012).