文献解读 | 空间转录组技术绘制白色脂肪组织的空间图谱
白色脂肪组织（WAT）能将多余的脂肪储存在体内，是人体内脂肪组织的主要存在形式之一。WAT广泛分布在体内皮下组织的内脏周围，可作为机体的能源仓库。目前，针对WAT的空间分子组学研究还没见相关报道。在本文中，研究者使用最新的10X Genomics Visium空间转录组测序技术，结合图像学和近期对WAT的单细胞转录组研究结果，绘制了人WAT详细的空间转录图谱，为研究WAT提供了关键信息。
文章详情
文章题目：Spatial mapping reveals human adipocyte subpopulations with distinct sensitivities to insulin.
中文题目：空间图谱揭示人脂肪细胞亚群对胰岛素敏感性的异质性
发表时间：2021.09
期刊名称：Cell Metabolism
影响因子：27.284
实验平台：10x Genomics Visium Spatial Gene Expression platform
DOI：10.1016/j.cmet.2021.07.018
研究背景
WAT通过储存、释放脂质和分泌调节热量摄入的因子在能量平衡中起重要作用。该组织具有可塑性，并在不同类型的驻留细胞协同作用下发挥功能。若WAT发生异常，会导致组织功能障碍、胰岛素抵抗、II型糖尿病和心血管疾病等。因此，WAT的细胞组成和结构在决定组织功能方面起关键作用。由于WAT没有明显的组织结构，其中的驻留细胞类型又缺乏明显的标志物，因此定义其微结构存在很大困难。单细胞转录组测序技术已被应用于研究脂肪组织的细胞异质性。然而，这不能探究组织内细胞间的空间关系，再加上成熟脂肪细胞体积大、脆弱且容易漂浮的原因，导致很多研究只停留在脂肪组织内非脂肪细胞部分，如基质血管组分（SVF），或对成熟脂肪细胞提核分析。
目前，最新的转录组研究手段，即空间转录组测序技术，可以从完整组织切片进行RNA测序，能同时获得空间组织学和转录组学信息，已被用于揭示肿瘤或神经系统中细胞的异质性和空间分布特征。本文中，作者使用 10X Genomics的Visium平台对人腹部皮下WAT进行空间转录组研究，结合单细胞转录组数据和图像学分析，绘制了该组织细胞类型和结构分布的综合性图谱，并鉴定到三种脂肪细胞类型，具有不同空间的位置分布和对胰岛素的应答效应，揭示出脂肪细胞的异质性是WAT对胰岛素敏感性的决定因素。
研究内容
// 空间转录组学鉴定人WAT中的多种细胞特征
研究者利用10X Genomics Visium 空间转录组平台对10例禁食状态下BMI（body mass index）指数差异较大受试者腹部皮下WAT样品进行测序分析并测量对胰岛素敏感性。基于基因表达进行聚类分析，获得20个细胞类群（C01-C20），结合近期发表的人WAT的单细胞数据对细胞类型进行注释。其中，内皮细胞、免疫细胞和祖细胞占主体。对祖细胞分析发现C11的marker基因在脂肪祖细胞中富集，并在人脂肪形成过程中瞬时表达。将C11与其他三种祖细胞（C07、C09和C12）和前人发表的小鼠脂肪单细胞文章比较揭示C11没有显示出任何小鼠祖细胞marker基因的富集。成熟脂肪细胞表达了该类型细胞已知的富集基因和通路，并分为3个细胞类群（C03、C04和C06），分别具有不同的特征基因。总体而言，研究者的WAT细胞分析结果与前人研究相一致。
为了系统地确认WAT细胞空间组成结构，作者开发了一种算法来计算每个细胞类群中相邻spots的倾向，并定义为同型聚类分数。分析发现所有的免疫细胞、脂肪祖细胞、血管细胞和成熟脂肪细胞在同型评分上表现出很大跨度。在较大血管结构的区域检测到经典的内皮细胞和血管平滑肌细胞，而微血管内皮细胞均匀分布于组织各处。为了确定不同细胞类群的空间关系，作者开发了另一种算法来进行成对的异型邻域分析。结果与预期相同，大血管结构的spots彼此靠近，M2样巨噬细胞经常位于两种脂肪祖细胞附近。此外，树突状细胞与其他免疫细胞表现出很高的异型分数，两类成熟脂肪细胞（C03和C04）相互共存，与另一类脂肪细胞（C06）明显分离。这些结果说明WAT在空间上比预期定义了更多细胞间特定的关系。
Fig.1 空间和单细胞转录数据的综合分析确定了人类WAT中不同的细胞类别
// 脂肪细胞大小不是脂肪细胞异质性的决定因素
上述分析已得到三种成熟脂肪细胞，分析它们的基因表达模式发现LEP、PLIN1/PLIN4和SAA1/SAA2分别是三种类型最独特的marker基因，因此将这三类脂肪细胞命名为AdipoLEP、AdipoPLIN和AdipoSAA。结合空间转录组结果可知，参与三酰甘油生物合成和水解的基因在AdipoPLIN高表达，而在AdipoLEP低表达。接下来，作者探究能影响WAT功能的脂肪细胞大小和数量在三种细胞类型的异质性。在细胞数量上，肥胖者的AdipoPLIN细胞较少，而另外两种细胞没有太大区别。在细胞大小上，三种细胞类型的直径有较小的差异（74、76和77微米），小脂肪细胞与大脂肪细胞的差异表达基因分析发现AdipoLEP和AdipoPLIN在小脂肪细胞和大脂肪细胞的基因表达具有差异，尽管差异基因较少。综上可知不同类型脂肪细胞的比例受肥胖影响；小脂肪细胞和大脂肪细胞相比有部分基因表达发生了变化；尽管不同脂肪细胞类型在不同大小的脂肪细胞中均有基因表达上的差异，但这本身并不能解释脂肪细胞的异质性。
Fig.2 脂肪细胞大小不是脂肪细胞异质性的主要因素
// 脂肪细胞大小不是脂肪细胞异质性的决定因素
接下来，作者研究三种脂肪细胞对组织的功能。首先，作者对56名女性WAT的转录组数据进行综合分析，同时用新鲜分离的脂肪细胞进行脂肪合成/分解的测量。当比较这56名女性时，三种脂肪细胞的marker 基因单独成簇，肥胖群体中AdipoPLIN比例减少并与BMI呈负相关。AdipoSAA表现出与BMI的负相关，而AdipoLEP表现出与BMI的正相关。在脂肪中，脂肪在儿茶酚胺的刺激下分解，而胰岛素则抑制这种分解，并促进脂肪生成。通过对BMI进行多元回归分析发现AdipoPLIN和儿茶酚胺介导的刺激作用以及对胰岛素抑制的敏感性这两个脂肪分解的指标呈正相关，AdipoLEP与这两个指标没有或只存在微弱的负相关关系。对于胰岛素刺激的脂肪生成，AdipoPLIN呈正相关而AdipoLEP呈负相关。AdipoPLIN和AdipoLEP与HOMA-IR的相互关联鉴定了全身水平的脂肪细胞亚型和胰岛素敏感性之间的关系，而AdipoSAA与任何指标都没有相关性。总之，AdipoPLIN与胰岛素具有更明显的应答关系。
为了在人体内验证上述结果，作者接下来对10位受试者进行高胰岛素-正糖钳夹2小时的治疗，并从其中4位收集WAT组织样品进行Visium空间转录组分析。这四名受试者在血糖水平控制在4.5-5.5mmol/L的情况下，稳态下的胰岛素水平比禁食状态高出10倍以上，并且根据葡萄糖处理率（M-value）可知，这四位的胰岛素敏感性差异很大。高胰岛素处理后与禁食状态的空间转录组结果具有相似的质量，比较后发现了在不同胰岛素水平下基因表达差异。在对胰岛素应答基因中，只有极少量的一组基因是三种脂肪细胞共有的marker基因，这说明尽管胰岛素诱导了快速明确的转录组改变，在这段时间内它本身并不是脂肪细胞异质性的驱动因素。由于这些分析是用所有spots进行分析的，无法提供每种脂肪细胞对胰岛素应答的差异，因此接下来单独分析每种脂肪细胞并发现在AdipoPLIN中，胰岛素应答基因较多，在AdipoSAA中，胰岛素应答基因较少，而在AdipoLEP中，应答基因只有一个。考虑到四名受试者在胰岛素敏感性方面具有明显差异，作者评估了个体之间对胰岛素的转录应答是否存在定量差异，并发现只有AdipoPLIN的应答反映了M-value。综上所述，在体内对胰岛素的整体转录应答主要受AdipoPLIN影响，而其他两种脂肪细胞对高胰岛素应答较少。
Fig.3 只有AdipoPLIN 对体内胰岛素有转录反应
主要结论
本研究利用单细胞转录组测序、空间转录组测序和图像分析鉴定人白色脂肪组织（WAT）的成分和结构。其中三种成熟脂肪细胞在大小上相似，但是在空间位置和转录特征上不同，并基于marker基因对这三类细胞命名为AdipoLEP、 AdipoPLIN和AdipoSAA 。研究者证实它们各自的基因表达模式与脂肪细胞和全身胰岛素敏感性有不同的关联。通过禁食和高胰岛素状态下的空间转录组分析揭示只有AdipoPLIN对胰岛素有转录应答。
参考文献
Bäckdahl, Jesper et al. “Spatial mapping revealshuman adipocyte subpopulations with distinct sensitivities to insulin.” Cellmetabolism vol. 33,9 (2021): 1869-1882.e6.
