单细胞转录组绘制人与小鼠白色脂肪组织的细胞图谱
前言
题目：A single-cell atlas of human and mouse white adipose tissue 日期：2022-03-16 期刊：Nature DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04518-2
摘要
白色脂肪组织（white adipose tissue， WAT），曾经被认为在形态和功能上平淡无奇，但后来发现它是动态变化的，具有可塑性、异质性，并且参与广泛的生物过程，包括能量稳态、葡萄糖和脂质处理、血压控制和宿主防御。之前很多常规转录组研究发现，WAT与冠状动脉疾病、2型糖尿病 (T2D)、血脂异常相关。
作者利用单细胞转录组提供了人类和小鼠皮下和内脏白色脂肪的细胞图谱，发现了脂肪细胞、脂肪干细胞和祖细胞、血管和免疫细胞的亚群，并证明了物种和饮食条件之间的共性和差异。将特定细胞类型与代谢疾病风险增加联系起来，并为消瘦和肥胖的脂肪的单个细胞类型之间的综合相互作用提供了初步蓝图。
人体白色脂肪组织图谱
使用传统的单细胞处理方法无法处理大而脆弱的成熟脂肪细胞，于是作者采用了两套不同策略：单核测序 (sNuc-seq )和全细胞Drop-seq，组织类型涉及皮下 (SAT) 和内脏 (VAT) 脂肪组织。质控后共获得28,465 个单细胞和 137,684 个单核。
作者通过整合数据，识别了WAT中的典型细胞类型：脂肪细胞、脂肪干细胞和祖细胞（ASPC）、血管细胞和免疫细胞。与预期相符，仅在 sNuc-seq 数据集中发现了脂肪细胞、血管细胞和巨噬细胞。scRNA-seq 数据集中没有发现间皮细胞。不过，在现有的数据中，没有发现体重指数 (BMI) 对细胞类型比例的显著影响。为此，作者扩大了研究规模，使用自己的数据集作为参考，计算了 METSIM 队列中 331 名男性的 SAT 的常规转录组数据中的细胞类型比例。发现该队列中脂肪细胞的相对丰度与BMI呈负相关，而ASPC和髓系细胞呈正相关。
小鼠白色脂肪组织图谱
小鼠是研究脂肪组织生物学的常用模型，因此作者使用了喂食高脂肪饮食（HFD）13周的模型，其中包括对腹股沟脂肪组织(ING)（对应于人类SAT）、雄性性腺周围脂肪组织(PG)和雌性卵巢周围脂肪组织（POV）（对应于人类VAT）。质控得到 197,721 个细胞，并且其中可以得到人类WAT所得到的所有细胞类型。此外，还发现了不同的雄性和雌性上皮细胞群（Dcdc2a+和Erbb4+）。雌性群主要存在于 ING 样本中，类似于乳腺上皮细胞，而雄性群几乎只存在于 PG 样本中。
相比于人类，小鼠 WAT 中的细胞类型丰度高度依赖于体重。HFD 处理的小鼠脂肪组织中细胞类型的比例会因为雄性和雌性出现明显差异，或许性别差异会导致雄性体重的增加。
之后进行跨物种比较，作者使用参考映射算法将每个小鼠细胞分配给人类细胞群，发现小鼠细胞群和映射的人类细胞群之间存在高度整体相似性。
人类独特的脂肪细胞群
人类白色脂肪细胞被聚类成7个细胞群，然后通过免疫荧光验证了单细胞数据的分群结果和细胞比例。基于更大量的常规转录组数据集的去卷积分析发现，hAd4 和 hAd7 亚群与 BMI 呈负相关，而 hAd5 比例与 BMI 呈正相关，与免疫组化结果是一致的。
为了检查聚类分群得到的单个脂肪细胞群是否具有某种特定功能，作者分析了参与脂肪细胞主要代谢活动的基因，并进行了通路分析，然后对 hAd3-hAd7细胞群进行深入的分析。
- hAd3 高表达DGAT2、SREBF1和PNPLA3，与“甘油三酯生物合成”相关
- hAd4高表达ELOVL5和FADS3，编码几种脂肪酸去饱和酶
- hAd5 脂肪细胞除了高表达几种胰岛素信号基因外，还存在鞘脂信号基因的表达
- hAd3 和 hAd4 都表现出脂肪生成基因的高表达，不过 hAd5 的脂肪分解基因的表达更高
之后拿小鼠脂肪细胞进行比较，小鼠的细胞聚类为六个群。与人类脂肪细胞不同的是，小鼠脂肪细胞亚群存在强烈的饮食依赖性。与人类相同的是，主要脂肪细胞功能相关的基因在小鼠中也会出现。
脂肪组织中的细胞间相互作用
为了评估不同脂肪组织和体重的组织中，所有已识别细胞类型之间的潜在相互作用，作者使用CellPhoneDB进行分析，发现高 BMI 与低 BMI 受试者中人类脂肪细胞和巨噬细胞之间潜在的相互作用增加，在人类脂肪细胞和巨噬细胞之间确定的 84 种潜在相互作用中，40 种 (48%) 对高 BMI 受试者具有特异性，只有 3 (4%) 对低 BMI 受试者具有特异性。
值得注意的是，肥胖还与脂肪细胞和许多非免疫细胞类型之间编码配体-受体对的基因表达的显著上调有关，这些细胞类型包括血液和淋巴管内皮细胞、血管平滑肌细胞、周细胞和 ASPC。
另外，人类脂肪细胞亚群中配体和受体的差异表达，进一步支持了它们执行不同功能的观点。例如，血管生成因子（如JAG1和VEGFC ）的脂肪细胞表达在肥胖状态下增加，它们的受体（例如，NOTCH3和KDR）在内皮细胞上的表达也是如此，这与肥胖相关的脂肪细胞中诱导血管生成相一致。
为了确定 WAT 中哪些特定细胞类型可能介导疾病，作者使用了CELLECT将 scRNA-seq 和 sNuc-seq 数据与 GWAS 整合。结果发现：
- 1 型糖尿病（T1D）与 B 和 T 淋巴细胞以及 NK 细胞显著相关，这与该疾病的已知自身免疫基础一致
- 没有 WAT 细胞类型与 BMI 相关
- 所有脂肪细胞亚群都与 waist–hip ratio (WHR)显著相关，原因是PPARG基因它在所有脂肪细胞中高度表达
