研究背景
WAT通過儲存、釋放脂質(zhì)和分泌調(diào)節(jié)熱量攝入的因子在能量平衡中起重要作用。該組織具有可塑性，并在不同類型的駐留細(xì)胞協(xié)同作用下發(fā)揮功能。若WAT發(fā)生異常，會導(dǎo)致組織功能障礙、胰島素抵抗、II型糖尿病和心血管疾病等。因此，WAT的細(xì)胞組成和結(jié)構(gòu)在決定組織功能方面起關(guān)鍵作用。由于WAT沒有明顯的組織結(jié)構(gòu)，其中的駐留細(xì)胞類型又缺乏明顯的標(biāo)志物，因此定義其微結(jié)構(gòu)存在很大困難。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)已被應(yīng)用于研究脂肪組織的細(xì)胞異質(zhì)性。然而，這不能探究組織內(nèi)細(xì)胞間的空間關(guān)系，再加上成熟脂肪細(xì)胞體積大、脆弱且容易漂浮的原因，導(dǎo)致很多研究只停留在脂肪組織內(nèi)非脂肪細(xì)胞部分，如基質(zhì)血管組分（SVF），或?qū)Τ墒熘�肪�?xì)胞提核分析。
目前，最新的轉(zhuǎn)錄組研究手段，即空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，可以從完整組織切片進(jìn)行RNA測序，能同時獲得空間組織學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)信息，已被用于揭示腫瘤或神經(jīng)系統(tǒng)中細(xì)胞的異質(zhì)性和空間分布特征。本文中，作者使用 10X Genomics的Visium平臺對人腹部皮下WAT進(jìn)行空間轉(zhuǎn)錄組研究，結(jié)合單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)和圖像學(xué)分析，繪制了該組織細(xì)胞類型和結(jié)構(gòu)分布的綜合性圖譜，并鑒定到三種脂肪細(xì)胞類型，具有不同空間的位置分布和對胰島素的應(yīng)答效應(yīng)，揭示出脂肪細(xì)胞的異質(zhì)性是WAT對胰島素敏感性的決定因素。

研究內(nèi)容

// 空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)鑒定人WAT中的多種細(xì)胞特征
研究者利用10X Genomics Visium 空間轉(zhuǎn)錄組平臺對10例禁食狀態(tài)下BMI（body mass index）指數(shù)差異較大受試者腹部皮下WAT樣品進(jìn)行測序分析并測量對胰島素敏感性�；�于基因表達(dá)進(jìn)行聚類分析，獲得20個細(xì)胞類群（C01-C20），結(jié)合近期發(fā)表的人WAT的單細(xì)胞數(shù)據(jù)對細(xì)胞類型進(jìn)行注釋。其中，內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞和祖細(xì)胞占主體。對祖細(xì)胞分析發(fā)現(xiàn)C11的marker基因在脂肪祖細(xì)胞中富集，并在人脂肪形成過程中瞬時表達(dá)。將C11與其他三種祖細(xì)胞（C07、C09和C12）和前人發(fā)表的小鼠脂肪單細(xì)胞文章比較揭示C11沒有顯示出任何小鼠祖細(xì)胞marker基因的富集。成熟脂肪細(xì)胞表達(dá)了該類型細(xì)胞已知的富集基因和通路，并分為3個細(xì)胞類群（C03、C04和C06），分別具有不同的特征基因�？傮w而言，研究者的WAT細(xì)胞分析結(jié)果與前人研究相一致。
為了系統(tǒng)地確認(rèn)WAT細(xì)胞空間組成結(jié)構(gòu)，作者開發(fā)了一種算法來計(jì)算每個細(xì)胞類群中相鄰spots的傾向，并定義為同型聚類分?jǐn)?shù)。分析發(fā)現(xiàn)所有的免疫細(xì)胞、脂肪祖細(xì)胞、血管細(xì)胞和成熟脂肪細(xì)胞在同型評分上表現(xiàn)出很大跨度。在較大血管結(jié)構(gòu)的區(qū)域檢測到經(jīng)典的內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞，而微血管內(nèi)皮細(xì)胞均勻分布于組織各處。為了確定不同細(xì)胞類群的空間關(guān)系，作者開發(fā)了另一種算法來進(jìn)行成對的異型鄰域分析。結(jié)果與預(yù)期相同，大血管結(jié)構(gòu)的spots彼此靠近，M2樣巨噬細(xì)胞經(jīng)常位于兩種脂肪祖細(xì)胞附近。此外，樹突狀細(xì)胞與其他免疫細(xì)胞表現(xiàn)出很高的異型分?jǐn)?shù)，兩類成熟脂肪細(xì)胞（C03和C04）相互共存，與另一類脂肪細(xì)胞（C06）明顯分離。這些結(jié)果說明WAT在空間上比預(yù)期定義了更多細(xì)胞間特定的關(guān)系。

Fig.1 空間和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄數(shù)據(jù)的綜合分析確定了人類WAT中不同的細(xì)胞類別

// 脂肪細(xì)胞大小不是脂肪細(xì)胞異質(zhì)性的決定因素
上述分析已得到三種成熟脂肪細(xì)胞，分析它們的基因表達(dá)模式發(fā)現(xiàn)LEP、PLIN1/PLIN4和SAA1/SAA2分別是三種類型最獨(dú)特的marker基因，因此將這三類脂肪細(xì)胞命名為AdipoLEP、AdipoPLIN和AdipoSAA。結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組結(jié)果可知，參與三酰甘油生物合成和水解的基因在AdipoPLIN高表達(dá)，而在AdipoLEP低表達(dá)。接下來，作者探究能影響WAT功能的脂肪細(xì)胞大小和數(shù)量在三種細(xì)胞類型的異質(zhì)性。在細(xì)胞數(shù)量上，肥胖者的AdipoPLIN細(xì)胞較少，而另外兩種細(xì)胞沒有太大區(qū)別。在細(xì)胞大小上，三種細(xì)胞類型的直徑有較小的差異（74、76和77微米），小脂肪細(xì)胞與大脂肪細(xì)胞的差異表達(dá)基因分析發(fā)現(xiàn)AdipoLEP和AdipoPLIN在小脂肪細(xì)胞和大脂肪細(xì)胞的基因表達(dá)具有差異，盡管差異基因較少。綜上可知不同類型脂肪細(xì)胞的比例受肥胖影響；小脂肪細(xì)胞和大脂肪細(xì)胞相比有部分基因表達(dá)發(fā)生了變化；盡管不同脂肪細(xì)胞類型在不同大小的脂肪細(xì)胞中均有基因表達(dá)上的差異，但這本身并不能解釋脂肪細(xì)胞的異質(zhì)性。

Fig.2 脂肪細(xì)胞大小不是脂肪細(xì)胞異質(zhì)性的主要因素

// 脂肪細(xì)胞大小不是脂肪細(xì)胞異質(zhì)性的決定因素
接下來，作者研究三種脂肪細(xì)胞對組織的功能。首先，作者對56名女性WAT的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，同時用新鮮分離的脂肪細(xì)胞進(jìn)行脂肪合成/分解的測量。當(dāng)比較這56名女性時，三種脂肪細(xì)胞的marker 基因單獨(dú)成簇，肥胖群體中AdipoPLIN比例減少并與BMI呈負(fù)相關(guān)。AdipoSAA表現(xiàn)出與BMI的負(fù)相關(guān)，而AdipoLEP表現(xiàn)出與BMI的正相關(guān)。在脂肪中，脂肪在兒茶酚胺的刺激下分解，而胰島素則抑制這種分解，并促進(jìn)脂肪生成。通過對BMI進(jìn)行多元回歸分析發(fā)現(xiàn)AdipoPLIN和兒茶酚胺介導(dǎo)的刺激作用以及對胰島素抑制的敏感性這兩個脂肪分解的指標(biāo)呈正相關(guān)，AdipoLEP與這兩個指標(biāo)沒有或只存在微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。對于胰島素刺激的脂肪生成，AdipoPLIN呈正相關(guān)而AdipoLEP呈負(fù)相關(guān)。AdipoPLIN和AdipoLEP與HOMA-IR的相互關(guān)聯(lián)鑒定了全身水平的脂肪細(xì)胞亞型和胰島素敏感性之間的關(guān)系，而AdipoSAA與任何指標(biāo)都沒有相關(guān)性�？傊�，AdipoPLIN與胰島素具有更明顯的應(yīng)答關(guān)系。
為了在人體內(nèi)驗(yàn)證上述結(jié)果，作者接下來對10位受試者進(jìn)行高胰島素-正糖鉗夾2小時的治療，并從其中4位收集WAT組織樣品進(jìn)行Visium空間轉(zhuǎn)錄組分析。這四名受試者在血糖水平控制在4.5-5.5mmol/L的情況下，穩(wěn)態(tài)下的胰島素水平比禁食狀態(tài)高出10倍以上，并且根據(jù)葡萄糖處理率（M-value）可知，這四位的胰島素敏感性差異很大。高胰島素處理后與禁食狀態(tài)的空間轉(zhuǎn)錄組結(jié)果具有相似的質(zhì)量，比較后發(fā)現(xiàn)了在不同胰島素水平下基因表達(dá)差異。在對胰島素應(yīng)答基因中，只有極少量的一組基因是三種脂肪細(xì)胞共有的marker基因，這說明盡管胰島素誘導(dǎo)了快速明確的轉(zhuǎn)錄組改變，在這段時間內(nèi)它本身并不是脂肪細(xì)胞異質(zhì)性的驅(qū)動因素。由于這些分析是用所有spots進(jìn)行分析的，無法提供每種脂肪細(xì)胞對胰島素應(yīng)答的差異，因此接下來單獨(dú)分析每種脂肪細(xì)胞并發(fā)現(xiàn)在AdipoPLIN中，胰島素應(yīng)答基因較多，在AdipoSAA中，胰島素應(yīng)答基因較少，而在AdipoLEP中，應(yīng)答基因只有一個�？紤]到四名受試者在胰島素敏感性方面具有明顯差異，作者評估了個體之間對胰島素的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答是否存在定量差異，并發(fā)現(xiàn)只有AdipoPLIN的應(yīng)答反映了M-value。綜上所述，在體內(nèi)對胰島素的整體轉(zhuǎn)錄應(yīng)答主要受AdipoPLIN影響，而其他兩種脂肪細(xì)胞對高胰島素應(yīng)答較少。

Fig.3 只有Adipo^PLIN 對體內(nèi)胰島素有轉(zhuǎn)錄反應(yīng)

主要結(jié)論
本研究利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序、空間轉(zhuǎn)錄組測序和圖像分析鑒定人白色脂肪組織（WAT）的成分和結(jié)構(gòu)。其中三種成熟脂肪細(xì)胞在大小上相似，但是在空間位置和轉(zhuǎn)錄特征上不同，并基于marker基因?qū)�這三類細(xì)胞命名為AdipoLEP、 AdipoPLIN和AdipoSAA 。研究者證實(shí)它們各自的基因表達(dá)模式與脂肪細(xì)胞和全身胰島素敏感性有不同的關(guān)聯(lián)。通過禁食和高胰島素狀態(tài)下的空間轉(zhuǎn)錄組分析揭示只有AdipoPLIN對胰島素有轉(zhuǎn)錄應(yīng)答。