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胞亞群驅(qū)動生熱記憶

見刊時間：2023.10

期刊名稱：Nature Metabolism

影響因子：20.8

實驗平臺：單細胞轉錄組（10x）、空間轉錄組（10x）

DOI：10.1038/s42255-023-00893-w
 

文章摘要

對短暫環(huán)境刺激的持續(xù)反應對于生存重要。對非生物因素暫時變化的長期適應機制仍不完全清楚。研究者發(fā)現(xiàn)短暫的寒冷暴露會導致棕色脂肪組織持續(xù)的轉錄和代謝適應，從而改善對二次寒冷遭遇的生熱反應。即使在原始刺激停止后，當出現(xiàn)再次寒冷暴露時，可持續(xù)誘導觸發(fā)脂質(zhì)生物合成程序。單核 RNA 測序和空間轉錄組檢測揭示，這種反應是由位于Ucp1hi 脂肪細胞周邊的棕色脂肪細胞的特定亞群驅(qū)動。這種脂肪生成程序與�；�肉堿的產(chǎn)生有關，補充酰基肉堿可增強繼發(fā)性寒冷反應。總體而言，該研究強調(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

 

 研究結果 

1.對急性寒冷的初級和次級產(chǎn)熱反應

為了研究初級和次級產(chǎn)熱反應背景下的耐冷性，研究者設計了一個實驗系統(tǒng)，首先讓小鼠適應熱中性（30°C），然后暴露于兩個周期的短暫急性寒冷中（4°C，8小時）。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，小鼠體溫迅速下降。但4天后進行二次寒冷挑戰(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)熱反應是否依賴于 BAT 和 UCP1。為此，研究者對接受肩胛間 BAT 手術切除（BAT 切除術）的小鼠和 UCP1 缺陷小鼠進行兩個周期的短暫急性寒冷（間隔 4 天）。在這兩個實驗中，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)熱反應有改善，這表明對急性寒冷的次級產(chǎn)熱反應增強是BAT和UCP1依賴性的。因此，研究者將重點放在 BAT 上。

圖1 增強對急性寒冷的繼發(fā)生熱反應
 

2.對初級生熱反應的轉錄反應

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行了Bulk RNA測序（RNA-seq）。結果表明急性寒冷對整個轉錄組產(chǎn)生強烈影響。在急性誘導的基因中，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。在那些僅在恢復熱中性后才被誘導表達并且即使在沒有低溫的情況下也能持續(xù)表達的基因中，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，先前觀察到的響應輕度和慢性寒冷的脂質(zhì)生物合成基因的表達不需要持續(xù)的寒冷暴露。

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

 

3.脂肪生成促進二次產(chǎn)熱

研究者培育了具有可誘導的棕色脂肪細胞特異性 Scap (ScapΔUcp1) 缺失的小鼠。初次冷暴露后 4 天，棕色脂肪細胞中 Scap 的丟失消除了 Fasn 和 Scd1 的轉錄誘導，但不改變 Ucp1 表達。為了進一步證實 BAT DNL 在繼發(fā)生熱反應中的作用，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)的初級反應的耐冷性存在顯著差異，但次級產(chǎn)熱反應的改善依賴于 Fasn。

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

圖3 生脂棕色脂肪細胞促進改善對急性寒冷的次級產(chǎn)熱反應

 

4.棕色脂肪組織細胞對初級生熱的反應

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小鼠進行了單核 (sn)RNA-seq。共分析了 2,360 個細胞核并對聚類出的脂肪細胞群進行了亞亞群分析。對每個亞亞群高表達基因進行分析后，發(fā)現(xiàn)A1亞群與最近報道的通過乙酸鹽介導的調(diào)節(jié)鄰近脂肪細胞的亞群相同。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表達升高。因此，研究者將 A3 亞群命名為Ucp1lo 棕色脂肪細胞，將 A4 亞群命名為 Ucp1hi 棕色脂肪細胞。A5 群中顯示脂肪生成基因的特異性表達。

隨后研究者分析了每種條件（未接觸過的和經(jīng)歷寒冷的）下的脂肪細胞核。脂肪細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錄組數(shù)據(jù)集。研究者根據(jù) FASN 表達鑒定了脂肪生成棕色脂肪細胞亞群，與 UCP1hi 棕色脂肪細胞亞群很大程度上不同。

圖4 初級產(chǎn)熱反應誘導產(chǎn)脂的棕色脂肪細胞亞群

 

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

研究者又更詳細地評估脂肪細胞亞群 A1-A5 的空間分布，重點關注關鍵標記基因 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 進行了免疫熒光染色驗證。初次生熱反應后 4 天，F(xiàn)ASN+ 脂肪細胞的數(shù)量急劇增加。重要的是，研究者證實了單個細胞水平上 FASN 蛋白表達與 UCP1 蛋白表達之間存在很強的負相關性，并發(fā)現(xiàn) FASN+ 脂肪細胞在組織空間中包圍 UCP1hi脂肪細胞，類似于在空間轉錄組數(shù)據(jù)中觀察到的情況。

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

 

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

研究者進一步分析了特定的長鏈酰基肉堿以及它們在初次冷暴露后在 BAT 中的豐度如何隨時間變化。

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

圖6 主要產(chǎn)熱反應導致脂肪生成驅(qū)動的�；�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)療法的設計具有重要意義。BAT 在人類中的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們的希望，因為它的刺激可能有助于抵消肥胖及其相關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際的實施方式。他們的研究表明，DNL 的 BAT 內(nèi)在動力學將為開發(fā)最佳的基于冷挑戰(zhàn)的療法提供依據(jù)。

 

參考文獻：

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.