【IF 20.8】脂肪生成棕色脂肪细胞亚群驱动生热记忆
文章题目：A subpopulation of lipogenic brown adipocytes drives thermogenic memory
中文题目：脂肪生成棕色脂肪细胞亚群驱动生热记忆
见刊时间：2023.10
期刊名称：Nature Metabolism
影响因子：20.8
实验平台：单细胞转录组（10x）、空间转录组（10x）
DOI：10.1038/s42255-023-00893-w
文章摘要
对短暂环境刺激的持续反应对于生存很重要。对非生物因素暂时变化的长期适应机制仍不完全清楚。研究者发现短暂的寒冷暴露会导致棕色脂肪组织持续的转录和代谢适应，从而改善对二次寒冷遭遇的生热反应。即使在原始刺激停止后，当出现再次寒冷暴露时，可持续诱导触发脂质生物合成程序。单核 RNA 测序和空间转录组检测揭示，这种反应是由位于Ucp1hi 脂肪细胞周边的棕色脂肪细胞的特定亚群驱动。这种脂肪生成程序与酰基肉碱的产生有关，补充酰基肉碱可增强继发性寒冷反应。总体而言，该研究强调了棕色脂肪特定亚群对于“生热记忆”的重要性，这可能对利用短期生热来对抗肥胖具有治疗意义。
研究路线
研究结果
1.对急性寒冷的初级和次级产热反应
为了研究初级和次级产热反应背景下的耐冷性，研究者设计了一个实验系统，首先让小鼠适应热中性（30°C），然后暴露于两个周期的短暂急性寒冷中（4°C，8小时）。研究者使用持续保持热中性的小鼠（TN 组）和仅暴露于单周期寒冷的小鼠（1cyc 组）作为对照。研究者发现，在初次暴露于短暂的寒冷时，小鼠体温迅速下降。但4天后进行二次寒冷挑战后，耐冷性显著提高（2cyc 组）。
研究者接下来看这种改善的次级产热反应是否依赖于 BAT 和 UCP1。为此，研究者对接受肩胛间 BAT 手术切除（BAT 切除术）的小鼠和 UCP1 缺陷小鼠进行两个周期的短暂急性寒冷（间隔 4 天）。在这两个实验中，相对于未接触过冷的对照组，研究者没有发现次级产热反应有改善，这表明对急性寒冷的次级产热反应增强是BAT和UCP1依赖性的。因此，研究者将重点放在 BAT 上。
图1 增强对急性寒冷的继发生热反应
2.对初级生热反应的转录反应
研究者对暴露于急性寒冷和热中性条件下的小鼠的棕色脂肪进行了Bulk RNA测序（RNA-seq）。结果表明急性寒冷对整个转录组产生强烈影响。在急性诱导的基因中，研究者发现了在产热作用中有明显作用的基因，如Ucp1和Dio2。在那些仅在恢复热中性后才被诱导表达并且即使在没有低温的情况下也能持续表达的基因中，最突出的是参与从头脂肪生成（DNL）的基因，包括 Acly、Acaca、Fasn、Elovl6 和 Scd1。这些发现表明，先前观察到的响应轻度和慢性寒冷的脂质生物合成基因的表达不需要持续的寒冷暴露。
图2 初级生热反应导致棕色脂肪组织中脂质生物合成程序的延迟诱导，与持续的冷暴露无关
3.脂肪生成促进二次产热
研究者培育了具有可诱导的棕色脂肪细胞特异性 Scap (ScapΔUcp1) 缺失的小鼠。初次冷暴露后 4 天，棕色脂肪细胞中 Scap 的丢失消除了 Fasn 和 Scd1 的转录诱导，但不改变 Ucp1 表达。为了进一步证实 BAT DNL 在继发生热反应中的作用，研究者生成了 BAT 中 Fasn 组织特异性敲除的小鼠 (FasnΔUcp1)。同样，他们没有发现 FasnΔUcp1 对寒冷挑战的初级反应的耐冷性存在显著差异，但次级产热反应的改善依赖于 Fasn。
随后研究者评估了二次产热对棕色脂肪细胞脂肪生成的依赖性对全身代谢的影响。结果显示，与对照组相比，ScapΔUcp1小鼠的摄氧量反应降低。此外，研究者也测试了BAT中头皮消融对原发性产热反应后4天葡萄糖耐量的贡献。
图3 生脂棕色脂肪细胞促进改善对急性寒冷的次级产热反应
4.棕色脂肪组织细胞对初级生热的反应
研究者接下来对来自热中性环境下的经历过寒冷的和未接触过的 BAT小鼠进行了单核 (sn)RNA-seq。共分析了 2,360 个细胞核并对聚类出的脂肪细胞群进行了亚亚群分析。对每个亚亚群高表达基因进行分析后，发现A1亚群与最近报道的通过乙酸盐介导的调节邻近脂肪细胞的亚群相同。对A2亚群分析发现 A2 亚群是 A1 和 A3 之间的中间脂肪细胞状态。A3和A4亚群非常相似，主要区别在于与A3相比，A4中Ucp1和Gnas表达升高。因此，研究者将 A3 亚群命名为Ucp1lo 棕色脂肪细胞，将 A4 亚群命名为 Ucp1hi 棕色脂肪细胞。A5 群中显示脂肪生成基因的特异性表达。
随后研究者分析了每种条件（未接触过的和经历寒冷的）下的脂肪细胞核。脂肪细胞亚亚群的分布在经历寒冷的 BAT 中表现出显著不同。
研究者又分析了人类棕色脂肪转录组数据集。研究者根据 FASN 表达鉴定了脂肪生成棕色脂肪细胞亚群，与 UCP1hi 棕色脂肪细胞亚群很大程度上不同。
图4 初级产热反应诱导产脂的棕色脂肪细胞亚群
5.初次生热后棕色脂肪组织的空间模式
研究者对热中性条件下经历过冷和未经历过冷的 BAT 切片进行了空间转录组学分析。之后将snRNA-seq 数据与空间转录组数据进行反卷积来查看细胞类型的空间分布。随后，研究者又查看了细胞类型的空间相关性。在热中性条件下，研究者发现Slc7a10+/Cyp2e1+ A1脂肪细胞亚群与非脂肪细胞的共定位最为显著。此外，非脂肪细胞彼此之间具有最高的空间相关性，这表明脂肪细胞和非脂肪细胞在热中性 BAT 内的组织空间中有差异。
研究者又更详细地评估脂肪细胞亚群 A1-A5 的空间分布，重点关注关键标记基因 Ucp1、Fasn、Scd1、Gnas 和 Cyp2e1等在热中性和短暂急性冷暴露后第 4 天的情况。研究者对经历过寒冷和未经历过寒冷的小鼠的 BAT 切片中的 UCP1 和 FASN 进行了免疫荧光染色验证。初次生热反应后 4 天，FASN+ 脂肪细胞的数量急剧增加。重要的是，研究者证实了单个细胞水平上 FASN 蛋白表达与 UCP1 蛋白表达之间存在很强的负相关性，并发现 FASN+ 脂肪细胞在组织空间中包围 UCP1hi脂肪细胞，类似于在空间转录组数据中观察到的情况。
图5 生脂棕色脂肪细胞在初次生热反应后，在棕色脂肪组织中表现出独特的空间组织模式
6.酰基肉碱有助于二次产热
研究者探索 BAT 中脂肪生成的潜在下游机制，这些机制有助于改善次级产热反应。研究者假设，二次生热反应的改善可能是通过 BAT 中脂质代谢物水平的持续重编程来介导的。因此，研究者对暴露于急性寒冷和热中性条件下不同时间的小鼠的棕色脂肪进行了非靶向脂质组学检测。在研究者分析的所有脂质种类中，长链酰基肉碱在 BAT 中保持升高状态数天，并在恢复热中性后 32 天回到基线。因此，BAT 中酰基肉碱的丰度与组织启动改善的次级产热反应的能力有关。
研究者进一步分析了特定的长链酰基肉碱以及它们在初次冷暴露后在 BAT 中的丰度如何随时间变化。
总之，研究者的数据表明，BAT 固有的脂肪生成可促进短暂冷暴露后酰基肉碱的持续升高，从而推动继发反应的长期改善。
图6 主要产热反应导致脂肪生成驱动的酰基肉碱持续升高
研究意义
该研究的发现可能对生热挑战疗法的设计具有重要意义。BAT 在人类中的发现激发了人们的希望，因为它的刺激可能有助于抵消肥胖及其相关合并症的高热量状态。短期产热挑战可能是这种治疗策略最实际的实施方式。他们的研究表明，DNL 的 BAT 内在动力学将为开发最佳的基于冷挑战的疗法提供依据。
参考文献：
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.
