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《细胞—代谢》:闪波/邵孟乐/伍一博等揭示脂肪前体细胞功能异质性及其决定机制

已有 927 次阅读 2022-4-21 09:11 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2022年4月20日晚23时,日本理化学研究所(RIKEN)蛋白质组学专家伍一博教授联合美国得州大学西南医学中心Rana K. Gupta课题组,在Cell Metabolism杂志在线发表题为“Multilayered omics Reveal Sex- and Depot-dependent Adipose Progenitor Cell Heterogeneity”的研究成果。


该研究在多维度上深入、系统地对雌、雄小鼠内脏和皮下脂肪组织中脂肪前体细胞亚群进行了多组学整合分析,发现并揭示了不同脂肪前体细胞亚群间在基因表达和功能方面的高度差异性及其决定机制。


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超重和肥胖的发展趋势在当今世界愈演愈烈,全球由肥胖引发的慢性代谢性疾病发病数量逐年攀升,相关社会医疗资源的投入不断增加,造成了严重的公共健康危机和社会经济负担。


脂肪组织是人体内重要的代谢组织,不仅是体内储存能量物质的场所,而且还是重要的内分泌组织(如分泌Adiponectin、Leptin等脂肪因子)、炎症调节和器官保护组织,并在机体物质和能量稳态中起到至关重要的调控作用。小鼠白色脂肪组织重要组分血小板衍生生长因子受体b阳性(PDGFRb+)血管周围细胞被证实是一类活跃的脂肪前体细胞,一方面可分化成为为脂肪细胞,另一方面可作用于脂肪内免疫细胞而调控脂肪生理和病理微环境的形成,且具有高度的细胞异质性[1]。


Gupta课题组长期关注脂肪组织功能方面的研究,在前期的研究工作中,利用单细胞转录组测序技术率先在基因表达层面鉴定出不同脂肪组织中脂肪前体细胞的高度异质性:1)腹腔脂肪组织:脂肪前体细胞(APC细胞),和表达高水平炎性、纤维化基因的纤维化/炎性前体细胞(FIP细胞)[2];2)皮下脂肪组织:脂肪分化能力较强的DPP4阴性(DPP4-)前体细胞和具有免疫调节能力的DPP4阳性(DPP4+)前体细胞[3]。


在后续的研究中,Gupta课题组逐步揭示了脂肪前体细胞亚群存在显著的功能特异性,例如,腹腔脂肪中的FIP细胞不仅能抑制APC细胞向脂肪细胞的分化,而且可以最早感知能量过度摄入并驱动脂肪炎性病理微环境的形成,FIP细胞受高脂饮食喂养激活后,通过产生炎性细胞因子,诱导炎性巨噬细胞浸润和脂肪代谢炎症[4];皮下脂肪中的DPP4+细胞,通过特异性表达IL-33维持了正常状态下脂肪抗炎型免疫微环境,在冷刺激后,交感神经信号激活DPP4+细胞肾上腺素能b受体(b-AR)信号通路,并通过下游CREB蛋白促进IL-33的表达,进而募集ILC2细胞诱导促脂肪产热免疫微环境的形成,揭示了DPP4+脂肪前体细胞偶联神经和免疫细胞的关键角色[5]。但是这些脂肪前体细胞亚群的功能差异性及其决定机制,以及这些细胞特性的性别差异,此前并不清楚。


在蛋白质组学研究领域,基于液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)的技术是目前应用最广泛的研究手段之一。该类技术中,基于数据依赖采集质谱(data-dependent acquisition mass spectrometry, DDA-MS) 模式的发现蛋白质组学使得在样品中检测和相对定量数千个蛋白质成为可能。这种方法的局限性在于重复性差,数据完整性低,同时低丰度蛋白质检测难度大。另一方面,靶向蛋白质组学方法可以对几十到上百个蛋白质提供重复性高,数据完整性高,且灵敏度高的定量,但该方法通量相对较低,难以实现高通量的蛋白质精确定量。近几年发展的数据非依赖性采集质谱(data-independent acquisition mass spectrometry, DIA-MS)技术,结合了传统蛋白质组学技术的高通量和靶向蛋白质组学高重复性,高灵敏度的优点,可以在多个复杂样品中精确定量数千个蛋白质,实现了该领域技术上的突破。在本课题中,该技术首次被成功运用于脂肪前体细胞的研究。

 

研究人员从决定细胞特性的mRNA和蛋白质两个层面出发,利用流式分选技术分别从从雌、雄小鼠的腹腔和皮下脂肪组织中分离FIP、APC和DPP4-、DPP4+细胞亚群,然后利用DIA-MS技术和RNAseq技术分别的获取上述八种前体细胞亚群的蛋白谱和转录谱,这些数据使得研究人员可以从三个不同维度(性别、细胞类型、组织来源)上全景式比较了各前体细胞亚群的差异性。


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虽然蛋白组和转录组数据很大程度上保持了一致性,但是各细胞亚群在蛋白层面上表现的差异性与mRNA层面上又有一定的不同。研究人员通过对蛋白组数据挖掘,预测了脂肪前体细胞亚群功能差异性的决定机制,并结合动物和细胞实验成功地对预测结果进行了验证,主要包括:


1) PPARg活性依赖的皮下脂肪细胞新生的性别差异;

    对雌、雄鼠DPP4-细胞蛋白组数据的比较提示了脂肪细胞分化决定因子PPARg的转录活性在雌性细胞中的显著升高,雄鼠细胞中PPARg蛋白112位丝氨酸的高磷酸化水平抑制了PPARg的转录功能,造成了肥胖状态下雄鼠皮下脂肪中新生脂肪细胞的相对不足,而较低水平的PPARg蛋白112位丝氨酸磷酸化赋予了雌鼠中更高效的脂肪细胞新生,揭示了成体小鼠脂肪细胞新生性别差异的关键机制。


2) 谷胱甘肽代谢稳态决定APC细胞脂肪分化能力;

分析比较FIP和APC细胞蛋白组数据,提示了谷胱甘肽代谢途径和AhR信号通路在APC细胞里高度富集。深入研究后发现,通过基因操作或者小分子药物调控细胞内GSH/GSSG的比例,可以显著影响APC细胞脂肪分化能力。


3) AhR通路活性决定FIP细胞炎症反应和组织微环境调控能力;

针对AhR通路的研究发现,FIP细胞内低水平的AhR通路活性赋予其较高水平的炎症反应,调控AhR通路可以有效改变FIP细胞炎性细胞因子的表达以及介导巨噬细胞激活的能力。


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综上,该项研究发现并揭示了:脂肪细胞新生性别差异的决定机制;脂肪前体细胞命运决定的关键机制;前体细胞脂肪微环境调控功能差异的决定机制。该研究为深入认知血管周围细胞亚群的差异性提供了全面、立体的信息,为理解脂肪微环境稳态调控机制和脂肪重塑发生机理提供了新的思路。同时,蛋白质组学在该研究中的成功运用,证明了蛋白质水平的分析能为转录组数据提供互补性的关键信息。基于本课题开发的蛋白质组学研究策略具有在技术领域的突破性,并为其它研究提供了全新的分析视角。


伍一博教授Rana K. Gupta教授为本文共同通讯作者,伍一博教授兼本项研究的主要负责人(Lead Contact)。闪波邵孟乐以及Clive Barker为共同第一作者。得州大学西南医学中心Touchstone糖尿病研究所的张倩彬对本工作做出突出贡献。


闪波博士长期致力于探索肥胖相关代谢性疾病致病机理,主要研究代谢组织生理和病理微环境形成机制,近期研究成果以第一作者发表于Cell Metab. (2022), Nat. Metab. (2020), Nat. Immunol. (2017), Genes Dev. (2021), Hepatology (2018)等著名学术期刊上。


现已在浙江大学转化医学研究院成立实验室,拟招聘博士后和科研人员若干名,详细信息请见:

http://itm.zju.edu.cn/CN/info1.asp?t1=146&t2=246&mid=2495


热烈欢迎有志于代谢疾病研究的青年人才加入团队。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.03.012


参考文献

1.Vishvanath, L., et al., Pdgfrbeta+ Mural Preadipocytes Contribute to Adipocyte Hyperplasia Induced by High-Fat-Diet Feeding and Prolonged Cold Exposure in Adult Mice. Cell Metab, 2016. 23(2): p. 350-9.

2.Hepler, C., et al., Identification of functionally distinct fibro-inflammatory and adipogenic stromal subpopulations in visceral adipose tissue of adult mice. Elife, 2018. 7.

3.Shao, M., et al., Pathologic HIF1alpha signaling drives adipose progenitor dysfunction in obesity. Cell Stem Cell, 2021. 28(4): p. 685-701 e7.

4.Shan, B., et al., Perivascular mesenchymal cells control adipose-tissue macrophage accrual in obesity. Nat Metab, 2020. 2(11): p. 1332-1349.

5.Shan, B., et al., Cold-responsive adipocyte progenitors couple adrenergic signaling to immune cell activation to promote beige adipocyte accrual. Genes Dev, 2021. 35(19-20): p. 1333-1338.




https://m.sciencenet.cn/blog-3423233-1334913.html

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