单细胞测序助力找到米色脂肪祖细胞新型标志物—CD81

来源：BioArt

人体的脂肪组织可分为3种：白色脂肪组织(White adipocytes tissue, WAT)、棕色脂肪组织(Brown adipocytes tissue, BAT)和米色脂肪组织(Beige adipocytes tissue)。实际上，脂肪组织的组成并不是一成不变的，而是始终处于一个动态变化的过程，比如说，寒冷刺激和肾上腺素刺激会促进WAT的棕色化(Browning or beiging of WAT )【1】。越来越多的研究证据表明，增加米色脂肪的生成对于人体的健康大有脾益，它不仅可以燃烧脂肪，还能增强机体的胰岛素敏感性，减少WAT的炎症反应和纤维化，对于维持人体的代谢稳态具有非常重要和积极作用【2】。

目前的研究发现米色脂肪细胞可以由一类特定的脂肪祖细胞(adipocytes progenitor cells, APCs)分化产生，也被称之为Beige APCs。但是，如何将这一类APCs与其他细胞准确区分开来以及米色脂肪细胞的分化过程是如何被调控的？这些重要的科学问题仍未得到很好的回答。

近日，来自加州大学旧金山分校糖尿病研究中心的Shingo Kajimura教授研究团队在Cell 上发表了题为CD81 Controls Beige Fat Progenitor Cell Growth and Energy Balance via FAK Signaling的研究，报道了CD81不仅可以作为一类米色脂肪祖细胞的新型标志物，还在米色脂肪的分化过程中发挥重要的调控作用。

首先，为了搞清楚哪一类特定的APCs可以分化成米色脂肪细胞，作者对不同来源的小鼠脂肪组织---肩胛间棕色脂肪组织(iBAT)、腹股沟(lng WAT)以及附睾(epi WAT)白色脂肪组织的脂肪基质细胞进行单细胞测序，其中一类细胞因为高表达一些此前被报道参与米色脂肪生成的基因（如Sm22和Acta2）而引起了作者的注意。作者发现，在这类细胞中，Pdgfra, Sca1 以及Cd81这三种细胞表面标志物是表达最高的，而前面两个被认为是beige APCs的Marker【3】。另外，单细胞测序结果显示：在Pdgfra+Sca1+的APCs亚型中也都能检测到Cd81的表达。这些结果说明CD81有可能是Beige APCs的一个新型标志物。

为了验证上述设想，作者将CD81+和CD81-细胞分别从小鼠的腹股沟脂肪中分选出来并进行体外培养，结果发现只有CD81+细胞能够分化成成熟的脂肪细胞，并会表达很多棕色/米色脂肪所特有的基因，如Ucp1, Pgc1a, Cidea, 和 Cox8b。不仅如此，分化的CD81+细胞中OXPHOS 复合体各个亚基的表达量以及细胞的氧消耗量与CD81-相比也是显著升高的，这些都是棕色/米色脂肪细胞经典的细胞表型。同时，作者在小鼠体内也证实了CD81+细胞可以在寒冷刺激下分化成米色脂肪细胞。这些实验说明CD81+ APCs的确可以分化成米色脂肪细胞。

作者接下来想搞清楚的的问题是：为什么CD81+ APCs可以分化成米色脂肪细胞呢？通过对不同脂肪组织来源的CD81+和CD81-细胞进行RNA-seq分析，作者发现只有腹股沟脂肪组织(lng WAT)来源的CD81+和CD81-细胞的在基因转录水平具有显著差异，更加有意思的是：lng-WAT来源的CD81+ APCs与CD81- APCs以及其他脂肪组织来源的CD81+ APCs相比，在寒冷刺激下具有更强的增殖能力。

为了找到内在的分子机制，作者对RNA-seq的结果做了一个功能富集，发现Focal adhesion pathway,包括FAK(Focal adhesion kinase)在CD81+ APCs中上升最为显著。紧接着，作者对这一发现进行了验证，结果表明敲低FAK或者用FAK抑制剂处理均能有效抑制CD81+ APCs的增殖。另外，作者发现CD81对于FAK通路的激活也是必须的，这就说明CD81应该不仅仅是作为beige APCs的Marker，并且可能对于beige APCs的增殖具有非常重要的调控作用。

CD81在之前的研究中被报道与integrins(整合素)具有相互作用，而作者发现在lng-WAT来源的CD81+ APCs中integrin αV以及integrin β1、β5表达水平很高。更有意思的是，最近的一则研究发现运动产生的一种肌肉因子—irisin，可以通过integrin αV/β5和integrin αV/β1来激活Integrin-FAK信号通路从而促进米色脂肪的生成【4】，这提示CD81可能在irisin激活Integrin-FAK信号通路扮演重要的角色。通过进一步的实验，作者发现CD81会与V/β5和αV/β1 integrins之间形成复合体激活FAK 信号通路，促进CD81+ APCs的增殖。

在搞清楚CD81是如何调控CD81+ APCs的增殖之后，作者最后想去验证一下CD81对于CD81+ APCs分化成米色脂肪细胞是否是必需的。通过构建Cd81全身敲除的小鼠，作者发现，Cd81缺失会显著减少lng WAT在寒冷刺激下米色脂肪的生成，而其他部位的脂肪组织似乎不受影响。通过特异性的在CD81+ APCs中敲除PPAR-γ基因破坏其细胞功能，作者再次证实了之前研究结论，同时排除了是由于非特异性的影响了米色脂肪从头合成等成的影响。同时，作者观测到CD81缺失会加剧小鼠因高脂饮食诱导产生的肥胖，糖耐受能力减弱等表型。更为重要的是，在人的皮下脂肪中，CD81+ APCs减少会显著增加患代谢疾病的风险。

最后，总结一下。PDGFα和Sca1作为beige APCs已知Marker，实际上在其他一些脂肪细胞中也能检测的到【3】，因此用它们来作为beige APCs的Marker并不准确。而Shingo Kajimura教授的工作不仅找到这类beige APCs的一个新的更准确的标志物—CD81,同时揭示了其在分化成米色脂肪过程中重要的调控作用。更加有意义的是，CD81+ APCs有潜力成为一个生物标志物去评估个体的代谢健康状况。

同时，作者在讨论部分也提到，CD81只能作为特定一类beige APCs的Maker,且仅限在腹股沟脂肪组织当中。这意味着除了CD81+ APCs之外，其他一些脂肪祖细胞在接受不同的外界刺激下也会分化产生米色脂肪细胞。考虑到米色脂肪组织对于人体代谢稳态具有非常重要的生理意义，因此这一领域仍有很多重要且有趣的科学问题值得去进一步探索。