定义产热性血管周围脂肪组织的谱系

Defining the lineage of thermogenic perivascular adipose tissue

作者信息Anthony R Angueira, Alexander P Sakers, Corey D Holman, Lan Cheng, Michelangella N Arbocco, Farnaz Shamsi, Matthew D Lynes, Rojesh Shrestha, Chihiro Okada, Kirill Batmanov, Katalin Susztak, Yu-Hua Tseng, Lucy Liaw, Patrick Seale
PMID33846639
期刊Nat Metab
发布时间2021-04
DOI10.1038/s42255-021-00380-0

实验完整度

研究包含单细胞转录组、体外分化、遗传谱系追踪、体内药物处理及人类样本单核RNA-seq等多个独立证据层级,并进行功能与机制验证。

主要模型

小鼠胸主动脉PVAT 人主动脉PVAT样本 人深颈部棕色脂肪(public dataset)

重点核对

小鼠品系(C57/Bl6、CD1)及年龄(胚胎、新生、成年) 单细胞RNA测序的细胞分选策略及标记基因(如LY6A、CD142、CD200) 遗传谱系追踪使用的Cre驱动系(Myh11-Cre、Pdgfra-CreER等)及他莫昔芬处理方案 人PVAT样本来源及处理(冠状动脉旁路移植术患者,男,平均年龄64岁)

摘要

棕色脂肪组织可以消耗大量能量,因此增加其大小或活性是对抗代谢疾病的一种有前景的治疗方法。在人类中,棕色脂肪细胞的主要沉积物与大血管密切相关,对应于血管周围脂肪组织(PVAT)。然而,PVAT的细胞起源知之甚少。在此,我们确定了小鼠和人类血管周围脂肪细胞祖细胞的身份。在小鼠中,胸部PVAT由成纤维细胞谱系发育而来,该谱系由祖细胞(Pdgfra+; Ly6a+; Pparg-)和前脂肪细胞(Pdgfra+; Ly6a+; Pparg+)组成,它们与白色脂肪组织中的类似细胞类型具有转录相似性。有趣的是,成年动物的主动脉外膜包含一群脂肪形成的平滑肌细胞(SMCs)(Myh11+; Pdgfra-; Pparg+),它们有助于血管周围脂肪细胞的形成。同样,人类PVAT包含推测的成纤维细胞和SMC样脂肪细胞祖细胞,如单核RNA测序所揭示。总之,这些研究定义了产热性PVAT的不同祖细胞群体,为制定增强棕色脂肪活性的策略提供了基础。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
血管周围脂肪组织(PVAT)的细胞起源是什么?以及这些祖细胞在发育和成年期如何维持产热脂肪?
核心机制
胸主动脉PVAT在围产期由成纤维细胞谱系(祖细胞和前脂肪细胞)发育形成;成年期主动脉外膜存在一群表达Pparg的脂肪形成性平滑肌细胞(SMC2),这些细胞可贡献于血管周围脂肪细胞的形成。人类PVAT也存在类似的成纤维细胞和SMC样脂肪细胞祖细胞。
主要证据
单细胞转录组鉴定出成纤维细胞亚群(祖细胞、前脂肪细胞、中间细胞),体外分化实验证实祖细胞和前脂肪细胞具有成脂能力,谱系追踪(Pdgfra-CreER、Penk-Cre)显示成纤维细胞在新生期和成年期生成脂肪细胞,Myh11-Cre和Trpv1-Cre追踪显示成年SMC2贡献于脂肪细胞形成;人类PVAT单核RNA测序发现类似细胞群。
研究意义
该研究定义了产热性PVAT不同的祖细胞群体,为制定增强棕色脂肪活性的策略提供了基础,可能有助于对抗肥胖和代谢疾病。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

描述胸主动脉PVAT的特征

验证主动脉PVAT是否具有经典棕色脂肪的表型特征,包括高表达UCP1、对寒冷暴露的响应、依赖EBF2以及抵抗饮食诱导的炎症。

通过组织学染色(H&E)和实时定量PCR检测胸主动脉PVAT与iBAT和iWAT的基因表达;对小鼠进行寒冷暴露(4°C)或热中性(30°C)处理;使用Ebf2敲除小鼠(Ebf2ΔAdipoq)检测PVAT形态和基因表达;用西方饮食喂养小鼠16周,检测PVAT和eWAT的炎症基因表达。

2

鉴定发育中主动脉PVAT的成纤维细胞异质性

确定围产期主动脉中存在的细胞类型,特别是成纤维细胞亚群及其空间定位。

对E18和P3小鼠胸主动脉(含外膜)进行单细胞RNA测序,并通过免疫荧光和原位杂交验证细胞类型标记基因的表达和定位。

3

分离和表征围产期主动脉的脂肪形成成纤维细胞

纯化不同的成纤维细胞亚群和血管平滑肌细胞,评估其体外成脂分化能力。

通过FACS从P3小鼠主动脉中分离祖细胞、前脂肪细胞、中间细胞和SMC,进行批量RNA测序和体外成脂分化实验,用Bodipy染色量化脂质积累。

4

验证成纤维细胞是新生期主动脉PVAT的主要来源

通过遗传谱系追踪确定SMC和成纤维细胞在围产期是否贡献于血管周围脂肪细胞的形成。

使用Myh11-Cre、Pdgfra-CreER、Vipr2-Cre和Penk-Cre谱系追踪小鼠,标记SMC或成纤维细胞,检测其是否生成脂肪细胞。

5

比较产热性和白色脂肪生成的祖细胞

确定PVAT祖细胞是否稳定地定向于产热谱系,并鉴定保守的基因程序。

从PVAT和iWAT中分离祖细胞和前脂肪细胞,体外诱导成脂分化,检测产热基因(Dio2、Ucp1)表达;对新鲜分选的细胞进行批量RNA-seq,比较基因表达并分析通路富集。

6

鉴定成年PVAT中的脂肪形成性平滑肌细胞

检查成年小鼠PVAT中是否存在与发育期类似的细胞类型,特别是发现新的SMC亚群。

对13周龄小鼠胸主动脉的基质血管组分进行单细胞RNA测序,鉴定细胞群,并通过FACS纯化和批量RNA-seq验证。

7

评估成年PVAT中平滑肌细胞的脂肪形成活性

确定SMC2细胞是否能在体内贡献于血管周围脂肪细胞的形成。

对FACS纯化的成年细胞进行体外成脂分化实验;用Myh11-Cre; tdTomato小鼠在罗格列酮处理下追踪SMC谱系;用Trpv1-Cre; GFP小鼠检测冷暴露或热中性条件下SMC2细胞的贡献。

8

人类PVAT的单核转录组分析

确定人类主动脉PVAT中是否存在与小鼠类似的细胞类型,包括成纤维细胞和前脂肪细胞以及SMC样细胞。

对3名人类主动脉PVAT样本进行单核RNA测序,分析细胞类型,并重新分析公开的人类深颈部棕色脂肪数据集。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
他莫昔芬SigmaT5648
罗格列酮Cayman--
PLIN1抗体CST3470
PDGFRa抗体Novus BiologicalsAF1062
MYH11抗体Abcamab53219
PPARG抗体InvitrogenMA5-14889
RFP抗体VWR Scientific600-401-379
GFP抗体AbcamAB6673
CD200抗体Novus BiologicalsAF2724
ACTA2抗体SigmaA2547
TAGLN抗体Abcamab10135
RNAscope探针Advanced Cell Diagnostics323100, 323120
TRIzolInvitrogen--
Purelink RNA柱Fisher--
PicoPure RNA分离试剂盒Fisher--
High-Capacity cDNA合成试剂盒ABI--
SYBR greenApplied Biosystems--
Bodipy 493/503InvitrogenD3922
Hoechst 33342Thermo Fisher62249
地塞米松SigmaD4902
异丁基甲基黄嘌呤SigmaI7018
吲哚美辛----
胰岛素----
三碘甲状腺原氨酸----
胶原酶DRoche--
分散酶IIRoche--
流式抗体Biolegend, Biorad, Sino Biological, BD Biosciences--
10X Genomics Chromium----
10X Genomics v3.1 Next GEM试剂盒10x Genomics--
Illumina HiSeq 4000Illumina--
Illumina NovaSeq 6000Illumina--
Leica TCS SP8共聚焦显微镜Leica--
Keyence倒置显微镜(BZX-710)Keyence--
BD FACS Aria细胞分选仪BD Biosciences--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
小鼠模型
小鼠品系(C57/Bl6、CD1)、年龄(胚胎、新生、成年)、性别;饲养温度(22°C或30°C);冷暴露条件(4°C,1周);饮食(正常或西方饮食)
阅读提示:Methods: Mice; Figure legends for Figs. 1C-D, 1G-I
单细胞/单核RNA测序
样本准备(主动脉消化、细胞分选);建库试剂盒(10X v2/v3);测序平台(HiSeq/NovaSeq);分析软件及参数(Seurat、CellRanger)
阅读提示:Methods: scRNA Seq; Human Aortic PVAT snRNA Seq
FACS分选
抗体克隆、稀释度、门控策略(标记基因组合);分选细胞群定义
阅读提示:Methods: Flow Cytometry and Sorting; Extended Data Fig. 2A, 5F
体外成脂分化
细胞接种密度(10,000-30,000/well)、培养时间、诱导液组成及作用时间
阅读提示:Methods: Cell Culture; Adipogenesis Assays
遗传谱系追踪
Cre驱动系(Myh11-Cre、Pdgfra-CreER等)、报告基因、他莫昔芬给药方案(剂量、天数)、追踪时间点
阅读提示:Methods: Mice; Figure legends for Fig. 4, 7B-C, Extended Data Fig. 6
人样本PVAT核分离
患者特征(年龄、性别、BMI)、组织来源(冠状动脉旁路移植术);核提取缓冲液组成、离心条件
阅读提示:Methods: Isolation of human aortic PVAT nuclei