研究背景
WAT通過儲存、釋放脂質和分泌調節熱量攝入的因子在能量平衡中起重要作用。該組織具有可塑性，并在不同類型的駐留細胞協同作用下發揮功能。若WAT發生異常，會導致組織功能障礙、胰島素抵抗、II型糖尿病和心血管疾病等。因此，WAT的細胞組成和結構在決定組織功能方面起關鍵作用。由于WAT沒有明顯的組織結構，其中的駐留細胞類型又缺乏明顯的標志物，因此定義其微結構存在很大困難。單細胞轉錄組測序技術已被應用于研究脂肪組織的細胞異質性。然而，這不能探究組織內細胞間的空間關系，再加上成熟脂肪細胞體積大、脆弱且容易漂浮的原因，導致很多研究只停留在脂肪組織內非脂肪細胞部分，如基質血管組分（SVF），或對成熟脂肪細胞提核分析。
目前，最新的轉錄組研究手段，即空間轉錄組測序技術，可以從完整組織切片進行RNA測序，能同時獲得空間組織學和轉錄組學信息，已被用于揭示腫瘤或神經系統中細胞的異質性和空間分布特征。本文中，作者使用 10X Genomics的Visium平臺對人腹部皮下WAT進行空間轉錄組研究，結合單細胞轉錄組數據和圖像學分析，繪制了該組織細胞類型和結構分布的綜合性圖譜，并鑒定到三種脂肪細胞類型，具有不同空間的位置分布和對胰島素的應答效應，揭示出脂肪細胞的異質性是WAT對胰島素敏感性的決定因素。

研究內容

// 空間轉錄組學鑒定人WAT中的多種細胞特征
研究者利用10X Genomics Visium 空間轉錄組平臺對10例禁食狀態下BMI（body mass index）指數差異較大受試者腹部皮下WAT樣品進行測序分析并測量對胰島素敏感性。基于基因表達進行聚類分析，獲得20個細胞類群（C01-C20），結合近期發表的人WAT的單細胞數據對細胞類型進行注釋。其中，內皮細胞、免疫細胞和祖細胞占主體。對祖細胞分析發現C11的marker基因在脂肪祖細胞中富集，并在人脂肪形成過程中瞬時表達。將C11與其他三種祖細胞（C07、C09和C12）和前人發表的小鼠脂肪單細胞文章比較揭示C11沒有顯示出任何小鼠祖細胞marker基因的富集。成熟脂肪細胞表達了該類型細胞已知的富集基因和通路，并分為3個細胞類群（C03、C04和C06），分別具有不同的特征基因。總體而言，研究者的WAT細胞分析結果與前人研究相一致。
為了系統地確認WAT細胞空間組成結構，作者開發了一種算法來計算每個細胞類群中相鄰spots的傾向，并定義為同型聚類分數。分析發現所有的免疫細胞、脂肪祖細胞、血管細胞和成熟脂肪細胞在同型評分上表現出很大跨度。在較大血管結構的區域檢測到經典的內皮細胞和血管平滑肌細胞，而微血管內皮細胞均勻分布于組織各處。為了確定不同細胞類群的空間關系，作者開發了另一種算法來進行成對的異型鄰域分析。結果與預期相同，大血管結構的spots彼此靠近，M2樣巨噬細胞經常位于兩種脂肪祖細胞附近。此外，樹突狀細胞與其他免疫細胞表現出很高的異型分數，兩類成熟脂肪細胞（C03和C04）相互共存，與另一類脂肪細胞（C06）明顯分離。這些結果說明WAT在空間上比預期定義了更多細胞間特定的關系。

Fig.1 空間和單細胞轉錄數據的綜合分析確定了人類WAT中不同的細胞類別

// 脂肪細胞大小不是脂肪細胞異質性的決定因素
上述分析已得到三種成熟脂肪細胞，分析它們的基因表達模式發現LEP、PLIN1/PLIN4和SAA1/SAA2分別是三種類型最獨特的marker基因，因此將這三類脂肪細胞命名為AdipoLEP、AdipoPLIN和AdipoSAA。結合空間轉錄組結果可知，參與三酰甘油生物合成和水解的基因在AdipoPLIN高表達，而在AdipoLEP低表達。接下來，作者探究能影響WAT功能的脂肪細胞大小和數量在三種細胞類型的異質性。在細胞數量上，肥胖者的AdipoPLIN細胞較少，而另外兩種細胞沒有太大區別。在細胞大小上，三種細胞類型的直徑有較小的差異（74、76和77微米），小脂肪細胞與大脂肪細胞的差異表達基因分析發現AdipoLEP和AdipoPLIN在小脂肪細胞和大脂肪細胞的基因表達具有差異，盡管差異基因較少。綜上可知不同類型脂肪細胞的比例受肥胖影響；小脂肪細胞和大脂肪細胞相比有部分基因表達發生了變化；盡管不同脂肪細胞類型在不同大小的脂肪細胞中均有基因表達上的差異，但這本身并不能解釋脂肪細胞的異質性。

Fig.2 脂肪細胞大小不是脂肪細胞異質性的主要因素

// 脂肪細胞大小不是脂肪細胞異質性的決定因素
接下來，作者研究三種脂肪細胞對組織的功能。首先，作者對56名女性WAT的轉錄組數據進行綜合分析，同時用新鮮分離的脂肪細胞進行脂肪合成/分解的測量。當比較這56名女性時，三種脂肪細胞的marker 基因單獨成簇，肥胖群體中AdipoPLIN比例減少并與BMI呈負相關。AdipoSAA表現出與BMI的負相關，而AdipoLEP表現出與BMI的正相關。在脂肪中，脂肪在兒茶酚胺的刺激下分解，而胰島素則抑制這種分解，并促進脂肪生成。通過對BMI進行多元回歸分析發現AdipoPLIN和兒茶酚胺介導的刺激作用以及對胰島素抑制的敏感性這兩個脂肪分解的指標呈正相關，AdipoLEP與這兩個指標沒有或只存在微弱的負相關關系。對于胰島素刺激的脂肪生成，AdipoPLIN呈正相關而AdipoLEP呈負相關。AdipoPLIN和AdipoLEP與HOMA-IR的相互關聯鑒定了全身水平的脂肪細胞亞型和胰島素敏感性之間的關系，而AdipoSAA與任何指標都沒有相關性。總之，AdipoPLIN與胰島素具有更明顯的應答關系。
為了在人體內驗證上述結果，作者接下來對10位受試者進行高胰島素-正糖鉗夾2小時的治療，并從其中4位收集WAT組織樣品進行Visium空間轉錄組分析。這四名受試者在血糖水平控制在4.5-5.5mmol/L的情況下，穩態下的胰島素水平比禁食狀態高出10倍以上，并且根據葡萄糖處理率（M-value）可知，這四位的胰島素敏感性差異很大。高胰島素處理后與禁食狀態的空間轉錄組結果具有相似的質量，比較后發現了在不同胰島素水平下基因表達差異。在對胰島素應答基因中，只有極少量的一組基因是三種脂肪細胞共有的marker基因，這說明盡管胰島素誘導了快速明確的轉錄組改變，在這段時間內它本身并不是脂肪細胞異質性的驅動因素。由于這些分析是用所有spots進行分析的，無法提供每種脂肪細胞對胰島素應答的差異，因此接下來單獨分析每種脂肪細胞并發現在AdipoPLIN中，胰島素應答基因較多，在AdipoSAA中，胰島素應答基因較少，而在AdipoLEP中，應答基因只有一個。考慮到四名受試者在胰島素敏感性方面具有明顯差異，作者評估了個體之間對胰島素的轉錄應答是否存在定量差異，并發現只有AdipoPLIN的應答反映了M-value。綜上所述，在體內對胰島素的整體轉錄應答主要受AdipoPLIN影響，而其他兩種脂肪細胞對高胰島素應答較少。

Fig.3 只有Adipo^PLIN 對體內胰島素有轉錄反應

主要結論
本研究利用單細胞轉錄組測序、空間轉錄組測序和圖像分析鑒定人白色脂肪組織（WAT）的成分和結構。其中三種成熟脂肪細胞在大小上相似，但是在空間位置和轉錄特征上不同，并基于marker基因對這三類細胞命名為AdipoLEP、 AdipoPLIN和AdipoSAA 。研究者證實它們各自的基因表達模式與脂肪細胞和全身胰島素敏感性有不同的關聯。通過禁食和高胰島素狀態下的空間轉錄組分析揭示只有AdipoPLIN對胰島素有轉錄應答。