Science | 中年发福危机的“罪魁祸首”？最新研究发现中年脂肪堆积或与一组脂肪祖细胞亚群被激活有关

scRNA-seq、snRNA-seq、scATAC-seq

研究人员开发了一种追踪脂肪生成的小鼠模型，在模型中观察到青年小鼠中新生成的脂肪细胞非常少，脂肪细胞的更新速率极低。中年小鼠中新生脂肪细胞显著增加。相比于2.5月龄，在12月龄小鼠中生成了更多脂肪细胞，脂肪细胞发生肥大。然而，先存脂肪细胞的体积与各时间点所有perilipin⁺脂肪细胞的平均体积无显著差异。对12月龄小鼠内脏白色脂肪组织（gWAT）中纯化脂肪细胞进行单细胞核转录组进行分析，发现衰老通路在先存脂肪细胞中上调。此外，研究者还观察到新生的大多数脂肪细胞来源于Pdgfra⁺脂肪祖细胞。

接下来研究者通过移植实验测试了年轻与中年雄性小鼠gWAT来源的脂肪足细胞（APC）的脂肪生成能力。来自12月龄小鼠的APC分化率显著高于2.5月龄APC，产生的脂肪细胞约为前者2.5倍。研究者进一步探究了更高龄小鼠APC的脂肪生成潜能，18月龄小鼠APC分化的脂肪细胞数量远低于2.5月龄APC，提示APC脂肪生成潜能的升高紧密依赖年龄，仅在中年期间显著，并未持续至高龄。此外，中年小鼠gWAT的APC在移植至年轻环境后，依然维持其高脂肪生成潜能。

为探究中年小鼠APCs脂肪生成特性的分子机制，研究者对来自2.5月龄及12月龄小鼠gWAT的APCs进行了单细胞RNA测序。鉴定到了脂肪细胞的不同亚群：脂肪细胞干细胞（adipocyte stem cell，ASC）、中间脂肪细胞祖细胞（intermediate adipocyte progenitor，IAP）、定向脂肪前体细胞1型（committed preadipocyte 1，CP-1）、定向脂肪前体细胞2型（committed preadipocyte 2，CP-2）、年龄相关定向脂肪前体细胞（committed preadipocyte, age-enriched，CP-A）。

利用Slingshot发育轨迹分析揭示这些APC亚群之间的潜在谱系关系。在2.5月龄小鼠APCs中，ASCs有两个发育路径，均通过IAP，分别发展为CP-1s和CP-2s。CP-As在12月龄小鼠中高度富集，同时CP-1s群体减少。因此推断，在中年阶段，可能出现了一条由ASCs至CP-As的新脂肪生成谱系。

采用CytoTRACE分析分化状态， 12月龄小鼠的CP-As亚群被鉴定为分化程度最高的APC，特征的标记基因主要为Lifr（leukemia inhibitory factor receptor，白血病抑制因子受体）和Thbs1（thrombospondin-1，血小板反应蛋白1）。

为验证中年小鼠ASCs的体内命运，同样进行移植实验。12月龄小鼠gWAT来源的移植ASCs中有约80%转变为高表达LIFR的CP-As细胞，证实了12月龄小鼠ASC向CP-As的发育轨迹。相比之下，年轻小鼠ASCs中仅有13.7%转变为LIFR高表达细胞。scATAC-seq也表明12月龄样本的Adipoq启动子区域、Lifr基因内染色质开放程度有所提升。这表明ASCs确为CP-As的前体细胞，且中年阶段ASCs向CP-As的分化概率更高。

接下来，研究者对人胰腺周围脂肪组织（pWAT）分离脂肪细胞进行scRNA-seq以验证人类是否也存在相同的CP-As群体。结果中cluster1、5、7高表达小鼠CP-As标志物，如LIFR、PPARG和FABP4。流式细胞术发现CP-As随年龄增长而逐渐丰富[r= 0.8206，p = 0.0454］。因此，人类pWAT中的APC可能在中年至早老阶段发生类似的重塑变化，而人类CP-A或许参与了年龄相关性肥胖的发生。进一步检查了CP-A在人体pWAT中的定位，在早衰期的人类组织中，CP-As（同时表达LIFR和CD29的细胞）分布于成熟脂肪细胞之间的组织中。

通路分析显示12月龄小鼠ASCs富集了与增殖相关的信号通路以及脂肪生成通路，表明中年小鼠内脏脂肪组织中的ASCs和CP-As可能具有更强的增殖潜力，而CP-As的脂肪生成能力亦增强。体外培养并诱导分化小鼠gWAT中富集的APCs，确证了12月龄小鼠更强的脂肪生成能力。缩短成熟前培养时间后12月龄APC的增殖能力显著增强，成熟脂肪细胞特异性基因mRNA显著升高。使用磁珠分选2.5月龄和12月龄小鼠的APCs的不同亚群，观察到12月龄小鼠的部分ASCs已经沿着向IAPs（前体脂肪细胞）的分化轨迹，启动了脂肪生成程序。CP-As的增殖速率较CP-1s高出4倍以上。

考虑到LIFR（Leukemia Inhibitory Factor Receptor，白血病抑制因子受体）是小鼠和人类共同表达的主要 CP-A 标志物之一，且在细胞增殖、分化与存活中发挥重要作用，因此研究者着重探究了其作用。对原代CP-As进行LIFR抑制剂EC359处理，并联合脂肪生成混合物培养，发现LIFR 抑制剂可阻断原代CP-As的生成。敲低Lifr同样导致APCs的总细胞数和脂肪生成率均下降。过表达Lifr使脂肪细胞和总细胞数量均翻倍，而脂肪生成率无变化。

通路富集分析显示，CP-As中JAK-STAT3通路上调，而LIFR能够使STAT3磷酸化并激活。且用LIFR抑制剂EC359处理CP-As可显著降低STAT3磷酸化水平。进一步检测STAT3是否为CP-As脂肪生成所必需，将CP-As用STAT3抑制剂Stattic与BBI608处理，可显著降低CP-As的脂肪生成率，且总细胞数无变化。因此可认为CP-As的脂肪生成高度依赖LIFR-STAT3信号轴。

该文借助单细胞多组学技术与谱系示踪技术发现，与大多数类型的成人干细胞在增殖和分化能力上呈下降趋势不同，脂肪祖细胞的脂肪生成能力在中年阶段反而增强。该研究创新性地鉴定出了一种呈现高度的年龄依赖的APC亚群，即年龄相关定向脂肪前体细胞CP-As，其具有自发的高脂肪生成能力，揭示了年龄依赖性脂肪组织重塑的基本机制，并为与年龄相关的代谢疾病提供了重要见解。