单细胞谱系追踪揭示皮肤与腹股沟脂肪中前体细胞动态差异及Sox9调控机制

本研究通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)结合遗传条形码技术(CellTagging)，系统比较了小鼠皮肤与腹股沟脂肪组织中脂肪前体细胞(APCs)的异质性，发现皮肤中存在未表征的未成熟前脂肪细胞群体，揭示Sox9通过调控前体细胞增殖与分化影响脂肪生成，为理解不同脂肪库特异性调控机制提供新见解。

　　

脂肪组织作为能量储存和内分泌器官，在代谢稳态中发挥关键作用。传统观点认为脂肪前体细胞(Adipocyte Precursor Cells, APCs)通过线性分化途径形成成熟脂肪细胞，但不同解剖部位脂肪组织的扩张动力学存在显著差异。特别是皮肤脂肪组织表现出独特的快速脂肪生成能力，在毛发周期中仅需11-14天即可完成脂肪细胞更新，而其他部位如腹股沟脂肪则需要数周时间。这种显著的时空差异暗示着不同脂肪库可能存在特异的调控机制，但相关细胞和分子基础尚未阐明。

华盛顿大学医学院发育生物学系(Department of Developmental Biology, Washington University School of Medicine)的Guillermo C.Rivera-Gonzalez和Samantha A. Morris团队在《Cell Stem Cell》发表研究，通过创新的单细胞技术揭示了皮肤脂肪前体细胞的独特分化轨迹和调控机制。研究人员首先利用单细胞RNA测序(scRNA-seq)结合计算分类工具Capybara，系统分析了小鼠皮肤脂肪组织中APCs的异质性。通过荧光激活细胞分选(FACS)和功能实验验证，鉴定出一个新的未成熟前脂肪细胞群体。进一步采用遗传条形码技术CellTagging进行谱系追踪，比较了祖细胞与前脂肪细胞的分化潜能差异。最后通过计算模拟和实验验证，明确了转录因子Sox9在调控脂肪前体细胞增殖和分化中的关键作用。

研究主要采用以下关键技术方法：(1)单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析P21小鼠皮肤脂肪组织中的APCs；(2)基于FACS的策略分离DPP4^high/CD9^low祖细胞和CD9^high前脂肪细胞群体；(3)CellTagging遗传条形码技术进行体内谱系追踪；(4)计算工具CellOracle预测调控脂肪生成的关键转录因子；(5)通过基因敲除和过表达实验验证Sox9功能；(6)跨脂肪库移植实验分析微环境影响。

皮肤脂肪组织中未成熟前脂肪细胞群体的鉴定

通过单细胞RNA测序分析14,478个高质量APC转录组，研究人员发现皮肤脂肪组织中存在一个独特的未成熟前脂肪细胞群体。这些细胞高表达F3(Cd142)但缺乏Pparg表达，在转录组特征上明显区别于已知的间质祖细胞(Dpp4⁺)和定型前脂肪细胞(Icam1⁺)。多组学分析显示，未成熟前脂肪细胞特异性富集MEIS转录因子 motif，而定型前脂肪细胞则主要富集PPAR motif，表明这两个群体处于不同的调控状态。

谱系追踪揭示复杂的分化层级

通过CellTagging技术追踪祖细胞和前脂肪细胞的命运，研究发现皮肤脂肪组织中存在平行分化轨迹。出乎意料的是，祖细胞来源的细胞更倾向于分化为定型前脂肪细胞(33% vs 23%)，而预先存在的前脂肪细胞则更多维持在未成熟状态(56%)。克隆分析进一步表明，祖细胞可能直接分化为定型前脂肪细胞，而不需要经过未成熟前脂肪细胞阶段，挑战了传统的线性分化模型。

Sox9调控脂肪前体细胞增殖与分化

计算模拟预测Sox9是调控祖细胞向定型前脂肪细胞分化的关键因子。实验验证显示，Sox9敲除显著抑制APCs的增殖(EdU⁺细胞减少78%)和分化(成熟脂肪细胞标志物表达降低)，而过表达则促进祖细胞向定型前脂肪细胞转化。机制上，Sox9通过激活细胞周期相关基因维持前体细胞增殖能力，其表达水平动态变化可能是脂肪生成不同阶段转换的关键开关。

内在特性与微环境共同决定分化结局

跨脂肪库移植实验表明，皮肤脂肪祖细胞在腹股沟环境中产生的定型前脂肪细胞显著减少(4.8% vs 32.9%)，但仍保留部分内在特性。转录组分析鉴定出27个不受微环境影响的核心祖细胞特征基因(如Akr1c18、Dpp4、Pi16等)，这些基因在皮肤和皮下脂肪的Pi16⁺成纤维细胞群体中特异性富集，提示不同脂肪库的祖细胞可能具有共同的发育起源。

这项研究重新定义了皮肤脂肪组织的细胞层级，揭示了一个新的未成熟前脂肪细胞群体及其独特的分化动力学。发现Sox9作为脂肪前体细胞增殖和分化的关键调节因子，为理解不同脂肪库的特异调控机制提供了新视角。特别值得注意的是，皮肤脂肪组织中存在平行分化路径，祖细胞可不经过未成熟状态直接分化为定型前脂肪细胞，这一发现挑战了传统的线性分化模型。研究还阐明了内在基因程序和外在微环境信号如何共同塑造脂肪前体细胞的行为，为开发针对代谢性疾病的组织特异性治疗策略奠定了理论基础。这些发现不仅推进了对脂肪生物学的基本认识，也为再生医学中控制脂肪生成提供了新的分子靶点。