人类脂肪组织单细胞核转录组图谱揭示THBS1作为代谢疾病纤维-炎症的潜在驱动因子

《Nature Communications》：Single-cell landscape of human adipose tissue reveals THBS1 as a potential driver of fibro-inflammation in metabolic disease

脂肪组织的细胞复杂性在代谢疾病发病机制中发挥关键作用，然而，脂肪功能障碍的潜在机制仍知之甚少。研究人员构建了一个来自种族同质队列、具有明确代谢状态（瘦且糖耐量正常、肥胖、肥胖伴2型糖尿病）的人类内脏脂肪组织的单细胞核和bulk转录组图谱。单细胞核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq）揭示了一个以高THBS1表达为特征的脂肪干细胞和脂肪细胞的纤维-炎症亚群，与瘦对照相比，这些亚群在肥胖及肥胖伴2型糖尿病个体中富集。通过互补的体外（人原代脂肪干细胞[adipose-derived stem cells, ASCs]、THP-1巨噬细胞和Matrigel捕获的成熟脂肪细胞）、离体（小鼠和人内脏脂肪组织外植体）和体内（功能获得和抗体介导的中和）实验，研究人员证明了THBS1通过巨噬细胞介导的TGFβ激活促进脂肪纤维化和炎症，从而损害脂肪生成和脂肪细胞功能。抑制THBS1可减弱代谢功能障碍脂肪组织中的纤维-炎症特征。此外，血浆和脂肪细胞中的THBS1水平与代谢特征（包括体质指数[body mass index, BMI]和糖化血红蛋白[hemoglobin A1c, HbA1c]）相关。总之，该研究提供了跨代谢疾病状态的人类内脏脂肪组织的细胞图谱，并确定THBS1为关键致病驱动因子和潜在治疗靶点。

脂肪组织在代谢稳态中发挥核心作用，既是能量储存库，也是系统性炎症的调节者。其细胞组成高度异质，包括脂肪细胞、脂肪干细胞（adipose-derived stem cells, ASCs）、免疫细胞和内皮细胞等。内脏脂肪组织（visceral adipose tissue, VAT）因其门脉引流特性，与胰岛素抵抗、2型糖尿病和心血管疾病关联更密切。既往单细胞转录组研究虽已构建脂肪组织图谱，但普遍存在队列异质性大、代谢状态分层不清、缺乏系统性功能验证等局限，限制了向治疗策略的转化。为此，研究人员建立了种族同质（韩国人）队列，按代谢状态分为三组：瘦且糖耐量正常（Lean，BMI<23 kg/m2，HbA1c<6.5%）、肥胖（Ob，BMI≥30，HbA1c<6.5%）、肥胖伴2型糖尿病（Ob-DM，BMI≥30，HbA1c≥6.5%），对VAT进行bulk RNA-seq和单核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq），以绘制跨疾病状态的细胞图谱并鉴定关键致病因子。研究发现THBS1高表达的纤维-炎症亚群在ASCs和脂肪细胞中富集，并证实THBS1通过巨噬细胞介导的TGFβ激活驱动纤维炎症、损害脂肪生成和脂肪细胞功能，其抑制可缓解病变，是潜在的生物标志物和治疗靶点。该研究发表于《Nature Communications》。

在技术方法上，研究人员利用了来自首尔大学盆唐医院的21例手术来源人VAT样本（8例Lean、5例Ob、8例Ob-DM），进行snRNA-seq（10x Genomics平台，共86,000个核）和bulk RNA-seq。主要生信方法包括：单细胞解释性张量分解（single-cell interpretable tensor decomposition, scITD）识别跨细胞类型的转录程序；Palantir和RNA velocity推断ASC分化轨迹；CellChat和MultiNicheNet分析细胞间通讯；加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis, WGCNA）鉴定共表达模块。体外功能实验采用人原代ASC、THP-1巨噬细胞、ASC52Telo细胞和Matrigel捕获的成熟脂肪细胞；离体实验使用人和小鼠脂肪组织外植体；体内实验通过jetPEI介导的质粒转染实现局部THBS1过表达，以及抗THBS1中和抗体的局部注射。并以流式细胞术、免疫组织化学/免疫荧光、酶联免疫吸附试验（enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA）、蛋白质印迹和染色质免疫沉淀-定量PCR（chromatin immunoprecipitation-qPCR, ChIP-qPCR）等验证表型和机制。

一、单核转录组揭示人类内脏脂肪组织在不同代谢疾病状态下的细胞状态
通过对比三组VAT的snRNA-seq数据，研究人员鉴定出8种主要细胞类型（脂肪细胞、ASCs、间皮细胞、内皮细胞、淋巴内皮细胞、平滑肌细胞、髓系细胞和T/NK细胞），发现肥胖个体中脂肪细胞和ASC比例下降而髓系细胞比例上升；scITD识别出与代谢状态相关的转录程序，ASC和脂肪细胞中的相关基因富集于代谢和免疫调控通路。

二、免疫区室精细解析鉴定出与代谢疾病状态相关的促炎SLC11A1⁺巨噬细胞
免疫细胞亚聚类显示SLC11A1⁺巨噬细胞（Mac.SLC11A1）从Lean至Ob-DM逐渐扩增，而LYVE1⁺巨噬细胞（Mac.LYVE1）递减；Mac.SLC11A1高表达脂质相关巨噬细胞标志及M1标志（TNF、IL1B），并与脂肪纤维化、HbA1c和循环IL6正相关，流式和免疫组化证实其促炎表型和冠冕样结构定位。

三、内皮细胞和间皮细胞在代谢疾病中呈现不同炎症特征
亚聚类分析发现EC.3和经典型间皮细胞（cMeso）在疾病状态下激活缺氧、NF-κB和TNFα通路，提示其参与维持脂肪组织炎症。

四、THBS1⁺脂肪干细胞代表独特的纤维-炎症亚群
ASC亚聚类得到ASC.PI16、ASC.PPARG和ASC.THBS1三个亚群。ASC.THBS1高表达纤维炎症和细胞外基质（extracellular matrix, ECM）重塑基因，其比例随代谢恶化而增加。轨迹分析显示ASC.PI16可分化为脂肪生成或纤维炎症两个方向。体外实验表明，重组THBS1处理可抑制人原代ASC和ASC52Telo的脂肪生成，并诱导CD9⁺、COL6A1⁺纤维细胞，说明THBS1足以驱动纤维炎症程序。

五、脂肪细胞中THBS1表达与纤维化、炎症及系统性代谢表型相关
脂肪细胞亚聚类发现Adipo.THBS1亚群，其比例在疾病状态下增加。独立队列中，脂肪细胞THBS1蛋白水平随疾病进展升高，并与BMI、HbA1c正相关；THBS1⁺脂肪细胞富集COL6A1、IL6和4-HNE。功能实验显示rhTHBS1抑制小鼠原代脂肪细胞胰岛素信号和葡萄糖摄取，而shRNA敲低Thbs1则改善，表明THBS1损害脂肪细胞功能。

六、内脏脂肪组织bulk RNA-seq鉴定代谢疾病相关转录程序
bulk RNA-seq比较Ob、Ob-DM与Lean，分别鉴定出1778和2520个差异表达基因，其中THBS1、SLC11A1、TGFB1等与snRNA-seq结果一致。WGCNA鉴定出以THBS1为核心的模块，富集TGFβ、Hippo、ECM等通路，并与HbA1c、BMI和HOMA-IR正相关。

七、THBS1依赖性细胞间通讯驱动脂肪组织纤维炎症变化
CellChat分析显示，THBS1⁺细胞（ASC.THBS1和Adipo.THBS1）是Ob-DM与Ob之间信号变化的主要贡献者，THBS信号通路及胶原/FN1通路显著上调。空间转录组分析证实肥胖脂肪中THBS1⁺斑点与THBS1受体和纤维化基因共定位增多。

八、THBS1通过巨噬细胞介导的TGFβ激活促进脂肪组织纤维化
体外实验证明rhTHBS1剂量依赖地诱导THP-1巨噬细胞分泌转化生长因子β（transforming growth factor beta, TGFβ），其条件培养基可激活ASC纤维化，该效应被TGFβRI抑制剂SB431542或THBS1-TGFβ相互作用抑制剂LSKL阻断。Transwell共培养进一步证实THBS1通过巨噬细胞TGFβ信号驱动ASC和成熟脂肪细胞的纤维化，但TNF表达不受TGFβ抑制，提示存在不依赖TGFβ的炎症通路。

九、THBS1作为脂肪组织功能障碍和代谢疾病的生物标志物
GTEx数据显示THBS1在VAT中高表达且高于皮下脂肪组织。独立队列中，血浆THBS1从Lean到Ob-DM逐渐升高，并与BMI、HbA1c正相关；UK Biobank GWAS整合分析显示ASC.THBS1与BMI、总胆固醇、LDL和高血压显著关联。

十、THBS1抑制改善代谢功能障碍脂肪组织中的纤维炎症重塑
对人Ob-DM VAT外植体使用抗THBS1中和抗体处理5天，bulk RNA-seq显示纤维化和炎症基因（FN1、COL5A3、TNF等）下调，KEGG富集分析提示细胞黏附、ECM受体互作和TGFβ通路受抑。小鼠外植体中LSKL或αTHBS1处理提高AKT磷酸化和脂联素水平。

十一、体内功能获得和功能丧失模型确立THBS1为脂肪纤维炎症的局部驱动因子
在小鼠附睾脂肪垫局部过表达THBS1后，2周和4周胶原沉积显著增加，并出现COL6A1沉积和SLC11A1⁺巨噬细胞浸润；相反，对高脂饮食小鼠腹股沟脂肪注射αTHBS1中和抗体可显著降低FAT纤维化评分，证明THBS1在体内足以并必需驱动脂肪纤维炎症。

十二、Hippo信号通路调控脂肪细胞中THBS1的转录活性
转录因子活性分析显示YAP/TAZ、RELA等在ASC.THBS1中上调；免疫细胞化学发现THBS1与WWTR1共定位，且Ob-DM脂肪细胞核WWTR1升高；ChIP-PCR证明WWTR1和TEAD1直接结合THBS1启动子。GA-017激活YAP/TAZ可诱导Thbs1和Acta2，而维替泊芬抑制TEAD1可逆转该效应并恢复Pparg，提示Hippo信号是THBS1的上游调控轴。

讨论部分总结：该研究通过建立同质队列和整合多组学与功能实验，揭示了THBS1⁺亚群在脂肪纤维炎症中的核心作用及THBS1-巨噬细胞-TGFβ轴，并明确了Hippo信号的上游调控。研究还发现SLC11A1⁺与LYVE1⁺巨噬细胞亚型在代谢疾病中的相反变化。局限性包括snRNA-seq对低丰度转录本捕获不足、队列为单一韩国人群、样本量不足以进行性别分层、循环THBS1来源不明以及批次效应等。研究结论部分可翻译为：本研究提供了人类内脏脂肪组织在不同代谢状态下的高分辨率单核转录组图谱。通过整合snRNA-seq、bulk RNA-seq和体外功能实验，研究人员确定THBS1是与脂肪组织纤维化、炎症和代谢功能障碍相关的候选介导因子。研究发现两个关键机制：THBS1介导的细胞间通讯和YAP/TAZ-TEAD1依赖的THBS1转录调控。这些结果为肥胖相关代谢疾病中的脂肪组织重塑提供了机制见解，并强调THBS1是有前景的生物标志物和治疗靶点。