​Nature：換季時瑟瑟發抖？可能是因為這種脂肪細胞太多了

人類是典型恆溫動物，人體得溫度基本保持穩定，也有研究表明人類的體溫比 200 年前下降了 0.4 攝氏度。脂肪組織產熱與皮膚散熱在保證體溫恆定上起著關鍵性作用。但是，看似簡單的體溫維持，還隱藏著更多的奧秘——

人們常常感嘆，為什麼嚴寒酷暑我都能抗的住，偏偏換季的幾天瑟瑟發抖、常生病呢？體溫維持機制在這其中發揮了什麼作用呢？

這篇最新 Nature 文章或許能給出一定提示。

圖片來源：Nature

2020 年 10 月 28 日，來自蘇黎世聯邦理工學院 Wenfei Sun 博士與其導師 Christian Wolfrum 教授聯手在最新一期的 Nature 上發表了題為 snRNA-seq reveals a subpopulation of adipocytes that regulates thermogenesis 的論文 [1]，新發現了一種特殊的脂肪細胞對產熱的負向調節作用。

研究內容：

我們體內的脂肪細胞主要由三類組成：負責儲藏能量的白色脂肪細胞，負責產熱的棕色脂肪細胞，以及介於兩者之間的米色脂肪細胞。這些細胞在人體代謝中都扮演著極其重要的角色。儘管此前已經有研究對這些細胞進行了進一步細分，但依舊不足以告訴我們，脂肪是如何調節人體能量穩態的。

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因此，來自蘇黎世理工的研究團隊對不同溫度環境中小鼠棕色脂肪組織進行了單細胞核 RNA 測序（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq），並在 8°C、室溫以及 30°C 三種溫度環境內的小鼠 BAT 中找到 10 個棕色脂肪細胞亞群。有趣的是，這些細胞亞群與小鼠所處的環境出現了明顯的相關性。比如 P1 與 P2 主要存在室溫與低溫環境的小鼠中，P3 存在於高溫組中，P6-10 主要存在於低溫組中。而三種條件下都檢測出來帶有相似細胞核的 P4。

隨後，作者使用人體 BAT 進行了相同的試驗。從 16 個人的數據中，研究團隊分出了 8 個細胞亞群，並發現多個人體棕色脂肪細胞亞群也表達 P4 標記物。進一步分析證明，人體 BAT 的 P4 細胞亞群佔比遠高於 P4 在 WAT 中的佔比。這些數據初步表明 P4 細胞亞群在 BAT 中可能起到了重要的作用。

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為了進一步剖析 P4 細胞亞群，作者對 P4 最顯著的標記物 Cyp2e1 進行了體內檢測。免疫染色結果顯示，Cyp2e1 陽性脂肪細胞在小鼠肩胛骨間棕色脂肪組織（iBAT）與毗鄰的肩胛下白色脂肪組織（subscWAT）中廣泛存在，佔總脂肪細胞的比例分別高達 10% 與 20%。通過對 P4 標記物與 BAT 和 WAT 中其他脂肪細胞的標記物庫進行對比，作者確認了 P4 不屬於任何一種現存分類，這是一種全新的脂肪細胞亞群。

更值得注意的是，P4 細胞在低溫組的 BAT 中出現了明顯的下降，而在高溫組中出現了上升，證明 P4 可能是隨著溫度升高而新形成的脂肪細胞。同時，在人類深耕 BAT 中，作者發現了比例更高的 P4 細胞亞群，這或許是因為人類處在熱平衡的環境（類似於小鼠的高溫組）的時間遠超小鼠。

圖片來源：Nature

通過電子顯微鏡的觀測，研究團隊發現 P4 細胞的線粒體比其他脂肪細胞更小，這證明這些細胞的功能可能受損。因此，他們對 P4 細胞中於 Cyp2e1 共同表達的基因進行了篩選，並發現一個與產熱有關的基因 Aldh1a1，該基因與 Cyp2e1 關係緊密。Aldh1a1 與 Cyp2e1 染色結果在各種脂肪組織中呈現出完美的重合，進一步印證了它們的關係並不一般。

為了驗證 Aldh1a1 的作用，研究團隊使用 shRNA 對 Aldh1a1 進行了敲低。在低溫環境中，Aldh1a1 敲低的小鼠呈現出了更高的頸部表面溫度以及負責非顫抖性產熱的 UCP1 表達。同時，這些小鼠的 iBAT 也消耗了更多的葡萄糖與氧氣。敲入 Aldh1a1 則得到了相反的結果。這些數據證明，Aldh1a1 的表達水平與 iBAT 的產熱能力息息相關。

值得注意的是，P4 細胞在整個 iBAT(包括非脂肪細胞) 的佔比僅為 2.9%。如此低的百分比卻能對整個組織的產熱能力造成如此大的影響，說明比起僅僅改變自身的產熱，P4 細胞很有可能能夠控制其他細胞的產熱。

為了驗證這個假設，作者分離出了 iBAT 中的脂肪細胞進行了體外試驗。在通過 siRNA 敲低 Aldh1a1 後，這些細胞的 UCP1 表達出現了巨大的變化。考慮到 P4 細胞僅佔 iBAT 脂肪細胞的 17%，研究團隊認為這很有可能是由 P4 細胞的旁分泌調節實現的。

進一步分析 siRNA 敲低試驗的結果後，作者發現 Aldh1a1 敲低的程度與脂肪細胞耗氧量的增加並未呈現線性關係，這證明 P4 細胞不是造成耗氧量增加的全部原因。通過 P4 細胞和肺 P4 細胞的共同培養，作者證實了 P4 細胞能夠通過旁分泌影響其他脂肪細胞的產熱。

圖片來源：Nature

隨後，作者探究了 P4 細胞是通過什麼機制進行這種旁分泌調節。在排除了此前被報導能夠影響 BAT 功能，且受 Aldh1a1 調節的視黃醛後，作者將目標鎖定在了乙酸鹽上。

此前有研究報導 Aldh1a1 能夠將乙醛轉化為乙酸鹽，所以作者在敲低 Aldh1a1 後，檢測了脂肪細胞培養液中乙酸鹽的含量。不出所料，在敲低 Aldh1a1 後，脂肪細胞乙酸鹽的水平降低了 2 倍。而乙酸鹽的水平與 UCP1 的表達呈現出明顯的劑量效應，並順藤摸瓜找到了脂肪細胞表面的乙酸鹽感受器 G 蛋白偶聯受體 43（GPR43），GPR43 激動劑能夠有效地抑制脂肪細胞的氧氣消耗，這與乙酸鹽的作用一樣。這一系列試驗揭示了 P4 細胞通過影響乙酸鹽水平來調節脂肪產熱的具體機制。

研究意義：

該研究通過高通量 snRNA-seq 技術，不僅找到了一種全新的脂肪細胞亞型，更證明了這種細胞亞型對脂肪產熱具有重要的調節作用。儘管 P4 細胞所佔脂肪細胞比例不過 20%，所佔脂肪組織內細胞比例也僅為個位數百分比，其對整個脂肪組織產熱系統帶來的影響是巨大的。

另一方面，除了本文關注的 Aldh1a1，作者還在 P4 細胞中確定了多個標記物。這些蛋白是否在 P4 細胞的功能中扮演著重要的角色？還需要更多的研究來探究。

換季時感覺更冷，是否因為這類脂肪細胞比例一時無法適應環境呢？期待更多的研究！

延伸閱讀：

白色「White」脂肪組織與棕色「Brown」脂肪組織，也就是我們熟知的 WAT 和 BAT。這兩種脂肪一直是代謝領域研究的焦點。前者負責貯存熱量，是罪惡的「壞脂肪」，後者負責消耗熱量，是討喜的「好脂肪」。但近幾年來，科學界發現了一種亦正亦邪的脂肪組織，還特意為其將「White」和「Brown」融合，創造了一個新的單詞「Brite」，這就是米色脂肪組織的由來。

本文的作者，來自蘇黎世理工學院的 Christian Wolfrum 正是米色脂肪組織領域的先行者。

圖片來源：Adipocyte

對米色脂肪組織感興趣的小夥伴，可以查閱 Christian Wolfrum 於 2014 年發表在 Adipocyte 上題為 The origin and definition of brite versus white and classical brown adipocytes 的綜述 [2]。Christian Wolfrum 教授在該文章中對米色脂肪組織進行了詳細的介紹。

米色脂肪組織也並不是對脂肪組織分類的終點。

圖片來源：PNAS

2019 年，來自麻省大學醫學院的 Silvia Corvera 教授帶領團隊在 PNAS 發表了題為 Diverse repertoire of human adipocyte subtypes develops from transcriptionally distinct mesenchymal progenitor cells 的論文 [3]。該研究在人類中辨別出了多種此前未被發現的脂肪細胞亞群。

隨著各種新型測序技術的運用，對脂肪細胞的分類也將進一步細分。或許有一天，我們不僅僅能夠更深地理解體溫調節機制，能找到調節人類胖瘦的關鍵脂肪細胞亞群小編會更開心

參考資料：

1.Sun, W., et al., snRNA-seq reveals a subpopulation of adipocytes that regulates thermogenesis. Nature, 2020.

2.Rosenwald, M. and C. Wolfrum, The origin and definition of brite versus white and classical brown adipocytes. Adipocyte, 2014. 3(1): p. 4-9.

3.Min, S.Y., et al., Diverse repertoire of human adipocyte subtypes develops from transcriptionally distinct mesenchymal progenitor cells. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019. 116(36): p. 17970.