人體的脂肪組織可分為3種：白色脂肪組織(White adipocytes tissue, WAT)、棕色脂肪組織(Brown adipocytes tissue, BAT)和米色脂肪組織(Beige adipocytes tissue)。實際上，脂肪組織的組成並不是一成不變的，而是始終處於一個動態變化的過程，比如說，寒冷刺激和腎上腺素刺激會促進WAT的棕色化(Browning or beiging of WAT )【1】。越來越多的研究證據表明，增加米色脂肪的生成對於人體的健康大有脾益，它不僅可以燃燒脂肪，還能增強機體的胰島素敏感性，減少WAT的炎症反應和纖維化，對於維持人體的代謝穩態具有非常重要和積極作用【2】。
目前的研究發現米色脂肪細胞可以由一類特定的脂肪祖細胞(adipocytes progenitor cells, APCs)分化產生，也被稱之為Beige APCs。但是，如何將這一類APCs與其他細胞準確區分開來以及米色脂肪細胞的分化過程是如何被調控的？這些重要的科學問題仍未得到很好的回答。
近日，來自加州大學舊金山分校糖尿病研究中心的Shingo Kajimura教授研究團隊在Cell上發表了題為CD81 Controls Beige Fat Progenitor Cell Growth and Energy Balance via FAK Signaling的研究，報導了CD81不僅可以作為一類米色脂肪祖細胞的新型標誌物，還在米色脂肪的分化過程中發揮重要的調控作用。
首先，為了搞清楚哪一類特定的APCs可以分化成米色脂肪細胞，作者對不同來源的小鼠脂肪組織---肩胛間棕色脂肪組織(iBAT)、腹股溝(lng WAT)以及附睪(epi WAT)白色脂肪組織的脂肪基質細胞進行單細胞測序，其中一類細胞因為高表達一些此前被報導參與米色脂肪生成的基因（如Sm22和Acta2）而引起了作者的注意。作者發現，在這類細胞中，Pdgfra, Sca1 以及Cd81這三種細胞表面標誌物是表達最高的，而前面兩個被認為是beige APCs的Marker【3】。另外，單細胞測序結果顯示：在Pdgfra+Sca1+的APCs亞型中也都能檢測到Cd81的表達。這些結果說明CD81有可能是Beige APCs的一個新型標誌物。
為了驗證上述設想，作者將CD81+和CD81-細胞分別從小鼠的腹股溝脂肪中分選出來並進行體外培養，結果發現只有CD81+細胞能夠分化成成熟的脂肪細胞，並會表達很多棕色/米色脂肪所特有的基因，如Ucp1, Pgc1a, Cidea, 和 Cox8b。不僅如此，分化的CD81+細胞中OXPHOS 複合體各個亞基的表達量以及細胞的氧消耗量與CD81-相比也是顯著升高的，這些都是棕色/米色脂肪細胞經典的細胞表型。同時，作者在小鼠體內也證實了CD81+細胞可以在寒冷刺激下分化成米色脂肪細胞。這些實驗說明CD81+ APCs的確可以分化成米色脂肪細胞。
作者接下來想搞清楚的的問題是：為什麼CD81+ APCs可以分化成米色脂肪細胞呢？通過對不同脂肪組織來源的CD81+和CD81-細胞進行RNA-seq分析，作者發現只有腹股溝脂肪組織(lng WAT)來源的CD81+和CD81-細胞的在基因轉錄水平具有顯著差異，更加有意思的是：lng-WAT來源的CD81+ APCs與CD81- APCs以及其他脂肪組織來源的CD81+ APCs相比，在寒冷刺激下具有更強的增殖能力。
為了找到內在的分子機制，作者對RNA-seq的結果做了一個功能富集，發現Focal adhesion pathway,包括FAK(Focal adhesion kinase)在CD81+ APCs中上升最為顯著。緊接著，作者對這一發現進行了驗證，結果表明敲低FAK或者用FAK抑制劑處理均能有效抑制CD81+ APCs的增殖。另外，作者發現CD81對於FAK通路的激活也是必須的，這就說明CD81應該不僅僅是作為beige APCs的Marker，並且可能對於beige APCs的增殖具有非常重要的調控作用。
CD81在之前的研究中被報導與integrins(整合素)具有相互作用，而作者發現在lng-WAT來源的CD81+ APCs中integrin αV以及integrin β1、β5表達水平很高。更有意思的是，最近的一則研究發現運動產生的一種肌肉因子—irisin，可以通過integrin αV/β5和integrin αV/β1來激活Integrin-FAK信號通路從而促進米色脂肪的生成【4】，這提示CD81可能在irisin激活Integrin-FAK信號通路扮演重要的角色。通過進一步的實驗，作者發現CD81會與V/β5和αV/β1 integrins之間形成複合體激活FAK 信號通路，促進CD81+ APCs的增殖。
在搞清楚CD81是如何調控CD81+ APCs的增殖之後，作者最後想去驗證一下CD81對於CD81+ APCs分化成米色脂肪細胞是否是必需的。通過構建Cd81全身敲除的小鼠，作者發現，Cd81缺失會顯著減少lng WAT在寒冷刺激下米色脂肪的生成，而其他部位的脂肪組織似乎不受影響。通過特異性的在CD81+ APCs中敲除PPAR-γ基因破壞其細胞功能，作者再次證實了之前研究結論，同時排除了是由於非特異性的影響了米色脂肪從頭合成等成的影響。同時，作者觀測到CD81缺失會加劇小鼠因高脂飲食誘導產生的肥胖，糖耐受能力減弱等表型。更為重要的是，在人的皮下脂肪中，CD81+ APCs減少會顯著增加患代謝疾病的風險。
最後，總結一下。PDGFα和Sca1作為beige APCs已知Marker，實際上在其他一些脂肪細胞中也能檢測的到【3】，因此用它們來作為beige APCs的Marker並不準確。而Shingo Kajimura教授的工作不僅找到這類beige APCs的一個新的更準確的標誌物—CD81,同時揭示了其在分化成米色脂肪過程中重要的調控作用。更加有意義的是，CD81+ APCs有潛力成為一個生物標誌物去評估個體的代謝健康狀況。
同時，作者在討論部分也提到，CD81隻能作為特定一類beige APCs的Maker,且僅限在腹股溝脂肪組織當中。這意味著除了CD81+ APCs之外，其他一些脂肪祖細胞在接受不同的外界刺激下也會分化產生米色脂肪細胞。考慮到米色脂肪組織對於人體代謝穩態具有非常重要的生理意義，因此這一領域仍有很多重要且有趣的科學問題值得去進一步探索。
原文連結
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.06.021
來源：Bioart
參考文獻：
1. Wu, J., Bostro¨ m, P., Sparks, L.M., Ye, L.,Choi, J.H., Giang, A.H., Khandekar, M., Virtanen, K.A., Nuutila, P., Schaart,G., et al. (2012). Beige adipocytes are a distinct type of thermogenic fat cellin mouse and human.Cell150, 366–376。
2. Hasegawa, Y., Ikeda, K., Chen, Y., Alba, D.L.,Stifler, D., Shinoda, K., Hosono, T., Maretich, P., Yang, Y., Ishigaki, Y., etal. (2018). Repression of Adipose Tissue Fibrosis through a PRDM16-GTF2IRD1Complex Improves Systemic Glucose Homeostasis.Cell Metab.27, 180–194。
3. Berry, R., and Rodeheffer, M.S. (2013).Characterization of the adipocyte cellular lineage in vivo.Nat.Cell Biol. 15, 302–308.
4. Kim, H., Wrann, C.D., Jedrychowski, M., Vidoni,S., Kitase, Y., Nagano, K., Zhou, C., Chou, J., Parkman, V.A., Novick, S.J., etal. (2018). Irisin Mediates Effects on Bone and Fat via alphaV IntegrinReceptors.Cell175, 1756–1768.