（圖片來源：https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.121.318093）
脂肪組織在過去被認為是只有單一功能且由單種細胞所組成 (monotypic) 的結締組織，如今，被發現也是一種內分泌器官用來調控體內的新陳代謝。因為脂肪細胞很脆弱，所以無法用一般的 RNA 定序的流程來探討脂肪細胞中的基因變化。近年來，隨著單細胞基因定序的進步，來自美國的 Beth Israel Deaconess Medical Center 研究團隊因此發現新的亞型脂肪細胞，並探討特定的細胞類型與代謝疾病的風險的相關性，本文可作為深入了解脂肪組織如何影響人類健康和新陳代謝疾病的開端。
人類白色脂肪組織的細胞圖譜
成熟的脂肪細胞因為比一般細胞的體積來的大而且脆弱，所以很難利用標準的單細胞定序流程來偵測細胞內的基因變化。過去的研究都是直接從老鼠或是人類的基質血管成分 (stromal-vascular fraction, SVF) 中分離出成熟的脂肪細胞。另一個方法是直接從細胞中分離出其細胞核，再進行單核基因定序 (single-nucleus sequencing, sNuc-seq)，以用於區分人類棕色脂肪組織 (brown adipose tissue) 和其他細胞群。為了比較兩種實驗方法對於分析的人類白色脂肪組織的細胞組成結果是否有影響，研究團隊首先比較兩種實驗方法。組別一，團隊只採樣受試者的皮下脂肪，並使用 collagenase 從 stromal-vascular fraction 中分離出單細胞，並進行所有細胞的單基因定序 (single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)。組別二，從同一位受試者身上同時採樣皮下及內臟脂肪，並進行 sNuc-seq (圖一 a,b)。結果發現兩種實驗方法都可以區分不同的細胞，而且細胞分布相似。但有趣的是脂肪細胞的資訊只有出現在 sNuc-seq 中(圖一 c,d)。
圖一、 a.本研究實驗流程圖。Drop-seq 又稱 single-cell RNA sequencing，Drop 指的是droplets。 b.受試者性別及 BMI 的分布。(上) 從同一位受試者身上採樣皮下及內臟脂肪 (7 位女性，3位男性)，其中 3 位女性受試者只有採樣皮下脂肪，並進行單核基因定序。(下) 有 9 名女性受試者只採樣皮下脂肪並進行所有細胞的單基因定序。c. 利用 Uniform manifold approximation and projection (UMAP) 統計方法，分析人類白色脂肪組織中的細胞組成。 d.分析人類白色脂肪組織的細胞組成中，每一個標識基因 (marker genes) 所代表的細胞群。例如，只有脂肪細胞才會表現 ADIPOQ 基因，其他細胞並不會表現。 （圖片來源：doi.org/10.1038/s41586-022-04518-2）
獨特的 hAd6 亞型脂肪細胞
白色脂肪組織在過去被認為是由單一種細胞所組成的組織。藉由 sNuc-seq 研究團隊發現人類白色脂肪細胞可以再被分成七種具有不同標記的亞群 (圖二)，並將人類組織切片做免疫組織學染色，進而驗證這些標記的確有出現在人類白色脂肪組織中 (圖三)。為了瞭解這些亞型脂肪細胞的比例是否會受到 BMI 的影響，研究團隊分析來自 43 名女性受試者皮下脂肪組織的 mRNA-seq。結果發現，hAd4 和 hAd7 亞型和 BMI 呈現負相關；而 hAd5 和 BMI 則呈現正相關 (圖四)。其中最獨特的是 hAd6 亞型，因為它只出現在內臟脂肪組織，而且表現許多和產熱相關的基因 (thermogenesis gene)，例如 EBF2 (圖二，右下)。
圖二：所有亞型脂肪細胞除了表現脂肪細胞該有的標記基因ADIPOQ外，還可以更進一步被分成七種亞群。 （圖片來源：doi.org/10.1038/s41586-022-04518-2）
圖三:亞型脂肪細胞的標記基因 (marker genes) 在正常與肥胖個體中的組織免疫學染色。GRIA4: hAd4 標記基因，PGAP1: hAd5 標記基因，EBF2: hAd6 標記基因; AGMO: hAd7 標記基因。hAd4 和 hAd7 會出現在正常與肥胖個體皮下脂肪中，而 hAd5 則是會出現在正常與肥胖個體的皮下及內臟脂肪中，而其中最有趣的是 hAd6 亞型脂肪細胞只出現在肥胖個體中的內臟脂肪。 （圖片來源：10.1038/s41586-022-04518-2）
圖四、分析來自 43 位女性受試者的皮下脂肪細胞 mRNA 數據，並且從中推估亞型脂肪細胞的比例 (Y軸) 和 BMI (X軸)的關係。因為 hAd6 只出現在內臟脂肪組織而此實驗並沒有採樣內臟脂肪組織，所以無法得知 hAd6 和 BMI 之間的關係。但是從 hAd6 亞型脂肪細胞只出現在肥胖個體的組織切片圖推測，hAd6 亞型脂肪細胞和 BMI 應該呈現正相關。 （圖片來源：doi.org/10.1038/s41586-022-04518-2）
亞型脂肪細胞和人類健康的關係
肥胖會造成許多和代謝相關的疾病，例如:心血管疾病、第一型和第二型糖尿病。 為了進一步了解亞型脂肪細胞和代謝疾病的關聯，研究團隊使用 CELLECT 的統計分析方法，將研究團隊從單細胞定序中所得到的數據結合過去關於代謝疾病的GWAS 研究分析作整合。結果發現，和白色脂肪細胞關聯性最高的性狀 (phenotype) 是腰臀比例 (Waist-Hip Ratio, WHR) 而非 BMI (圖五c)。所有亞型脂肪細胞和腰臀比例都有顯著相關，而 hAd7 在第二型糖尿病 (T2D) 呈現高度相關 (圖五d)
圖五、合併 scRNA-seq、sNuc-seq 與 GWAS 研究的相關聯統計分析。 c. 第一型糖尿病是因為患者胰臟內的beta 細胞被自身免疫系統攻擊受損而造成胰島素分泌不足，因此從CELLECT 分析中發現 B 、T lymphocytes 和 NK cells 與第一型糖尿病有高度相關是符合預期的。有趣的是，和白色脂肪細胞關聯性最高的性狀(phenotype) 是腰臀比例 (Waist-Hip Ratio, WHR) 而不是 BMI。灰線代表 P 值等於 0.05 ，橘線表示校正後的顯著 P 值 (P = 0.003)。因為在進行多重檢定時，type I 型錯誤的風險會增加，因此需要利用 Bonferroni 校正 P 值。 d.亞型脂肪細胞和 GWAS 研究的相關聯統計分析 （圖片來源：doi.org/10.1038/s41586-022-04518-2）
結語
本篇研究直接由人體樣本分析脂肪細胞，並提供了更進一步的探討。然而目前多數關於脂肪組織的研究都是使用小鼠作為模型，因此本篇也分析了小鼠脂肪組織中的細胞組成。整體上，小鼠脂肪組織的分布與人類非常相似。另外，即使是細胞培養下的人類脂肪細胞也有亞型脂肪細胞群。本研究全面的分析人類白色脂肪和體重的關係，為人類亞健康和新陳代謝相關疾病奠定研究基礎。
延伸閱讀｜Investigator：Single cell analysis 選文
Main Article:
Emont, M.P., Jacobs, C., Essene, A.L. et al. A single-cell atlas of human and mouse white adipose tissue. Nature 603, 926–933 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04518-2
參考文獻：
- Emont, M.P., Jacobs, C., Essene, A.L. et al. A single-cell atlas of human and mouse white adipose tissue. Nature 603, 926–933 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04518-2
關鍵字：單細胞基因定序、脂肪組織
撰文｜蔡伊婷
審稿｜吳畇芸
