百邁客作為國內引進10x visium 空間轉錄組測序平臺的公司，目前累計成功制備50余種組織類型、1000+例的空間轉錄組樣本，覆蓋的物種不僅包括人和鼠，還覆蓋了其他一些哺乳動物、昆蟲、水產動物等，同時在植物上百邁客也是率先突破了植物空間轉錄組應用難題，解決了植物組織冷凍包埋、冷凍切片、組織優(yōu)化等技術難點，已經成功在擬南芥、水稻、大豆、小麥、玉米等植物上積累大量空間轉錄組經驗?？梢哉綖閺V大老師提供植物空間轉錄組技術服務，提供完善的動植物時空多維解決方案。今天為大家?guī)砜臻g轉錄組技術在人類脂肪組織對胰島素敏感性研究報道，詳解見下文：
英文題目：Spatial mapping reveals human adipocyte subpopulations with distinct sensitivities to insulin
中文題目：空間圖譜揭示人類脂肪細胞亞群對胰島素有不同的敏感性 期刊名稱：Cell Metabolism
影響因子：27.287
細胞異質性和結構對白色脂肪組織(WAT)功能的貢獻尚不清楚。在此，作者利用空間轉錄組（stRNA-seq）與單細胞測序（scRNA-seq）和圖像分析相結合，繪制了人類WAT的組成和結構。最終，該研究確定了18個具有獨特傾向的細胞類群，形成空間組織的同型和異型集群。其中三種構成了成熟的脂肪細胞，它們的大小相似，但在空間排列和轉錄譜上不同。基于標記基因，作者將其命名為Adipo PLIN、Adipo LEP和Adipo SAA。通過對數據進行分析，證實了它們各自的基因譜與脂肪細胞和全身胰島素敏感性存在不同的關聯(lián)。高胰島素-正常血糖葡萄糖鉗夾的體內胰島素刺激顯示只有AdipoPLIN對胰島素有轉錄反應，也進一步證實了作者的結果?？傊?，通過挖掘這一多通道資源，作者確定了人類WAT由三種成熟脂肪細胞組成，其中只有一種是胰島素應答的。
背景介紹
WAT通過儲存、釋放脂質和分泌因子來調節(jié)熱量的攝入，從而在能量穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。同時，WAT在細胞組成和結構等功能方面也起著關鍵作用。與大腦、胰腺和肝臟等器官相比，WAT沒有明顯的組織結構，加上許多固有細胞類型缺乏明確定義的標記，因此對定義WAT的微結構提出了挑戰(zhàn)。
為了對WAT細胞進行更深入的了解，作者利用scRNA-seq和stRNA-seq對其進行了測序研究，并將數據與圖像結合分析，最終提供了人類皮下腹腔WAT的細胞類型和結構的全面圖譜。通過對這一資源的挖掘以及在人體中進行的功能性研究，作者確定了三種表現(xiàn)出不同空間定位和對胰島素反應差異的脂肪細胞群體，表明脂肪細胞異質性是WAT對胰島素敏感性的決定因素。
研究方法
空間轉錄組；單細胞轉錄組；免疫熒光；分離脂肪細胞大小測定；高胰島素-正常血糖葡萄糖鉗夾等
研究結果
1. 空間轉錄組學鑒定了人類WAT的多種細胞特征
作者使用10x Genomics Visium平臺對?WAT中的細胞類型的異質性和空間位置進行了研究。通過穿刺活檢獲得體重指數、年齡和對胰島素敏感性均有差異的10個人的腹部皮下WAT樣本。對其覆蓋27,937個spots的數據進行空間轉錄組分析，結果發(fā)現(xiàn)每個切片平均檢測17,303個獨特基因和3,280,607個UMIs（圖1B）。通過對數據進一步分析，共鑒定了?20種不同的細胞類群（C01-C20;圖1C），且存在于所有捐助者中。接下來，將目前的結果與最近發(fā)表的人類WAT間質血管的單細胞數據進行整合分析?，結果表明，空間數據包含了內皮細胞、免疫細胞和祖細胞的特定群體（圖1D）。人工注釋標記基因協(xié)助作者對20類細胞類型進行標注（圖1E），主要包括免疫細胞（單核細胞［C15］, Ml-like［C20］和 M2-like 巨噬細胞［C08］,樹突細胞［C16］,肥大細胞［C10］, B細胞［C18］和NK細胞［C13］）,血管細胞（微血管 ［C05］和經典［C14］內皮細胞和血管平滑肌細胞［C17 / C19］）和脂肪細胞祖細胞（C07 / C09 / C12）。在后者中，C07表達成熟的前脂肪細胞/脂肪干細胞標記物，C09表達編碼纖維化和細胞外基質蛋白的轉錄本，而C12是前兩者的混合。一個祖細胞類群（C11）富集了多個編碼金屬硫蛋白的基因，在立體分析中將其歸為祖細胞（圖1D）。然而，在UMAP中，它從其他三個祖細胞中分離出來，因此，作者確定了其特征基因在脂肪生成的整體轉錄譜和WAT的不同組分中的表達。這些分析證實了C11在脂肪祖細胞中富集，并在人類脂肪形成過程中瞬時表達。
空間數據分析了成熟脂肪細胞，他們在C03-C20 細胞類群中占比達到31%-57%。圖1E中顯示，作者鑒定了三種成熟脂肪細胞(C03/C04/C06)，它們有明顯差異的標記基因。
2. WAT在空間上分為同型和異型細胞群
? ??為了系統(tǒng)地確定WAT的細胞類型，作者計算了每個相鄰spot點內細胞的傾向性，這里稱為同型聚類評分(圖2A)。分析結果顯示，所有免疫細胞、脂肪祖細胞、血管細胞以及成熟脂肪細胞在同型評分中均表現(xiàn)出較大跨度(圖2B,2c)。免疫細胞中的 M1-like巨噬細胞(C20)、B細胞(C18)和肥大細胞(C10) 通常在細胞簇中； 而M2-like巨噬細胞(C08)和NK細胞(C13) 則分布在組織各處。對于脂肪祖細胞，C09和C11 的聚類水平高于C07和C12。對同型簇的檢查顯示，C09位于纖維/血管結構之上，而 C11位于含有脂肪細胞的區(qū)域。成熟脂肪細胞的同型評分較低，除C06外，在組織切片的特定區(qū)域密度較高。對于罕見事件，如大血管結構，其評分在樣本之間顯示出更多的可變性，因為這些特征并不是在所有的部分都存在。然而，經典內皮細胞(C14)和血管平滑肌細胞(C17/C19)在更大的血管結構區(qū)域被檢測到，而微血管內皮細胞(C05)均勻分布于整個組織。
? ? ? ?為了確定不同細胞類型之間的空間關系，作者還開發(fā)了一種算法對異型鄰域分析 (圖3A)，揭示了幾種關聯(lián)性(圖3B,3C)。正如預期的那樣，較大血管結構 (C14/C17/C19)彼此之間的距離比與血管樣組織的距離更加靠近；M2-like巨噬細胞(C08)經常位于兩種脂肪祖細胞附近：C09的同型簇(圖3C)和分散的C12，這與小鼠研究一致。此外，樹突狀細胞(C16)與其他免疫細胞表現(xiàn)出較高的異型評分，而兩類成熟脂肪細胞(C03/C04)相互共定位，并與C06脂肪細胞明顯分離?？傊愋袜徲蚍治霰砻?，WAT的空間定義比預期的更明確，具有特定的細胞-細胞關系。
3. 人類WAT含有不同的成熟脂肪細胞亞群
? ? ? ? ? ?作者的分析確定了三種不同類型的成熟脂肪細胞，它們具有不同的轉錄譜和空間排列。作者進一步定義了每個亞型的標記基因（圖4A），結果發(fā)現(xiàn)了LEP（編碼脂肪因子瘦素）、PLIN1/PLIN4（編碼脂滴蛋白perilipin-1和-4）和SAA1/SAA2（編碼血清淀粉樣蛋白A1和A2急性期蛋白質）是各分類中最獨特的基因。因此，作者將這些亞群體命名為Adipo LEP、Adipo PLIN和Adipo SAA。如結果所示，Adipo LEP富集了細胞-細胞/基質細胞相互作用蛋白和瘦素信號/分泌調節(jié)基因。AdipoPLIN標記基因與葡萄糖和脂質代謝以及脂肪因子脂聯(lián)素相關。雖然Adipo SAA與Adipo PLIN有一些共同的標記基因，但這類基因也富集了多種與視黃醇代謝及結合的多種脂肪因子和酶。為了證實這三種亞型的標記基因在成熟脂肪細胞中表達，作者分析了大量配對樣本的轉錄組學數據，比較了從WAT中分離的脂肪細胞和非脂肪細胞。相關數據表明，50個標記基因在脂肪細胞中富集（圖4B）,說明Adipo LEP、AdipPLIN和AdipoSAA代表不同類型的脂肪細胞。空間數據的進一步分析顯示，這些亞型表現(xiàn)出相互的表達模式（圖4C）。作者用針對AdipoLEP（DDR2）和Adipo PLIN （HSL,由LIPE編碼）標記蛋白的抗體對從人皮下WAT分離的成熟脂肪細胞進行染色，驗證了該結果（圖4D）。此外，還使用針對CD36（Adipo PLIN的標記物）和 CSDEl（Adipo LEP的標記物）的抗體對人類成熟脂肪細胞進行了免疫共標記，觀察到其相互的染色模式。對于Adipo SAA，作者進行了多種抗體的測試，但沒有一種抗體顯示出足夠的特異性。綜上所述，空間數據可在蛋白質水平上進行概述，并支持所鑒定的脂肪細胞具有不同表達譜的亞群。
4. 脂肪細胞的大小并不是脂肪細胞異質性的決定因素
? ? ? ?由于脂肪細胞的大小和數量影響WAT的功能，因此我們將這兩個參數與已鑒定的脂肪細胞亞型的關系進行了確定。結果表明Adipo LEP是最豐富的細胞類群，其次是Adipo PLIN和Adipo SAA。在這個相對較小的隊列中， 肥胖與非肥胖受試者的比較顯示，前者Adipo PLIN細胞較少，而兩組間Adipo LEP和Adipo SAA的比例相似。相比之下，供體年齡并不影響脂肪細胞亞型的比例。為了測試脂肪細胞亞型是否在細胞體積上顯示出差異，作者開發(fā)了一個自動圖像分析流程，可將脂肪細胞大小數據與來自相應spot的基因表達譜整合（圖5A）。各受試者的數據分析顯示，直徑存在顯著的差異: AdipoPLIN（74 mm）平均小于Adipo SAA （76 mm）和AdipoLEP（77 mm）（圖5E）。為了測試細胞大小是否是脂肪細胞亞型的決定因素，比較了小脂肪細胞和大脂肪細胞差異表達的基因（圖5F和5G）。結果表明 ，Adipo LEP和Adipo PLIN （Adipo SAA點數盤較少，無法進行可靠的分析）對細胞大小的差異做出了響應（圖5G）。綜上所述，這些分析表明:⑴ 脂肪細胞亞型的比例受肥胖的影響；（2）小脂肪細胞和大脂肪細胞的基因發(fā)生了差異表達，⑶雖然脂肪細胞亞型對脂肪細胞大小的變化有反應，但這并不能解釋脂肪細胞的異質性。
5.? 體內脂肪細胞亞群對胰島素的反應不同
? ? ? ??接下來，作者的目標是了解脂肪細胞亞型對組織功能的貢獻。為深入了解脂肪細胞亞型方面的功能，作者對56女性的WAT轉錄組數據進行了綜合分析，其中還對新鮮分離的脂肪細胞進行了脂肪分解/脂肪生成測量。在比較56名女性數據時，Adipo PLIN、Adipo LEP和Adipo SAA標記基因形成了單獨的、共同調控的集群(圖6A)，可用來確定細胞類型豐度和脂肪細胞表型之間的關系。與空間數據一致 ，Adipo PLIN在肥胖人群中的比例降低，分析顯示Adipo PLIN與BMI之間負相關，AdipoSAA與BMI也呈負相關，而AdipoLEP呈正相關（圖6B）。
? ? ? ??在脂肪細胞中，兒茶酚胺刺激脂肪分解，胰島素抑制脂肪分解促進脂肪生成。通過校正BMI（圖6c），作者觀察到AdipoPLIN和兩種脂解指標之間存在正相關，而AdipoLEP與這些參數沒有或弱負相關。對于胰島素刺激脂肪生成，研究發(fā)現(xiàn)Adipo PLIN與此指標呈正相關，AdipoLEP呈負相關。相比之下，AdipoSAA與任何研究參數均無顯著相關性?？傊@表明Adipo PLIN與AdipoSAA相比，Adipo PLIN與更明顯的胰島素反應有關。為了在人體內測試這一發(fā)現(xiàn)，作者在高胰島素-微生物-正血糖鉗夾2小時后，從10個個體中的4個收集了 WAT樣本，并進行了空間轉錄組分析（圖7A，7B）。穩(wěn)定狀態(tài)下的胰島素平均濃度是空腹狀態(tài)下的10倍，從葡萄糖處理率（m值）可以看出，4例患者均表現(xiàn)出明顯的胰島素敏感性（圖7B）。高胰島素血癥的空間數據與禁食狀態(tài)下獲得的樣本質量相似（圖7B），兩者的比較在基因表達水平上明確了胰島素反應（圖7C）。這些數據與之前報道的高胰島素鉗夾隊列的大量組織RNA測序顯示出一致的結果，表明空間分析捕捉到了胰島素的急性反應。盡管胰島素誘導了一個快速的轉錄反應，但在這個時間框架內，它本身并不是脂肪細胞異質性的驅動因素（圖7D）。接下來，作者根據細胞類型進行胰島素反應分析。對于脂肪細胞，在AdipoPLIN中有多個基因對胰島素有顯著反應，AdipoSAA中變少，而AdipoLEP中只有一個基因（圖7E）。作者評估了個體間對胰島素的轉錄反應是否存在數量差異，分析結果表明，Adipo PLIN反映了 M-values值，但這在其他兩個亞型中不明顯（圖7F和7G）。總之，這些數據表明，體內對胰島素的轉錄反應主要歸因于Adipo PLIN，而其他脂肪細胞亞型對高胰島素血癥仍然沒有反應。
? ? ? ??作者鑒定了人類WAT組織的空間圖譜，證實其由多種類型的細胞組成，并排列在特定的區(qū)域。此外，WAT至少包含三種不同表型的脂肪細胞亞型。在禁食和高胰島素狀態(tài)下，只有一個脂肪細胞亞群對胰島素有反應，這表明脂肪細胞異質性是WAT胰島素敏感性的決定因素。雖然研究主要集中在成熟脂肪細胞，但數據集信息非常豐富，也為后續(xù)深入研究WAT體系結構和細胞異構性提供了一個開放資源。
研究的局限性
? ? ? ??雖作者對WTA有了一定的了解，但仍有一些問題沒有得到解答。例如，未確定脂肪細胞異質性的決定因素。未研究常見的代謝紊亂，如2型糖尿病對WAT 微結構和不同脂肪細胞亞型比例的影響。重要的是，脂肪細胞異質性在多大程度上促成了胰島素抵抗以及異位脂質沉積尚不清楚。此外，缺乏不同脂肪細胞亞型的體內功能數據，較難對成熟的人體脂肪細胞進行分類。除此之外，該研究結果只適用于人類的皮下腹部，其他部位或生物體是否也有類似的分類仍有待確定。
原文下載
https://international.biocloud.net/zh/article/detail/34380013
百邁客空間轉錄組優(yōu)勢
? 多物種：人、鼠、哺乳動物、植物等多物種均可開展空間轉錄組檢測服務
? 多樣本類型：冷凍組織、FFPE組織多種組織類型都可以實現(xiàn)空間轉錄組測序
? 設備全：擁有冷凍切片機、石蠟切片機、多系統(tǒng)熒光顯微鏡，可滿足多樣本空間轉錄組高通量測序，一次性多通道、多樣本，實現(xiàn)高效空間轉錄組測序服務；
? 經驗豐富：國內首批引進10x visium 空間轉錄組測序平臺，目前累計成功制備50余種組織類型、1000+例的空間轉錄組樣本
? 強大生信分析：可提供基本分析和高階分析，滿足個性化調整
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? 空間轉錄組&單細胞聯(lián)合分析：空間轉錄組多組學聯(lián)合分析，可近似實現(xiàn)單細胞分辨率空間轉錄組基因表達特征，交互式分析。
百邁客空間轉錄組項目經驗
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