背景：
肥胖促进多种病理，包括动脉粥样硬化和痴呆，这些病理常涉及血管缺陷和内皮细胞(EC)功能障碍。每个器官都有不同的EC亚型，但EC是否受到肥胖的不同影响尚不清楚。
简介：
2022年11月18日，来自德国慕尼黑赫姆霍兹中心的赫姆霍兹代谢、肥胖和血管研究所(HI-MAG)的Bilal N. Sheikh 教授课题组在Nat Metab（IF: 13.5）杂志上发表题为“Single-cell profiling of vascular endothelial cells reveals progressive organ-specific vulnerabilities during obesity”的文章[1]。在本研究中，作者使用单细胞RNA测序分析了肥胖进展阶段雄性小鼠7个器官的约375,000个内皮细胞的转录组，以确定器官特异性的脆弱性。作者发现，肥胖以器官和EC亚型特异性的方式调节基因表达网络，包括脂质处理、代谢途径、AP1转录因子和炎症信号。转录组异常会随着持续肥胖而加重，并且仅可通过饮食干预和体重减轻部分缓解。例如，饮食干预可显著减轻EC转录组中肝脏的失调，但不能减轻肾脏的失调。通过整合人类全基因组关联研究数据，作者进一步确定了由肥胖诱导的血管疾病风险基因子集。该工作分类了肥胖对内皮的影响，构成了一个有用的资源，并揭示了作为潜在治疗靶点的研究的线索。
主要结果：
肥胖诱导内皮细胞发生器官特异性改变。
为了确定肥胖对血管内皮细胞的影响，作者给8周龄的小鼠喂食西方饮食(WD)或对照饮食3个月(图1a)。WD导致体重和体脂百分比显著增加，而代谢组学分析显示血清胆固醇和硬脂酸增加，证实了预期的肥胖表型。使用荧光激活细胞分选(FACS)从7个主要器官(脑、心、肺、肾、肝、内脏脂肪组织(AT)和皮下AT)中分离内皮细胞(CD31+CD45low)，并进行scRNA-seq。
根据已确定的标记的表达，从污染的细胞类型中鉴别出内皮细胞。表达Pecam1 (Cd31)、Cdh5和Flt1的细胞被归类为内皮细胞，而壁细胞(Myh11、Acta2和Pdgfrb阳性)、成纤维细胞(Dcn、Col1a1和Pdgfra)和免疫细胞(Ptprc、Igkc和Cd52)被从进一步分析中移除。此外，具有低计数(<500个独特基因)或高线粒体转录本(>所有转录本的20%)的细胞被过滤。过滤后，作者分析了每个器官的7,000 ~ 23,000个内皮细胞(图1b,c)。作者整理了来自肥胖和对照小鼠的99,739个EC的初始数据库，并将其用于第一组分析。
虽然从不同器官分离的内皮细胞具有相似的转录谱(r>0.8)，但它们基于无偏倚聚类被分为不同的组(图1b)，这与不同器官中内皮细胞独特的生理功能一致。作者根据已建立的标记将每个器官的血管内皮分为三个广泛的亚组，包括(1)动脉和微动脉(“art”)，(2)毛细血管(“帽”)和(3)静脉和微静脉(“ven”;图1d)。然后，作者计算了肥胖小鼠和对照组小鼠的差异表达基因(DEGs)的数量。值得注意的是，AT内皮细胞显示出最多的DEGs，尤其是在帽内皮细胞中(图1e)，其次是肝帽内皮细胞。
图1：肥胖诱导内皮细胞发生器官特异性改变
心脏ECs。肥胖促进动脉粥样硬化，因此是心肌梗死的主要危险因素。我们对小鼠心脏的scRNA-seq分析显示了11个内皮细胞簇，包括干扰素高的内皮细胞(IFN-内皮细胞)，血红蛋白阳性的内皮细胞(HB-内皮细胞)和AP1转录因子高的内皮细胞(AP1-内皮细胞;图2a)。我们观察到肥胖患者的微动脉EC亚型增加(图3b)。与心脏中的其他内皮细胞相比，与剪切力和动脉粥样硬化、ECM受体相互作用和白细胞跨内皮迁移相关的基因在小动脉内皮细胞中表达丰富。此外，微动脉内皮细胞显示了肥胖诱导的Meox2和Tcf15表达，这激活了脂肪酸摄取程序。
肺ECs。对来自对照组和肥胖动物的肺内皮细胞进行的分析发现了13个簇，包括两个肺内皮细胞群(pulmECa和pulmECb)，两个Aqp5阳性内皮细胞群(EC-Aqp5a和EC-Aqp5b)，以及一个血小板标记基因阳性(血小板)内皮细胞和肺泡内皮细胞群(aEC;图2 f)。肥胖患者的pulmECa和LEC种群减少，而cap2种群增加(图2g)。作者还检测到一个小簇，它同时表达典型的EC标志物(Pecam1和Flt1)和表面活性物质基因Sftpa1, Sftpb和Sftpc，这些基因是肺细胞的标志物，这些上皮细胞参与肺泡内气体交换。作者将这一群体称为“EC-肺细胞”，并通过荧光原位杂交(FISH)证实其存在，FISH显示细胞与Lyz2、Sftpa1和Sftpb共表达EC标志物Pecam1(图2h)。与其他内皮细胞相比，内皮细胞-肺细胞富集了核糖体和代谢基因的表达。在肥胖动物中，EC-肺细胞群显著减少(图2g)。
图2：肥胖引起心、肺、肾和脑内皮细胞亚群的代谢和炎症网络失调
持续的肥胖会加重内皮细胞的基因失调。
为了研究饮食干预如何影响肥胖和EC表型，作者监测了三个小鼠队列:给予6个月普通饮食的小鼠(队列1，普通饮食)，给予6个月WD的小鼠(队列2，持续性WD)，以及给予3个月WD后给予3个月普通饮食的小鼠(队列3，逆转饮食)。在4个月和6个月的时间点，通过FACS分离内皮细胞，并通过scRNA-seq分析。改变饮食后，队列3显示体重和脂肪量最初减少，并稳定在介于完全喂食WD或普通饲料的动物中观察到的中间水平。这些数据表明，恢复正常饮食只能部分恢复体重和脂肪量。
AT ECs。与肥胖时AT的重塑一致，WD促进EC的血管生成和增殖(图3a)。然而，在持续肥胖的皮下AT中，血管生成和增殖的内皮细胞的比例较较早的WD 3个月和4个月时间点降低(图3a)。这与临床肥胖的血管生成缺陷是一致的。此外，缺氧诱导因子1-α (Hif1a)编码基因在6个月时间点内脏AT的cap内皮细胞中表达上调。这些观察结果表明，AT内皮细胞在持续肥胖时表现出更严重的病变状态。
肝脏ECs。在喂食WD 6个月的小鼠的肝帽EC中诱导炎症网络，但在喂食逆转饮食的小鼠中未诱导炎症网络(图3e,f)。特别是Vcam1, Icam1, Cxcl9和Cxcl10的表达在逆转饮食3个月后恢复到正常水平(图3g)。作者发现，持续肥胖加剧了肝脏内皮细胞线粒体呼吸亚基表达的降低，但饮食逆转可减轻这一情况(图3h)。与肥胖患者循环中脂质和脂肪酸的增加一致，6个月的WD诱导肝ECs中脂肪酸和脂质转运蛋白Cd36、Fabp4、Fabp5和Abca1的表达增加，这一情况可通过逆转饮食部分恢复(图3i)。
图3：逆转组AT内皮细胞中ECM成分以及肝脏内皮细胞中代谢和炎症网络的轨迹得到改善
肥胖可诱导疾病相关基因。
为了确定肥胖诱导的内皮细胞中可增加血管功能障碍风险的DEGs，作者将6个月的WD和6个月的chow数据集与NHGRI-EBI GWAS数据库整合。NHGRI-EBI数据库由人工管理和质量控制，包含所有已发表的符合质量阈值的GWAS研究。作者重点关注与血管病变相关的遗传风险位点，如冠状动脉疾病、动脉粥样硬化、心力衰竭、高血压、卒中、阿尔茨海默病和双相障碍。
与冠状动脉疾病相关的基因位点，包括神经海滩样蛋白1 (NBEAL1)和APOE，在肥胖患者的心脏内皮细胞中上调(图4a)。有趣的是，NBEAL1基因是一个在功能水平上知之甚少的基因，它的遗传变异也显著增加年轻人发生动脉粥样硬化的风险，并促进心肌梗死的风险。这些观察强烈表明NBEAL1是一个肥胖诱导的候选基因，可能增加心脏血管内皮细胞疾病的风险。
肥胖心脏血管内皮细胞中进一步上调的基因，包括Hivep2和Cfdp1，与动脉粥样硬化相关(图4b)，而编码衰老因子p21的基因CDKN1A与心力衰竭相关(图4c)。由于年龄和EC衰老是心力衰竭的重要危险因素，Cdkn1a的诱导表明肥胖可能诱导心脏动脉EC的衰老表型，进而促进心力衰竭。
最近报道SOX17基因变异是肺动脉高压的最强危险因素。肥胖导致了肺血管内皮细胞中Sox17的上调，重要的是，逆转饮食可减轻这一上调(图4d)。ULK4是全身性高血压的重要遗传危险因素，在肺、心、肾、脑和胃上皮细胞中，ULK4随着肥胖而上调(图4e-i)。ULK4是一种丝氨酸-苏氨酸激酶，在脑发育中起重要作用。ULK4在内皮细胞中的功能尚不清楚，但ULK4基因变异与主动脉疾病相关。
图4：人类GWAS数据的整合揭示了由肥胖引起的血管疾病风险基因
结论和展望：
综上所述，作者的工作分类了肥胖引起的内皮变化，并为更好地理解代谢性疾病和肥胖相关共病中的血管功能障碍提供了基础。作者发现的分子网络是改善多种疾病中EC功能障碍的候选组织特异性治疗靶点通路。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s42255-022-00674-x
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