《PLOS Biology》：Gpc3 selectively suppresses subcutaneous adipogenesis in diet-induced obesity
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本文揭示了一个新的分子调控机制：Glypican 3 (Gpc3) 作为脂肪组织区域塑性的关键调节因子。研究通过整合人类皮下（ASAT）和内脏（OVAT）脂肪组织的蛋白组学分析，以及小鼠脂肪干细胞和祖细胞（ASPCs）在膳食转换过程中的时序转录组学分析，发现Gpc3是响应肥胖的基因，且在皮下与内脏脂肪库中呈现相反的动态表达模式。机制上，Gpc3缺失通过特异性调节经典的Wnt信号通路，促使ASPCs命运偏向于脂肪生成而非增殖，从而选择性地增强了高脂饮食（HFD）诱导的腹股沟白色脂肪组织（iWAT）的扩张，而不影响附睾白色脂肪组织（eWAT）。该研究为肥胖及相关代谢性疾病中病理性脂肪分布的重新编程提供了潜在分子靶点。
在哺乳动物中，白色脂肪组织是主要的能量储存库，其通过现有脂肪细胞的肥大性生长和脂肪干细胞与祖细胞的增生性扩张两种主要机制，响应长期的营养过剩。白色脂肪组织在解剖学上分为皮下和内脏脂肪库，两者在基因表达谱、发育起源和分泌功能上存在根本差异。理解不同脂肪库如何响应代谢变化，以及其特有的扩张、适应和代谢保护能力，是代谢研究领域的核心问题。
人类皮下和内脏脂肪组织表现出与肥胖状态无关的独特蛋白组学特征
为探究人类脂肪库特异性的蛋白组差异，研究人员对来自四名非肥胖和四名肥胖个体的成对腹部皮下脂肪组织和网膜内脏脂肪组织样本进行了定量蛋白组学分析。结果显示，无论肥胖状态如何，两种脂肪库之间都存在显著的蛋白丰度差异，内脏脂肪库中富集的蛋白比例比皮下脂肪库高2到10倍。通路富集分析表明，皮下脂肪富集蛋白与活性氧代谢、细胞解毒和气体运输相关，暗示其高代谢活性状态；而内脏脂肪富集蛋白则与RNA剪接、核糖核蛋白复合物生物合成等转录和转录后调控过程相关，表明其维持着生物合成活跃的环境。这些脂肪库特异性的通路特征不受肥胖状态影响，说明脂肪组织的基本特性和功能主要由其解剖位置决定，肥胖加剧而非重编程了这些先天功能。
小鼠皮下和内脏ASPCs在膳食转换中表现出脂肪库特异性的转录可塑性
鉴于人类脂肪组织的显著差异，研究转向小鼠模型，以高分辨率分析ASPCs在代谢挑战下的转录组可塑性。研究人员设置了五种不同的喂养范式，对小鼠的腹股沟白色脂肪组织和附睾白色脂肪组织的基质血管部分进行单细胞RNA测序分析。结果显示，从普通饲料转换为高脂饲料的饮食转变，诱导了ASPC1（Dpp4+&Pi16+ 祖细胞）向ASPC2（Pdgfrb+&Icam1+ 前脂肪细胞）的比例转变，这种效应在内脏脂肪中最为明显，并在恢复普通饲料喂养后发生逆转。这提示祖细胞和前脂肪细胞亚群之间的平衡是一个动态平衡，对环境营养信号高度敏感且可逆。此外，在所有饮食条件下，内脏脂肪中ASPC2的比例均高于皮下脂肪。差异表达基因分析发现，内脏脂肪ASPCs对高脂饮食表现出更广泛的转录反应，涉及的差异表达基因数量远多于皮下脂肪，表明内脏脂肪库具有更大的代谢可塑性。这些高脂饮食响应基因的表达水平和细胞普遍性在从高脂饲料转换回普通饲料的组别中恢复到基线水平，证明了ASPCs对营养信号具有动态适应能力。通路富集分析进一步揭示了皮下和内脏脂肪对饮食转换反应的脂肪库特异性转录可塑性。
Gpc3在小鼠和人类代谢适应过程中在皮下与内脏脂肪组织中呈现相反的动态表达
在所有分析的高脂饮食响应基因中，Gpc3是唯一一个在皮下和内脏脂肪中对高脂饮食和普通饮食转换表现出相反动态表达模式的基因。在小鼠皮下脂肪中，Gpc3的表达水平和表达Gpc3的ASPCs比例在高脂饮食下增加，并在恢复普通饮食后降低；而在内脏脂肪中则呈现出完全相反的模式。这种脂肪库特异性调控在整体组织的mRNA水平和ASPCs的蛋白水平上得到了进一步证实。与小鼠数据一致，对人类肥胖和瘦弱供者的成对脂肪样本的蛋白组学分析也揭示了GPC3蛋白水平的类似差异。此外，在肥胖供者的皮下脂肪中，GPC3蛋白表达与体重指数呈正相关趋势，而在小鼠中，皮下脂肪的Gpc3 mRNA水平与高脂喂养小鼠的体重呈正相关，内脏脂肪则呈负相关。对人类已发表的单核RNA测序数据的分析进一步证实，GPC3表达主要定位于ASPCs，并且在瘦弱和肥胖供者的两种脂肪库中呈现相反的表达模式，这与小鼠饮食干预中观察到的反应相呼应。这些发现共同支持了Gpc3在应对代谢挑战的适应性反应中具有进化保守的、脂肪库特异性的作用。
ASPC特异性Gpc3缺失选择性促进高脂饮食诱导的皮下脂肪扩张
为了研究Gpc3在ASPCs中的细胞自主作用，研究人员构建了在ASPCs中特异性敲除Gpc3的小鼠模型。在高脂饲料喂养18周后，突变型小鼠表现出比对照小鼠更显著的体重增加和脂肪量积累。在组织水平上，突变型小鼠皮下脂肪的湿重显著增加，而内脏脂肪则无变化。与此一致，突变型小鼠皮下脂肪的脂肪细胞体积显著增大，而内脏脂肪细胞大小在组间无差异。重要的是，对照和突变型小鼠在葡萄糖耐量、胰岛素敏感性、呼吸、能量消耗、食物摄入和自主活动方面没有差异，这表明突变主要影响局部脂肪组织扩张，而非全身代谢调控。对高脂喂养的对照和突变小鼠皮下和内脏脂肪的定量蛋白组学分析发现，在突变小鼠皮下脂肪中，大多数已知调控脂肪组织扩张的通路（包括脂质摄取和储存、脂肪生成、脂肪生成、炎症、细胞外基质重塑、自噬和溶酶体功能以及激素调节）均上调。相比之下，这些通路在内脏脂肪中要么不变，要么下调，这突显了Gpc3在促进皮下脂肪代谢有利重塑方面的根本性脂肪库特异性作用。单核RNA测序证实了皮下脂肪中表达Gpc3的细胞（主要是ASPCs）比例在突变体中降低了3倍。虽然Gpc3缺失没有 drastically改变两个主要ASPC亚群的比例分布，但它深刻地改变了它们的转录程序，表现为两个种群中排名前5的富集通路发生了转变。
Gpc3在高脂饮食喂养期间以细胞自主方式限制皮下脂肪扩张
为了研究Gpc3调控皮下和内脏脂肪扩张的细胞机制，研究人员利用可诱导的Cre重组酶系统结合mTmG报告基因小鼠进行谱系追踪。结果显示，在高脂饮食条件下，突变型小鼠的皮下脂肪中，由ASPCs衍生的GFP+标记脂肪细胞比例显著更高，且脂肪细胞体积减小，这可能是由于Gpc3缺陷的ASPCs分化潜能增强所致。相比之下，内脏脂肪在标记脂肪细胞的比例或大小上均无基因型差异。值得注意的是，非标记的脂肪细胞在两个脂肪库中均未受影响，这证明Gpc3以细胞自主方式限制组织扩张。在使用相同注射方案但维持小鼠普通饲料喂养的条件下，突变型小鼠仅在皮下和内脏脂肪中都显示出显著更高比例的GFP+标记脂肪细胞，这表明Gpc3在调控内脏脂肪扩张中的作用具有饮食依赖性。
高脂喂养条件下Gpc3缺陷的皮下脂肪ASPCs表现出增强的分化潜能和降低的增殖能力
为了探究Gpc3缺陷ASPCs增生增强的机制，研究人员从高脂喂养的对照和突变小鼠的皮下和内脏脂肪中分离ASPCs进行体外原代培养。在高脂饮食条件下，突变型小鼠皮下脂肪来源的脂肪细胞在体外培养第7天时表现出显著更高的油红O染色脂质积累，并在分化过程中脂肪生成和脂肪生成标志物表达增加。这些变化伴随着BrdU掺入减少和Ccnd1表达降低，表明增殖能力受损。相反，在高脂喂养小鼠的内脏脂肪来源的脂肪细胞中，脂质积累和增殖能力没有差异，尽管脂肪生成和脂肪生成标志物表达升高。在普通饲料条件下，对照和突变型皮下脂肪来源的脂肪细胞显示出相当的分化能力，而突变型内脏脂肪来源的脂肪细胞则表现出分化能力降低，且脂肪生成和脂肪生成标志物表达减少。这些数据共同表明，Gpc3缺失在高压条件下选择性地增强了皮下脂肪ASPCs的脂肪生成潜能，同时抑制了其增殖。
Gpc3通过经典Wnt信号通路调控皮下脂肪分化
为了阐明Gpc3在皮下脂肪中发挥特异性作用的分子机制，研究人员对小鼠蛋白组学数据进行了比较通路富集分析。他们发现Wnt信号通路在突变型皮下脂肪中特异性下调，这与Gpc3在肝细胞癌中作为Wnt激活剂的作用一致。相比之下，Hedgehog、Hippo和成纤维细胞生长因子信号通路等其他通路未受影响或仅在突变型内脏脂肪中表现出改变。支持这一观察的是，Wnt相关蛋白，包括总β-连环蛋白，主要在突变型皮下脂肪中上调，而在内脏脂肪中没有一致的模式。在皮下脂肪ASPCs来源的脂肪细胞中，高脂喂养的突变小鼠的活性和总β-连环蛋白水平均显著降低。在人类蛋白组学数据中，WNT信号通路在肥胖条件下的皮下脂肪中比内脏脂肪上调，但在瘦弱条件下则无此差异。此外，肥胖患者的皮下脂肪比瘦弱患者的皮下脂肪表现出更高的WNT信号活性，而内脏脂肪中则没有差异。
为了确定Gpc3对ASPC分化的影响是否依赖于Wnt信号，研究人员敲低了皮下脂肪ASPCs中Axin1（编码对β-连环蛋白磷酸化和降解至关重要的支架蛋白的基因）。成功的Axin1敲低增加了活性非磷酸化β-连环蛋白的水平，并逆转了突变型ASPCs增强的脂肪生成潜能。用重组Wnt3a蛋白或CHIR99021（一种稳定β-连环蛋白的GSK3抑制剂）激活Wnt信号，增加了活性非磷酸化β-连环蛋白水平，并抑制了对照和突变型ASPCs的脂肪生成。相反，用XAV939（一种促进β-连环蛋白降解的tankyrase抑制剂）抑制Wnt信号，在对照和突变型ASPCs中产生了相反的效果。这些发现共同确立了Gpc3在高脂饮食条件下是ASPCs中经典Wnt通路的一个主要（尽管非排他性）调节因子。
讨论
本研究将Gpc3定位为脂肪组织可塑性和分布的关键调节因子，揭示了Gpc3通过调节经典Wnt信号通路，在肥胖等代谢压力下，特异性调控皮下脂肪（而非内脏脂肪）的扩张。这一发现为理解区域性脂肪库如何差异性地适应代谢压力提供了新的分子见解。在人类中，臀股皮下脂肪的积累与改善的葡萄糖耐量和动脉粥样硬化保护相关，而内脏脂肪扩张则与2型糖尿病和慢性心力衰竭风险增加相关。因此，Gpc3作为皮下脂肪特异性可塑性的分子决定因素，与皮下脂肪在代谢健康中的保护作用相一致。靶向Gpc3-Wnt轴，可能为调节脂肪组织功能和干预代谢性疾病提供新的策略。未来的研究可以更精确地剖析Gpc3缺失的时间依赖性效应，以阐明Gpc3如何影响脂肪组织在肥胖发展过程中从肥大性扩张向增生性扩张的转变。尽管本研究存在一些局限性，例如使用的PdgfraCre品系也可能在其他组织中具有活性，以及未能通过蛋白质印迹可靠地检测脂肪组织中的GPC3蛋白，但来自谱系追踪、体外研究和大脑特异性敲除模型的多条证据线支持脂肪组织是Gpc3发挥关键作用的部位。总体而言，该研究揭示了脂肪库特异性分子程序如何塑造脂肪组织功能和重塑，并表明靶向脂肪库和谱系特异性可塑性可能成为代谢疾病干预的一个有前景的方向。
