肝脏中的单细胞和空间组学研究发现了与衰老和胰岛素抵抗相关的细胞间通讯调控因子

《Metabolism》：Single-cell and spatial omics in liver identify cell-cell communication regulators in aging and insulin resistance

　　

魏赵|焦新峰|杜康|孙秋实|段俊艳|曹阳|沈熙宇|扎伊德·赛义德|萨蒂亚·S·卡里|彼得·埃尔斯沃思|胡文静|阿肖特·萨尔吉扬|英娜·阿斯塔波娃|金秀然|约翰·冈萨雷斯|阿尔伯特·T·希金斯-陈|雷切尔·J·佩里|关惠宏|博吉·安德森|杨秦

美国数学系与NSF-Simons多尺度细胞命运研究中心

摘要

肝脏是调节全身胰岛素敏感性的主要代谢器官，其胰岛素敏感性会随年龄增长而逐渐下降。由于细胞成分和空间结构的复杂性，肝脏在衰老过程中如何调节胰岛素抵抗机制仍待阐明。通过单细胞RNA-seq、ATAC-seq和空间转录组学技术，我们研究了年轻且对胰岛素敏感的小鼠以及具有不同程度的胰岛素抵抗的老年小鼠的肝细胞组成和分区情况。衰老导致中心周围区3（zone 3）的肝细胞数量减少，而中间区2（zone 2）的肝细胞和肝星状细胞（HSCs）数量增加。衰老与胰岛素抵抗的相互作用进一步促使zone 3收缩，zone 2扩张。细胞间通信和空间邻近性分析显示，在衰老和胰岛素抵抗的情况下，从HSCs到zone 3肝细胞的肝细胞生长因子（HGF）信号传导活性降低。在HGF激活因子（HGFAC）敲除的小鼠中，观察到zone 3肝细胞的比例显著减少。用HGF治疗胰岛素抵抗的老年小鼠可逆转zone 3的收缩并改善胰岛素敏感性。这些发现强调了肝脏分区动态在衰老相关胰岛素抵抗中的作用。

引言

与年龄相关的疾病，如2型糖尿病、心血管疾病和痴呆症，是老年人死亡率的重要因素[1],[2],[3]。胰岛素抵抗不仅是2型糖尿病发生的基本机制，还与其他与年龄相关的并发症（如心血管疾病和痴呆症）有关[4],[5]。尽管调控衰老相关胰岛素抵抗的机制复杂且尚未完全阐明[6],[7]，但胰岛素敏感性会随年龄增长而逐渐下降。

肝脏是调节全身胰岛素敏感性的主要代谢器官[8]。然而，由于细胞成分和空间结构的复杂性，研究肝脏调节胰岛素敏感性的精确机制具有挑战性。除了肝细胞（占70-80%）外，肝脏还包含20-30%的非实质细胞，如库普弗细胞（Kupffer cells, KCs）、肝星状细胞（HSCs）和内皮细胞（LSECs）[9],[10],[11]。此外，肝脏在解剖学上分为肝小叶，这些肝小叶由围绕中央静脉呈辐射状排列的肝细胞组成[12]。根据与中央静脉和门静脉三角区的距离，肝小叶可分为三个区域：靠近门静脉三角区的zone 1主要负责糖异生和营养代谢；靠近中央静脉的zone 3则专门负责药物代谢、脂肪酸氧化和胆汁分泌；位于zone 1和zone 3之间的zone 2的肝细胞具有混合代谢功能。这种分区有助于在整个肝脏中高效协调代谢过程，从而使肝脏能够最佳适应不同的营养和氧气梯度。

衰老过程中，肝脏会发生一系列退行性变化，包括代谢功能障碍、氧化还原失衡以及慢性或恶性肝病的发展[13],[14]，这些都与肝脏和全身的胰岛素抵抗密切相关。肝胰岛素受体1和2底物与zone选择性胰岛素抵抗有关[15]。然而，肝脏的细胞成分和空间结构（即分区及其与非实质细胞的相互作用）如何调节衰老相关的胰岛素抵抗仍不清楚。

单细胞RNA-seq（scRNA-seq）[9],[16]和单细胞ATAC-seq（scATAC-seq）[17]分析技术的进步为基于基因表达和表观遗传调控研究细胞组成提供了机会。此外，空间转录组学（ST）提供了一种能够在单细胞分辨率下绘制空间结构的独特工具[16],[18],[19]。最近，我们开发了CellChat[20]算法，利用scRNA-seq数据研究细胞间的配体-受体相互作用（即细胞通信）。在这里，我们使用scRNA-seq、scATAC-seq和空间转录组学技术全面分析了年轻且对胰岛素敏感的小鼠、老年且对胰岛素敏感的小鼠以及老年且对胰岛素抵抗的小鼠的肝细胞组成和分区情况。衰老过程中的胰岛素抵抗与zone 3肝细胞收缩和zone 2肝细胞扩张有关。细胞间通信和空间邻近性分析表明，HSCs向zone 3肝细胞的肝细胞生长因子（HGF）信号传导减弱以及信号传导距离增加可能是导致zone 3肝细胞收缩的原因。用HGF治疗老年且对胰岛素抵抗的小鼠可逆转zone 3肝细胞数量的减少并改善胰岛素敏感性。我们的单细胞分析揭示了肝脏分区变化和细胞间通信改变作为衰老相关胰岛素抵抗的新机制。

章节摘录

样本制备

根据标准方案[21],[22]从129S1/SvlmJ雄性小鼠中分离出原代肝细胞。分析了六组样本，每组包含三种不同的状态：1）年轻的且对胰岛素敏感（YS，3个月大）；2）年老且胰岛素抵抗轻微（OS，20个月大）；3）年老且胰岛素抵抗严重（OR，20个月大），每种状态各有两个生物学重复样本。每只小鼠的胰岛素敏感性通过胰岛素耐量测试[21]来确定（图1a-b）。记录了体重等信息...

衰老和胰岛素抵抗状态下肝脏的单细胞表达分析

为了研究老年小鼠的胰岛素抵抗情况，我们对20个月大和3个月大的雄性小鼠进行了胰岛素耐量测试（ITT）。老年小鼠的胰岛素抵抗程度高于年轻对照组（即年轻的且对胰岛素敏感的小鼠，简称YS）（图1a，补充图1a）。由于老年小鼠之间的胰岛素抵抗程度不同，根据ITT测试60分钟时的血糖水平，将它们进一步分为胰岛素抵抗严重的老年小鼠（OR）和胰岛素抵抗轻微的老年小鼠（OS），其中OS定义为血糖水平≤50%，OR定义为血糖水平>50%（图1b）。

讨论

肝脏在代谢和全身胰岛素敏感性中起着核心作用，而胰岛素抵抗是2型糖尿病和与年龄相关的代谢性疾病的主要风险因素。然而，由于肝脏复杂的细胞组成、分区以及细胞间的相互作用，全面理解肝脏在衰老过程中如何驱动胰岛素抵抗仍具有挑战性。尽管先前的研究已经报道了不同区域的胰岛素信号传导差异[15]或衰老相关的区域分区破坏[52]...

作者贡献声明

魏赵：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始稿、数据可视化、验证、软件使用、实验设计、数据分析、数据整理。焦新峰：实验设计。杜康：实验设计。孙秋实：实验设计、数据整理。段俊艳：实验设计。曹阳：实验设计。沈熙宇：实验设计。扎伊德·赛义德：实验设计。萨蒂亚·S·卡里：实验设计。彼得·埃尔斯沃思：实验设计。胡文静：实验设计。阿肖特·萨尔吉扬：实验设计。英娜·阿斯塔波娃：实验设计。

资金来源

本研究得到了UCI糖尿病中心的试点资助，以及NIH（R01DK121146、R01DK136940）对Q.Y.的资助；NSF（DMS1763272）的资助；NIH（AR056439）对B.A.的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

我们感谢Wendy Mars在讨论中提供的帮助。