脂肪组织驻留型c-kit +祖细胞向棕色脂肪细胞的定向分化，有助于脂肪组织稳态维持与重塑
近期，浙江大学医学院附属第二医院生殖医学科在杂志: NC(IF15.7)发表文章题目：Commitment of adipose-resident c-kit+ progenitors to brown adipocytes contributes to adipose tissue homeostasis and remodeling。
本研究结合遗传谱系追踪（通过基因标记追踪细胞分化谱系的技术）和单核RNA 测序（分析单个细胞核基因表达特征的技术）发现，成年小鼠脂肪组织驻留的 c-kit + 细胞是此前未被识别的棕色脂肪祖细胞（APCs）。无论是在脂肪组织稳态维持过程中，还是在冷暴露、高脂饮食（HFD）及衰老诱导的脂肪重塑过程中，c-kit +棕色脂肪祖细胞均会分化为棕色脂肪细胞，而不会分化为白色脂肪细胞。更重要的是，在两种性别的 c-kit 基因突变小鼠中，均观察到棕色脂肪组织减少、产热能力受损以及脂肪过度堆积的现象，这一结果进一步证实了 c-kit +棕色脂肪祖细胞在棕色脂肪细胞生成过程中的关键作用。综上所述，本研究表明，成年小鼠脂肪组织中的 c-kit + 棕色脂肪祖细胞可分化为棕色脂肪细胞，而这些棕色脂肪细胞在脂肪组织稳态维持与重塑中发挥核心作用。因此，c-kit +祖细胞或可成为治疗肥胖及代谢疾病的新型关键靶点。背景脂肪组织可调节全身能量消耗与代谢，在肥胖发生中起主导作用。脂肪组织主要分为三类，即白色脂肪组织（WAT）、棕色脂肪组织（BAT）和米色脂肪组织，三者具有不同的功能特性 。
近年来，由于棕色脂肪细胞具有全身能量消耗功能，且与代谢健康及疾病状态密切相关，关于棕色脂肪细胞的研究重新受到重视。在成年人体内，存在大量棕色脂肪组织沉积，这些沉积与瘦体型及代谢健康表型相关。人类脂肪量与肥胖相关（FTO）基因变异体可抑制脂肪细胞产热，该变异体与肥胖存在强关联 。源自人类毛细血管网络的产热脂肪细胞可影响全身葡萄糖耐量，并改善代谢稳态 。鉴于越来越多的证据表明棕色脂肪在人体代谢中发挥关键生理作用，增加人体内棕色脂肪的数量和 / 或活性，或许是应对肥胖及其他代谢疾病的一种潜在治疗策略。人类脂肪细胞的数量在儿童时期即已确定，成年后基本保持稳定。然而，研究发现所有年龄段的成年人都存在显著的脂肪细胞更新（年更新率约 10%），这一现象表明成年期持续的脂肪生成以替换凋亡脂肪细胞 。因此，理解成年期产热脂肪生成机制具有重要意义。
研究表明，胎儿期和出生后早期脂肪库的初始发育依赖于特定前体细胞，这类前体细胞与成年期维持脂肪组织稳态及参与组织重塑的前体细胞存在差异 。近年来，细胞命运图谱研究助力深入理解发育过程中脂肪组织的起源 。然而，目前对成年期棕色脂肪组织扩增的机制仍知之甚少。学界普遍认为，成年期脂肪组织驻留的前体细胞或前脂肪细胞可分化为棕色脂肪细胞，但近期研究提示脂肪细胞的起源和身份识别具有复杂性 。最新的诱导性遗传谱系追踪技术和单细胞测序实验，为揭示成年期棕色脂肪细胞的起源及细胞命运提供了新线索。阐明成年期脂肪细胞的更新机制及其在成年阶段的应答方式，对于调控脂肪细胞的扩增（促进或抑制）至关重要。c-kit是一种公认的干细胞和祖细胞标志物。但目前对脂肪组织驻留型c-kit +细胞的生物学特征，以及这类细胞是否属于脂肪祖细胞（APCs），仍不明确。有趣的是，一项回顾性分析发现，慢性髓系白血病患者接受伊马替尼治疗后体重显著增加——伊马替尼是一种可抑制 c-kit 功能的药物 。这一现象提示 c-kit 信号通路或 c-kit +细胞与体脂之间可能存在关联，值得进一步研究。本研究探讨了脂肪组织驻留型 c-kit + 细胞在成年期病理生理状态下脂肪生成过程中的作用。我们将 Kit-CreER 小鼠品系与Rosa26-RFP报告基因小鼠品系杂交，构建出 Kit-CreER;Rosa26-RFP双转基因小鼠，用于对 c-kit + 细胞及其子代进行诱导性、不可逆标记 。借助 Kit-CreER;Rosa26-RFP 小鼠模型和单核RNA测序（snRNA-seq）技术，我们发现：在脂肪组织稳态维持及重塑过程中，脂肪组织驻留型c-kit +细胞属于产热型脂肪祖细胞，可分化为棕色脂肪细胞，但不能分化为白色脂肪细胞。此外，抑制 c-kit 功能会减少棕色脂肪生成，并促进肥胖发生。因此，调控c-kit +脂肪祖细胞或可成为治疗肥胖及代谢疾病的创新性关键策略。
本研究结合遗传谱系追踪与单核 RNA测序技术，首次揭示成年小鼠脂肪组织驻留的 c-kit + 细胞是此前未被识别的棕色脂肪祖细胞。在成年小鼠脂肪细胞更新与稳态维持过程中，内源性c-kit +脂肪祖细胞（APCs）及其子代可分化为棕色脂肪细胞，而无法分化为白色脂肪细胞。冷暴露可促进 c-kit +脂肪祖细胞向棕色脂肪细胞分化，而营养过剩则会抑制这一过程。此外，衰老过程中 c-kit +脂肪祖细胞向棕色脂肪细胞的分化能力更易受损，这可能是导致年龄相关性肥胖的部分原因。在 c-kit 基因突变小鼠中，棕色脂肪组织减少且脂肪过度堆积，这一现象进一步证实了c-kit +脂肪祖细胞在产热脂肪细胞生成过程中的关键作用。因此，脂肪组织驻留的c-kit +脂肪祖细胞是成年小鼠产热脂肪生成与脂肪组织重塑过程中不可或缺的调控因子，有望成为治疗肥胖及代谢疾病的创新性关键靶点。产热脂肪细胞的起源问题目前仍存在争议。以往研究已证实 Myf5+Pax3+En1 +细胞是胎儿期棕色脂肪的前体细胞 ，但针对成年期棕色脂肪与米色脂肪生成机制的研究仍较为有限。关于脂肪库生长的研究一致表明，新脂肪生成（de novo adipogenesis）通常发生在血管附近，但这些前体细胞的确切性质与身份仍不明确 。在新棕色脂肪生成方面，遗传谱系追踪模型显示，冷暴露可诱导 PDGFRα+ 祖细胞增殖并分化为棕色脂肪细胞。近期对小鼠棕色脂肪组织（BAT）基质血管细胞的单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）结合谱系轨迹分析发现，冷暴露可促进 Trpv1 + 细胞增殖并分化为棕色脂肪细胞 。脂肪命运图谱分析表明，成年期米色脂肪生成既涉及祖细胞从头分化为米色脂肪细胞，也包括白色脂肪细胞产热活性的恢复 。Oguri 等人 通过单细胞 RNA 测序鉴定出一类独特的脂肪祖细胞亚群，该亚群以 PDGFRα、Sca-1 和 CD81 为标志物，可分化为米色脂肪细胞。本研究则发现了一种新型棕色脂肪祖细胞，其与 PDGFRα+ 和 Trpv1 + 脂肪祖细胞存在显著差异。值得注意的是，在病理生理条件下，PDGFRα+ 脂肪祖细胞与 Trpv1 + 脂肪祖细胞均可分化为白色脂肪细胞 ；而在生理更新或高脂饮食诱导的白色脂肪生成过程中，几乎未发现 c-kit 谱系来源的白色脂肪细胞。这一结果表明，与其他已知脂肪祖细胞相比，c-kit + 脂肪祖细胞是促进产热脂肪生成的更优且更特化的靶点。更重要的是，研究观察到成年中期小鼠体内高达 50% 的 UCP1 + 产热细胞源自 c-kit + 脂肪祖细胞，这一数据充分证明了 c-kit + 脂肪祖细胞在产热脂肪生成过程中的核心作用。脂肪组织会响应多种生理或营养信号发生动态重塑：长期冷暴露可促进脂肪祖细胞从头分化为棕色脂肪细胞，而营养过剩则会抑制这一过程。与预期一致，和此前发现的脂肪祖细胞类似，c-kit + 脂肪祖细胞在冷刺激条件下也会被激活并分化为棕色脂肪细胞。有趣的是，c-kit 谱系来源的产热脂肪细胞数量在小鼠幼年时期呈上升趋势，但在老年小鼠中显著减少。以往研究发现，衰老导致的棕色脂肪祖细胞功能受损会造成棕色脂肪细胞再生能力下降，进而促进随年龄增长出现的肥胖及其他代谢紊乱 ；另有多项研究表明，衰老对棕色脂肪生成具有负面影响 ；近期一项单细胞 RNA 测序分析也发现，某一脂肪生成祖细胞亚群的增殖能力随衰老而下降。本研究数据表明，c-kit + 脂肪祖细胞对衰老更为敏感，相较于其他脂肪祖细胞更易受损。c-kit + 脂肪祖细胞功能受损至少在一定程度上导致了衰老相关的产热脂肪生成减少，但目前尚不清楚这种损伤是由其自我增殖能力下降还是从头分化速度减慢引起，且 c-kit + 脂肪祖细胞在衰老过程中的具体调控机制仍需进一步研究。
近期，Lee等报道称棕色脂肪细胞（BAs）可表达c-kit，且在棕色脂肪组织去神经支配或处于热中性环境后的第一周，c-kit+棕色脂肪细胞数量会短暂增加，但冷暴露等产热激活条件并不会诱导该现象发生。Lee等人与本研究均使用Kit-CreER;Rosa26-RFP小鼠，但他莫昔芬（Tam）诱导策略存在本质差异：本研究通过四次他莫昔芬给药标记生理状态下所有 c-kit + 细胞，并设置2周的药物清除期以确保他莫昔芬完全代谢，避免标记新获得 c-kit 表达的细胞，随后再追踪c-kit +细胞的分裂与转化过程；而 Lee 等人则在刺激处理（去神经支配或热中性环境）的同时进行他莫昔芬诱导，导致在刺激期间 c-kit 表达上调的细胞也被标记。两种不同的实验策略决定了研究聚焦的 c-kit 及 c-kit + 细胞生物学功能的差异：Lee 等人的研究阐明了 c-kit 信号在棕色脂肪细胞中的作用，而本研究则为 c-kit + 脂肪祖细胞的细胞命运提供了证据支持。在本研究的 Kit-CreER;Rosa26-RFP 小鼠追踪模型中，他莫昔芬诱导后，红色荧光蛋白（RFP）可能不仅标记 c-kit + 脂肪祖细胞，还标记了预先存在的成熟棕色脂肪细胞。然而，在适应室温环境一年或冷暴露一个月的棕色脂肪组织中，RFP+脂肪细胞的大量扩增不可能源自成熟棕色脂肪细胞——因为成熟棕色脂肪细胞几乎不具备分裂增殖能力。此外，对去除脂肪细胞后的基质血管成分（SVF）进行体外培养的实验结果也证实，c-kit + 脂肪祖细胞具有分化为棕色脂肪细胞的潜能。
综上，c-kit + 脂肪祖细胞的存在以及 c-kit 信号在成熟棕色脂肪细胞脂肪生成中的作用，共同表明 c-kit 在棕色脂肪组织稳态维持与重塑过程中发挥着广泛且关键的作用。值得注意的是，尽管目前在小鼠模型中尚未发现成熟脂肪细胞增殖的直接证据，但针对人类的多项新兴研究意外发现，终末分化的脂肪细胞能够重新进入细胞周期，且这一过程与核内复制（endoreplication）相关，同时在肥胖与高胰岛素血症状态下还与脂肪细胞肥大相关。尽管该研究为脂肪细胞重新进入细胞周期提供了充分证据，但目前仍缺乏能证明成熟脂肪细胞可增殖和分裂的全面证据。不过，已观察到的细胞周期进程确实表明，理论上成熟脂肪细胞在特定条件下可能保留增殖和分裂的潜能。因此，尽管我们的数据强烈提示，红色荧光蛋白（RFP）标记的棕色脂肪细胞源自 c-kit + 祖细胞的分化，但我们仍无法完全排除本研究中观察到的最终 RFP 标记棕色脂肪细胞群，可能有预先存在的 RFP 标记脂肪细胞参与的可能性。采用双重组酶（如Cre-loxp和Dre-rox）的双标记谱系追踪技术，可在特定时间点对不同细胞群进行不可逆标记。这种技术能提供时空分辨率和高特异性，还且兼容多色报告基因。因此，这种双标记策略可用于未来的研究，为明确标记的棕色脂肪细胞起源于c-kit +祖细胞、预先存在的脂肪细胞，还是两者共同起源提供确凿证据。本研究数据显示，c-kit 缺失会导致全身脂肪堆积、产热脂肪减少及脂肪组织产热功能下降，进而引发肥胖。此前已有研究报道 c-kit与肥胖存在关联：一项针对 50 例新诊断慢性髓系白血病患者的回顾性研究发现，超过75%的患者在接受伊马替尼治疗后体重显著增加—— 伊马替尼作为一种激酶抑制剂，可抑制 c-kit 功能 。这一现象提示 c-kit 与人类肥胖相关，但具体机制尚不明确。Gao 等人的研究证实，干细胞因子（SCF）/c-kit 信号通路可促进线粒体生成与能量消耗 ；此外，全身性激活 SCF/c-kit 通路或在棕色脂肪中特异性激活该通路，均能增强产热功能并降低体重 。除 SCF/c-kit 信号通路外，本研究结果还表明，在 c-kit 受抑制的动物和人类中，c-kit +脂肪祖细胞（APCs）衍生的棕色脂肪生成受损，可能也是导致肥胖的原因之一。这些临床发现提示，c-kit +脂肪祖细胞是具有转化意义的潜在靶点，有望用于肥胖治疗。
综上所述，本研究发现脂肪组织驻留的c-kit +细胞是此前未被识别的脂肪祖细胞。c-kit+脂肪祖细胞可分化为前脂肪细胞、产热底物代谢能力增强的早期棕色脂肪细胞，并最终分化为特化的产热型棕色脂肪细胞。c-kit +脂肪祖细胞向棕色脂肪细胞的转化参与病理生理性脂肪组织稳态维持与重塑过程。抑制 c-kit 会减少棕色脂肪生成并降低产热功能，最终导致肥胖。本研究为c-kit + 祖细胞成为肥胖及代谢疾病的创新性关键靶点提供了证据支持。棕色脂肪组织（BAT）在能量消耗与代谢健康调控中具有重要作用，这使其成为肥胖及相关代谢疾病的潜在治疗靶点。
本研究证实，脂肪组织驻留的c-kit +祖细胞是新发现的脂肪祖细胞，且负责成年期棕色脂肪生成，为增加产热脂肪组织数量、调控代谢状态提供了新的可行途径。