撰文 | 陈瑶瑶 王蕊 夏志蕊 王颖雯 朱丽君 刘爽 曹玉香
编辑 | 孟美瑶
校对 | 朱丽君
背景介绍
高血压是造成冠心病和中风的主要危险因素之一，即使是轻度、慢性的血压升高也可能导致终末器官损害且和死亡率增加相关。脂肪组织和血管的相互作用是血压调节的重要因素之一，过多或过少的脂肪组织均会导致不良的表型，并且特定类型的脂肪组织超过其总量是血压调节的一个关键因素。过量的白色脂肪(尤其是内脏脂肪)与血压升高相关，而棕色脂肪即使是在肥胖患者中也通常与高血压患病率降低相关。
棕色脂肪组织(BAT)以解偶联呼吸产热(产热作用)而闻名，且被作为一种内分泌器官而日益受到关注。产热型棕色脂肪分为两类：一种是发育过程中形成的经典棕色脂肪，另一种是可诱导的米色脂肪。转录组学分析显示，成年人的可诱导产热脂肪与小鼠米色脂肪更为相似，这使其成为解析脂肪-血管交叉对话的重要模型。在小鼠中，米色脂肪细胞的生成与功能依赖于转录共调节蛋白PR结构域蛋白16(PRDM16)。脂肪细胞特异性敲除Prdm16(PRDM16cKO)会导致米色脂肪特性丧失，这为研究该组织对血管功能的影响提供了遗传学工具。
人类和小鼠均存在多种产热脂肪库，包括胸主动脉和颈动脉鞘内的血管周围脂肪组织(PVAT)。在肥胖或衰老过程中，PVAT发生重塑，而遗传敲除则会加速炎症与高血压的发生，表明健康的PVAT具有心脏保护作用。然而，米色脂肪细胞对血管保护功能的贡献尚未被探究。近期一篇发表在Science上的文章“Ablation of Prdm16 and beige fat identity causes vascular remodeling and elevated blood pressure”利用PRDM16cKO小鼠敲除米色脂肪细胞特性，探究了产热脂肪组织、血管重塑与血压调节的关系，揭示了人类产热脂肪心血管益处的脂肪细胞-血管交叉对话机制。
研究结果
1：PRDM16依赖性脂肪细胞重塑调控血管功能
主动脉PVAT由不同类型的脂肪细胞组成，胸主动脉PVAT(tPVAT)主要包含多房脂滴的棕色或米色脂肪细胞(图1A)，腹主动脉PVAT(aPVAT)则富含单房脂滴的白色脂肪细胞，以及少量多房脂滴的脂肪细胞(图S1A，黑色箭头)。除了之前报道的皮下脂肪变化外（小编注：此处的结果来源于一篇2014年发表于Cell的文章“Ablation of PRDM16 and beige adipose causes metabolic dysfunction and a subcutaneous to visceral fat switch”，该文章发现脂肪特异性敲除PRDM16对经典棕色脂肪组织的影响很小，但是在冷暴露刺激或β3受体激动剂处理后会显著抑制皮下脂肪中的米色脂肪细胞的功能），研究人员还发现脂肪细胞特异性敲除Prdm16会导致PVAT发生显著重塑(图1B和图S1B，红色箭头)。随着多房脂滴的消失，PRDM16Cko小鼠的PVAT中产热脂肪细胞标志物解偶联蛋白1(UCP1)表达下调(图1C、D和图S1C、D)（小编注：S1C\D是按照免疫荧光染色的步骤进行的，但最终结果呈现使用3D成像进行扫描，即样本被放置在DBE溶液（即二苄醚溶液，是一种常用的有机试剂，主要用于组织透明化处理，以实现高质量的3D成像）中，从侧面选择488、561或640nm的激光通道进行照射），但冷刺激诱导的UCP1表达不受影响(图1E、F)。RNA测序(RNA-seq)分析显示，在PRDM16cKO小鼠中，产热特征基因(Ucp1、Prdm16、细胞色素c氧化酶亚基8B(Cox8b))广泛下调(图1G和图S1E-J)（小编注：Z-score主要用于衡量某个基因在特定样本中的表达值相对于该基因在所有样本中表达值的偏离程度，以标准差为单位。对于每个基因而言，首先需要计算该基因在所有样本中的表达值的均值（μ）和标准差（σ），然后，对于每个样本中的该基因表达值（x），Z-score=（x-μ）/σ，它关注的是基因表达值在整体样本分布中的相对位置和离散程度。Fold change主要用于衡量两个样本组（如实验组和对照组）之间基因表达量的倍数变化，反映基因表达的相对上调或下调幅度。它更侧重于比较不同组之间的基因表达差异，常用于差异表达分析。在计算Fold change之前，通常需要对样本进行归一化处理，Fold change=实验组基因表达平均值/对照组基因表达平均值），白色脂肪细胞特性标志物(醛脱氢酶3家族成员B2(Aldh3b2)、受体辅助蛋白6(Reep6)、血管紧张素原(Agt))表达增加（小编注：Aldh3b2属于醛脱氢酶家族，定位于脂滴，主要参与催化中长链脂肪醛、脂质过氧化醛类氧化为羧酸，清除脂毒性醛、抗氧化应激、保护脂滴与脂肪细胞。Reep6主要定位于内质网，对于脂肪细胞接收和传导β-肾上腺素能信号至关重要。它确保信号通路中的关键分子（如腺苷酸环化酶3）正确定位到细胞膜上，它在脂肪细胞中高度富集，且其表达在脂肪细胞分化及受寒冷等刺激时特异性上调。Agt作为肾素-血管紧张素系统（RAS）的唯一前体，由脂肪细胞分泌后，可被切割生成血管紧张素II。它在局部作用于脂肪细胞，参与调控脂肪组织的生长、分化、脂质代谢和炎症反应。推测作者在此处选取这三种基因作为白色脂肪特异性标志物的原因是它们的表达具有高度的白色脂肪细胞特异性，并且在白色脂肪的关键生理过程中起着重要的作用）(图1G和图S1H-J)，这一结果在蛋白水平得到进一步验证(图1H-N和图S1K)，同时通路分析也为上述结果提供了进一步的支持(图S1H、J)，表明PVAT发生PRDM16依赖性重塑，且该过程与体重无关(图S1L)。然而，PRDM16cKO小鼠tPVAT中Agt的增加尤为值得关注，因为Agt是强效血管收缩剂血管紧张素II(ANGII)的前体，且可被PRDM16直接转录抑制。脂肪细胞局部产生的Agt信号可升高循环Agt水平，但研究人员未发现PRDM16cKO小鼠的循环Agt(图S1M)或ANGII(图S1N)水平升高。
为明确局部PRDM16依赖性脂肪细胞重塑是否影响血管反应性，研究人员对去除PVAT的肠系膜动脉（小编注：肠系膜动脉是腹主动脉的分支，主要为肠道提供血液供应，保障肠道的消化、吸收和蠕动）进行压力肌描记检测(图S2A)（小编注：压力肌动描记术是一种离体的血管功能研究技术，通过在体外模拟血管在体内的血压环境，并于显微镜下实时观察并记录血管外径变化，从而评估血管的主动收缩和被动舒张特性）。结果显示，与对照组相比，PRDM16cKO小鼠的ANGII介导的血管收缩显著增强(图2A)；相比之下，去氧肾上腺素(PE)介导的收缩(图2B)、肌源性张力(图S2B-D)以及内皮依赖性乙酰胆碱(Ach)介导的舒张(图2C)均未受影响，这与血管平滑肌细胞(VSMC)反应性发生ANGII特异性重塑的结论一致。Prdm16的敲除具有脂肪组织特异性(图2D、E)，且在无PVAT、肠系膜动脉血管紧张素受体表达无变化的情况下，仍可检测到PRDM16cKO小鼠的ANGII依赖性反应性增强(图2F)，这表明脂肪细胞-VSMC交叉对话可通过调控ANGII反应，使血管发生持续性改变。
2. 脂肪细胞Prdm16 缺失导致肠系膜脂肪细胞重塑
肠系膜动脉是参与血压调节的关键阻力动脉，常被用于评估血管反应性。然而，研究人员对肠系膜PVAT(mPVAT)的细胞和分子特征了解有限。为探究PRDM16依赖性mPVAT重塑及其对动脉收缩的影响，研究人员对PRDM16cKO和对照小鼠进行单细胞核RNA测序(snRNA-seq)(图2G)，在去除双峰和背景RNA后，研究人员共分析了13164个细胞核，并通过聚类和标志物基因分析鉴定出了15种细胞类型，包括免疫细胞(巨噬细胞、树突状细胞、单核细胞、T细胞和B细胞)、血管细胞(血管和淋巴管内皮细胞、周细胞、VSMC)、祖细胞(脂肪干细胞和祖细胞、间皮细胞)以及一个大的成熟脂肪细胞簇(图2H、I)。此前已有诸多研究强调了免疫细胞对血压调节的作用，但通过snRNA-seq(图2H、I)或流式细胞术却并未检测到肠系膜(图S3A-C)或主动脉PVAT(图S3D-E)中免疫细胞组成存在基因型依赖性变化。
为了鉴定mPVAT中影响脂肪细胞-VSMC交叉对话的PRDM16依赖性变化，研究人员对成熟脂肪细胞进行亚聚类分析，发现PRDM16cKO小鼠中检测到的7个脂肪细胞簇中有4个发生显著改变(图2J-M)。除了具有成脂特性的脂肪细胞(Ad5和Ad6中的Fasn、Elovl6、Acly、Acss2)增加外，Prdm16敲除还导致与脂解(Ad0和Ad1中的Lipe、Mgll、Tshr)、氧化应激保护(Ad0和Ad1中Csad、Bcl6、Cat、Msrb3)及有益脂肪因子谱(Ad0和Ad1中AdipoQ、Cfd)相关的脂肪细胞减少约50%(图2J-M和图S3F)。此外，Prdm16缺失影响了脂肪组织纤维化相关基因的表达，包括抗纤维化基因Gtf2ird1(PRDM16的直接互作蛋白)表达降低，Yap(与脂肪组织纤维化和血管僵硬相关，是高血压的已知危险因素)表达增加(图2L、M和图S3F)。在VSMC簇中，差异基因表达分析显示PRDM16cKO小鼠中与ANGII信号或促纤维化特征相关的基因同样上调，而抗纤维化基因下调(图2N)。这些发现促使研究人员探究PRDM16依赖性脂肪细胞重塑对脂肪组织和血管纤维化的影响。
3. 米色脂肪细胞特性丧失导致血管重塑和血压升高
天狼星红染色(图3A、B)和COL1α1免疫荧光染色(图3C)表明PRDM16cKO小鼠的肠系膜动脉纤维化增加。同样，主动脉(图3D)、tPVAT RNA(图S3G)和蛋白分析(图3E、F)证实PRDM16cKO小鼠的血管发生纤维化重塑。与压力肌动图结果一致，这些数据表明脂肪细胞-VSMC串扰介导了PRDM16cKO小鼠的血管重塑。研究人员对snRNA-seq数据进行CellChat分析(小编注：CellChat是一种计算工具，能够从单细胞转录组中系统推断、定量分析和直观可视化细胞间网络通信，它通过整合已知的配体-受体互作数据库，系统识别细胞群体之间潜在的信号传递路径，并量化通讯强度和模式。2025年发布在nature protocols上的文章(DOI: 10.1038/s41596-024-01045-4)对这一开发工具进行了具体说明。)，检测到强烈的脂肪细胞-VSMC互作信号(图S4A-C)。Prdm16缺失导致与细胞间通讯相关的基因簇发生改变(图S4A)，PRDM16cKO小鼠中相互作用复杂性降低，表现为相互作用数量、强度(图S4B)以及通讯数量和权重均下降(图S4C)。为进行详细的配体-受体分析，研究人员使用NicheNet(小编注：NicheNet是一种基于单细胞转录组数据预测通过结合细胞表达数据与先前对信号传导、配体-受体互作和基因调控网络的知识，预测细胞间配体-受体如何具体调控互作细胞中基因表达变化的方法。2020年发布在nature protocols上的文章(DOI： 10.1038/s41592-019-0667-5)对这一开发工具进行了具体说明)(图S4D-G)，发现PRDM16cKO小鼠中多个先前已知与纤维化、ANGII信号及细胞外基质(ECM)成分(Angpt2、Sdc4、Col24a1、Col7a1、Lama1、Lama4)相关的潜在配体表达增加(图S4D-F)，在VSMC-周细胞簇中检测的相关受体表达证实了潜在的细胞间通讯(图S4G)。
为明确这些变化是否影响循环血压，研究人员在PRDM16cKO和对照小鼠中植入无线电遥控监测装置，并记录小鼠在自由活动状态下为期3周的血压(图3G-I)。结果显示PRDM16cKO小鼠在光照期和活跃的黑暗期均表现出收缩压(图3G)、舒张压(图3H)和平均动脉压(图3I)的升高。这该结果突显了PRDM16依赖性脂肪细胞重塑在血压调节中的作用，且该作用独立于体重变化(图3J)。
PRDM16cKO小鼠肠系膜动脉中肌球蛋白轻链磷酸化增加(动脉收缩的替代标志物)，进一步支持了上述发现(图S5A、B)。尽管PRDM16cKO小鼠的心率略有升高(图S5C)，但超声心动图未显示其心功能改变(图S5D、E)，组织学检测也未发现心脏纤维化(图S5F、G)。同样，研究人员未观察到明显的肾脏病理变化(图S5H、I)。将血压读数进行心率校正后，证实PRDM16cKO小鼠的血压升高是持续并且独立于心率变化的(表S1)。VSMC特异性Prdm16缺失会导致血压出现昼夜节律性调节，但在PRDM16cKO小鼠中未观察到这一昼夜节律性规律，这可能是由于Prdm16在tPVAT(图S6A)和胸主动脉(tAorta)(图S6B)中存在组织特异性调节差异，或受到不同细胞类型中PRDM16特异性互作蛋白的影响。皮下脂肪组织(SQ)无昼夜变化(图S6C)，且PRDM16cKO小鼠中Prdm16的缺失不受昼夜节律影响，也不影响VSMC(图S6A-C)。
与缺乏棕色脂肪对照组相比，拥有可检测到的棕色脂肪的人群患高血压的风险降低。一项荟萃分析发现，PRDM16基因第9个外显子的编码变异(rs2493292)，即PRDM16cKO小鼠中被敲除的同一外显子，与人类高血压相关。研究人员在英国生物样本库(UKBB，包含180,500例个体)中证实，PRDM16的rs2493292-T突变与收缩压和舒张压升高相关，并在西奈山百万健康发现计划中欧洲裔人群(MSM-EUR，包含21,680例个体)中进一步验证(图3K)。MSM-EUR分析还显示该变异与胸主动脉瘤风险增加相关(图S6D)。此外，研究人员在MSM-EUR中鉴定出rs371654192-C突变与收缩压升高和病态肥胖相关(图S6D)，这与PRDM16cKO小鼠的研究结果高度一致(图3G-I)。同时，UKBB数据显示rs200947814-A和rs575376153-G变异分别与原发性和继发性高血压风险增加相关(图3K)。对MSM中非洲裔人群(MSM-AFR，19,856例)的分析显示，PRDM16突变与肺动脉高压(rs199998420-A和rs114204766-A)及收缩舒张性心力衰竭(rs201807364-C)呈正相关(S6E)。
作为慢性血压升高诱导的终末器官损伤的直接临床指标，研究人员回顾了人类棕色脂肪队列中可用的超声心动图数据。在653例有棕色脂肪(BAT+)的患者和1095例无棕色脂肪(BAT−)的患者中（小编注：根据该研究补充材料中的说明，该人类队列来源于2009年6月至2018年3月期间建立的心血管代谢相关疾病（包括T2DM、血脂异常、高血压、冠状动脉粥样硬化性心脏病、充血性心衰竭和心血管疾病）患者队列（doi: 10.1038/s41591-020-1126-7.））(图3L)，BAT−患者的左心室(LV)质量指数(LV质量/体表面积)(图3M)、LV后壁厚度(图3N)和左心房(LA)容积指数(LA容积/体表面积)(图3O)均升高。结合PRDM16cKO小鼠血压升高的结果，这些数据凸显了产热脂肪细胞与血管之间在调控人类和小鼠血压中具有重要生理意义的交叉对话。
4. 脂肪细胞来源的分泌因子足以调控血管重塑
为探究Prdm16缺失的脂肪细胞如何诱导血管重塑，以及该过程是否通过可溶性介质介导，研究人员建立了从原代脂肪细胞向原代主动脉VSMCs的条件培养基转移体系(图4A)。研究人员收集体外分化的flox对照和PRDM16cKO脂肪细胞的培养基(图4B)。用培养PRDM16cKO脂肪细胞的条件培养基处理野生型原代主动脉VSMCs来诱导VSMCs中ECM基因表达(图4C)。将已发表的脂肪细胞来源蛋白质数据集与PRDM16cKO PVAT RNA-seq中的差异表达基因(DEGs)进行比对(图1G和图S1E-J)，鉴定出17个在三个数据集中均存在的基因(图4D)。对具有阳性信号肽的基因进行分析后，将该列表缩减为12个受PRDM16调控且预测可从脂肪细胞分泌的基因(图4D)。正如RNA-seq预期结果所示，AGT是受PRDM16调控的分泌因子之一(图4D)。除已知具有代谢作用的基因，如Retn、Cfd外(图4D)，研究人员还鉴定出静止蛋白巯基氧化酶1(QSOX1)是脂肪细胞来源、受PRDM16调控的分泌酶(图4和图S7A-C)。对已发表的PRDM16染色质免疫共沉淀测序(ChIP-seq)数据的分析显示，PRDM16结合于Qsox1转录起始位点附近及内含子区域，PRDM16cKO小鼠中Qsox1第二内含子的H3K4me1显著增加，H3K4me2略有增加(图S7A)。H3K4me1的显著增加表明存在一个内含子增强子被PRDM16抑制，该抑制作用可能在PRDM16cKO脂肪细胞中被解除(图S7A)。与这些表观遗传数据一致，PRDM16cKO小鼠不同脂肪组织库中Qsox1的表达显著上调，并且主要在产热脂肪组织中表达(图S7B)。同样，肥胖中产热脂肪细胞功能丧失也导致Qsox1表达增加(图S7C)。
在雌性小鼠中，tPVAT中Prdm16的表达低于雄性对照小鼠(图S7D)，导致PRDM16cKO雌性小鼠中Agt和Qsox1的诱导作用较PRDM16cKO雄性小鼠减弱(图S7E、F)；相反，在对照组和PRDM16cKO小鼠中，雌性小鼠中Ucp1表达均高于雄性小鼠(图S7G)。与研究人员的模型一致，雌性小鼠中Agt和Qsox1诱导作用的缺乏以及产热作用增强，导致PRDM16cKO雌性小鼠的血管重塑减弱(图S7H)。
拓展阅读：内含子增强子与表观遗传修饰
内含子增强子（Intronic Enhancer）是一种位于基因内含子区域的顺式调控元件，它的主要功能是结合特定的转录因子，以增强目标基因的转录活性。它同样能够招募激活蛋白和共激活因子，促进RNA聚合酶的活性或稳定转录复合物，从而显著提高目标基因的转录水平。在内含子增强子发挥作用时，内含子增强子所在区域形成一个开放的、能与蛋白质结合的染色质区域。内含子增强子会进一步发生组蛋白修饰，其中H3K4me1和H3K4me2都是内含子增强子的重要标志。
H3K4me1修饰通常与H3K27ac同时增加，提示该增强子处于活性状态，活化的增强子可以招募特定的染色质"阅读器"蛋白，这些蛋白有助于维持该区域的核小体定位和开放性。H3K4me1是增强子的基础标记，从潜在的预备态到活性态的增强子通常都含有H3K4me1。H3K4me2则是一类增强子的特异性标志，它能够进一步区分增强子的亚类，通常携带H3K4me2的增强子能够不依赖于先锋因子即可被激活，能够指示增强子的激活状态和转录因子结合位点。无论是在远端增强子还是位于内含子增强子区域都以H3K4me1为基本特征，而H3K4me3是启动子区域最经典、最核心的活性标志，高度富集在转录起始位点附近，直接推进基因转录的进行。
H3K4甲基化基因组分布模式
参考文献：
[1]Hurton MD, Miller JM, Lee MT. PLoS Biol. 2025 Jul 10;23(7):e3003239.
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5. Qsox1是引起PRDM16cKO小鼠血管功能障碍的必需因子
研究表明QSOX1在癌症中催化二硫键形成并调控ECM组装。人类QSOX1的多态性与血压相关，全身Qsox1敲除小鼠血压较低，这促使研究人员探究脂肪细胞来源的QSOX1对血管生理的影响。研究人员构建了Qsox1 floxed小鼠(图S8A)，通过与AdipoQ-Cre小鼠杂交获得脂肪细胞特异性Qsox1敲除小鼠(Qsox1cKO)(图S8B)。在标准饮食下，脂肪细胞特异性缺失Qsox1对体重、脂肪组织重量、胰岛素抵抗或耐寒性无影响(图S8C-I)，单独敲除Qsox1也不影响血管对ANGII、PE或Ach的反应性(图S8J-L)。因此，研究人员构建了脂肪细胞特异性Prdm16和Qsox1双敲除小鼠(DFcKO)来探究QSOX1是否为PRDM16cKO小鼠血管纤维化和ANGII介导的血管收缩增加所必需(图4E)。与双floxed对照(dFlox)小鼠相比，DFcKO小鼠的Prdm16(图4F)和QSOX1(图4G)表达显著降低。与PRDM16cKO小鼠相似，DFcKO小鼠的胸部(图4H)和腹部PVAT(图S9A)出现“白色化”，脂肪细胞增大且UCP1表达降低(图4H、I上和图S9B)，但对体重无影响(图S9C)。除了UCP1缺失外，与dFlox对照小鼠相比，DFcKO小鼠表现出Agt RNA(图S9D)和蛋白表达增加(图4I)，以及白色脂肪细胞标志物基因ALDH3B2和REEP6表达增加(图S9E、F)。因此，在Prdm16敲除基础上进一步敲除Qsox1，并不影响DFcKO小鼠中PRDM16cKO特异性的产热特征丧失，也无法纠正单独PRDM16cKO小鼠中出现的局部组织AGT蛋白水平升高(图1L、M)。然而，与PRDM16cKO小鼠不同，DFcKO小鼠的tAorta中ECM基因表达与dFlox对照小鼠相比无差异(图4J)。研究人员对DFcKO和dFlox对照小鼠的肠系膜血管进行压力肌动图检测(图4K-M和图S9G-I)，发现DFcKO小鼠与对照小鼠相比，ANGII介导的动脉收缩无差异(图4K)，这与单PRDM16cKO小鼠的结果相反(图2A和图 S9J)。与PRDM16cKO小鼠相似，DFcKO与dFlox对照小鼠之间PE介导的收缩(图4L)、Ach介导的舒张(图4M)或肌源性张力(图S9G-I)均无差异。综上，脂肪细胞中同时缺失Prdm16和Qsox1，可阻止PRDM16cKO小鼠中观察到的血管纤维化和ANGII介导的血管紧张性收缩。
总结
已知肥胖和衰老中白色脂肪组织的积累与血压升高和血管纤维化有关，缺乏棕色脂肪组织的个体发生高血压的几率更高，这表明产热脂肪具有保护作用。研究人员进一步探究了脂肪细胞和血管系统交叉对话中的作用。使用脂肪细胞特异性PRDM16敲除小鼠，使其丧失了米色脂肪细胞身份特征，同时PVAT显著重塑，血管反应性增加，血压升高。并且QSOX1酶的抑制作用被解除，进一步脂肪特异性敲除QSOX1，抑制其分泌却阻止了血管纤维化。这些结果证明了米色脂肪细胞在血压调节中的关键作用，并确定QSOX1是脂肪细胞和血管对话的重要介质。
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41538429/
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