代谢学人

Nature：减肥难根除，记忆在作怪

撰文 | 陈芳芳 胡敏 马莹 张俊 武霞 郭明伟

编辑 | 孟美瑶

校对 | 张俊

背景介绍

肥胖及其相关并发症代表着巨大的健康风险。控制肥胖的主要临床目标是实现明显的体重下降（weight loss，WL），通常是通过严格的饮食和生活干预方式、或者是通过药物治疗以及减肥手术（bariatric surgery，BaS）。依靠改变行为和饮食策略导致的体重下降现象往往是短期的，并且容易受到“yo-yo”效应的影响，即随着时间的推移体重会反弹。这种现象可能部分归因于一种（致肥）新陈代谢记忆，即使在显著的减肥或新陈代谢改善之后，这种记忆依然存在。事实上，研究者已经报道了在小鼠脂肪组织（adipose tissue，AT）或基质血管组分中（stromal vascular fraction ，SVF）存在的一种代谢记忆，即先前代谢状态会产生持续的表型变化，而在肝脏中，这些变化是可逆的（小编注：之前有文献报道过，喂养HFD的小鼠表现出空腹胰岛素水平增加、肝脂肪变性以及与增强子H3K27Ac调节相关的肝脏基因转录的重大变化，如果该过程中出现了新的增强子，则染色质可及性也会发生变化， H3K27Ac可以结合在新开放的增强子区域调控基因表达，但是作者发现染色质可及性不变，所以H3K27Ac不能结合到未开放的增强子区域，只能在已经开放的增强子区域中调控基因表达，这说明HFD并未导致新增强子的建立，HFD主要通过调节已有的增强子活性来控制基因转录。参考文献：[1] Mononen J, et al. Nucleic Acids Res. 2024 Apr 12; [2] Schmitz J, et al. Mol Metab. 2016 Jan 11; [3] Siersbæk M, et al Sci Rep. 2017 Jan 10.）。当肥胖小鼠减重之后，空腹胰岛素、葡萄糖和肝脏甘油三酯水平完全恢复到正常水平。此外，HFD调节的H3K27Ac和纤维化基因的mRNA水平恢复正常，表明HFD诱导的肝脏转录调节景观是高度动态的，可以通过体重减轻来逆转。但是脂肪中肥胖导致的代谢状态和表型并不会在小鼠减重之后消失，根据本文和之前的文献报道，肥胖导致脂肪组织中的组蛋白翻译后修饰比较复杂，涉及H3K4me3、H3K27me3和H3K27ac，并且染色质开放性也发生了改变，巨噬细胞的浸润程度也增加，这些因素在小鼠减重之后还保留着肥胖导致的变化，并不能回复到对照组的水平，即存在“肥胖记忆”。）。也有报道称，WL后免疫系统会发生持续的改变，许多器官的内皮细胞会出现肥胖的转录和功能记忆。

表观遗传机制和修饰在体外和体内脂肪细胞的发育、分化和特性维持至关重要，但可能也是细胞肥胖记忆的关键因素。例如，持久的染色质可及性变化与小鼠髓系细胞对肥胖的病理性记忆有关，冷暴露研究也表明存在（表观遗传）细胞记忆。迄今为止，大多数人类研究都集中于全组织或全血中的DNA甲基化分析，以评估假定存在的细胞记忆。这些研究可能被细胞类型组成的变化所混淆，WL期间AT中细胞类型组成的特征并不明显，因此只能作为细胞表观遗传记忆的指标。

拓展阅读：肥胖反弹

随着人们对肥胖及其相关并发症认识的深入，减重成为了改善肥胖个体健康状况的重要手段。然而，体重反弹（weight regain）现象的出现，即在减重后体重的再次增加，已成为减重治疗中一个难以克服的挑战。近年来，多篇研究利用各种生物学技术探究了体重反弹的分子机制。2016年的一篇《Nature》发现肠道微生物组通过调节能量消耗，进而参与节食后体重反弹。他们首先设计了HFD与正常饮食交织在一起的周期性饮食来模拟小鼠节食后体重反弹，并利用微生物基因组测序来探究不同饮食对肠道微生物的影响。尽管在两次HFD饮食周期之间的正常饮食时期，小鼠体重、葡萄糖耐量、胰岛素抵抗和能量消耗等代谢特征都恢复正常，但HFD期间的微生物组profile在该时期仍然存在。于是，作者在该期间用抗生素治疗或利用lean小鼠的菌群移植，小鼠会导致反弹减弱。在机制上，第一次HFD诱导的肥胖期间，微生物产生类黄酮的能力减弱，降解类黄酮的能力增强。导致微生物功能失衡。此外，类黄酮能够促进棕色脂肪Ucp1表达增减，进一步增强能量消耗。

除了肠道菌群，2016年一篇高引《Molecular Metabolism》探究了脂肪组织和肝脏和肥胖记忆的关系。他们首先发现与lean小鼠相比，成功减肥的小鼠在不限制饮食后增重明显增加，但是如果减重后控制饮食（lean组配对喂养）则不会，表明减重后的摄食过量是体重反弹的主要原因。此外，虽然肥胖小鼠葡萄糖耐量在体重减轻后迅速改善，但全身性胰岛素抵抗仍然存在，只有在长时间配对喂养后才能改善。在基因表达上，小鼠减肥后的肝脏促炎基因表达下降，但内脏脂肪组织没有显示出代谢和炎症参数的显著改善。同时人类减肥手术后会导致体重大幅下降，肝脏炎症和全身葡萄糖稳态改善，但脂肪组织炎症仍然保持。以上结果说明肥胖记忆和脂肪组织炎症的长期增加有关，但与肝脏炎症无关，提示相比于肝脏，脂肪组织可能更能促进体重反弹。

为了探究脂肪组织影响体重反弹的具体分子机制，2017年的一篇《Cellular & Molecular Immunology》表明免疫细胞，特别是CD4+ T细胞，介导肥胖记忆。CD4 +效应T淋巴细胞，如Th1，在有肥胖史的小鼠附睾白色脂肪组织中显着增加，进一步导致脂肪炎症和胰岛素抵抗。另外，2022年的一篇《Nature Communications》进一步探究了免疫细胞在肥胖反弹中发挥的作用。作者利用单细胞测序发现：（1）在肥胖状态下，脂肪组织中的免疫细胞（如T细胞、巨噬细胞和树突状细胞）表现出特定的炎症表型。这些表型在减重后并未完全恢复，并且在体重反弹时进一步恶化。（2）肥胖与T细胞耗竭有关，这种状态在减重后持续存在，并在体重反弹时加剧。抗原呈递细胞（如树突状细胞）在肥胖时激活，并在减重和体重反弹期间保持激活状态。（3）肥胖时，脂质相关巨噬细胞（LAMs）增加，减重后并未恢复到瘦体水平，并且在体重反弹时进一步增加。这些巨噬细胞在脂质处理和炎症反应中起关键作用。

本文中研究人员发现即使在显著WL后，人体组织仍然保留着肥胖的表观遗传记忆；通过snRNA-seq结果显示，人类和小鼠的脂肪组织在WL后仍然保留细胞转录变化；肥胖小鼠在WL之后仍然会出现受损的糖耐量和高胰岛素血症；携带这种肥胖记忆的小鼠在再次暴露于高脂饮食时，相比对照组这些小鼠表现出更快的体重增加速度、更高的空腹血糖和餐后胰岛素水平，以及更大的脂肪组织炎症反应。研究人员通过对WL前后小鼠epiAT的染色质可及性、组蛋白修饰及翻译组进行了深入分析发现，与代谢相关的基因启动子因H3K27me3富集而持续受抑制，而炎症和细胞外基质重塑相关的增强子则通过H3K4me1和H3K27ac维持活性。这些表观遗传改变驱动了肥胖记忆对脂肪细胞功能的持续影响，即使经过显著的减重干预，炎症相关的表观遗传模式仍在脂肪细胞中延续。

参考文献：

[1] Thaiss CA, et al. Nature. 2016;540(7634):544-551.

[2] Schmitz J, et al. Mol Metab. 2016;5(5):328-339.

[3] Zou J, et al. Cell Mol Immunol. 2018;15(6):630-639.

[4] Cottam MA, et al. Nat Commun. 2022;13(1):2950.

总之，单个细胞是否保留新陈代谢记忆，以及这种记忆是否由表观遗传机制赋予的问题仍未解决。在本研究中，研究人员首先对肥胖症患者在显著减肥前后的AT以及瘦小鼠、肥胖小鼠和曾经肥胖小鼠的AT进行了单核RNA测序（snRNA-seq），证实了转录变化的存在；其次，研究人员通过表征小鼠脂肪细胞的表观基因组，揭示了表观遗传性肥胖记忆的长期存在。

拓展阅读：减重之后免疫系统的变化

在肥胖状态下，脂肪组织中的免疫细胞比例和功能发生变化，特别是巨噬细胞，它们是脂肪组织中最多的免疫细胞类型，随着肥胖时脂质的增加，组织驻留巨噬细胞（Tissue-resident macrophages, TRMs）数量减少，同时脂肪细胞会招募脂质相关巨噬细胞（Lipid-associated macrophages, LAMs）吞噬脂质，因此LAMs在脂肪组织中积累，同时LAMs会分泌炎症因子，引发了脂肪组织炎症，促进细胞脂肪分解并损伤胰岛素敏感性。

减重之后，肥胖诱导的脂肪组织免疫细胞印记仍然存在，TRMs随着肥胖减少，但是并不会随着WL而恢复到正常水平，该细胞亚群的转录组特征也发生明显的改变，编码M2型巨噬细胞的标记物CD20的基因Mrc1在肥胖和减重之后仍然保持表达，但另外一种M2型标记物的基因Cd163在肥胖中不表达，在减重之后也不能恢复表达。使得脂肪组织仍然处于肥胖时的免疫状态。

此外，肥胖状态下的T细胞耗竭在减重之后也不能恢复，表达Foxp3的Tregs比例因肥胖而呈下降趋势，在减重后仍然很低。肥胖不仅影响了Treg的数量，还减少了编码IL-33受体ST2的Il1rl1的表达。肥胖后还存在其他IL-33反应细胞类型的变化，如ILC2s和肥大细胞，这些变化在减重后都无法恢复。编码程序性细胞死亡蛋白1（Programmed cell death protein ,PD-1）的基因Pdcd1也在肥胖过程中上调，并且减重之后不能恢复到健康水平，该基因的表达标志着T细胞的耗竭。

参考文献：

[1] Cottam MA, et al. Nat Commun. 2022 May 26

[2] Kosteli A, et al J Clin Invest. 2010 Oct

[3] Caslin HL, et al. Front Immunol. 2023 Jan 11

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              敲黑板啦！

1. 体重减轻后人类脂肪细胞转录持续变化，揭示肥胖代谢记忆的存在；

2. 体重减轻后小鼠代谢异常部分改善，但肥胖记忆相关病理生理学问题仍持续存在；

3. 小鼠脂肪组织转录记忆持久，体重减轻难逆转肥胖影响；

4.肥胖记忆影响脂肪细胞代谢反应，加剧体重减轻后的反弹风险。

​研究结果

1 .人类脂肪组织的转录变化

为了探究人类在明显的WL之后，是否仍然存在先前肥胖状态的特征，研究人员从多项独立的研究中获得了从未经历肥胖，具有健康体重的受试者（这里称之为健康体重者）和肥胖症患者（但无糖尿病）在BaS之前（T0）和BaS之后2年（T1）的皮下AT（subcutaneous AT，scAT）和网膜AT（omental AT，omAT）活检样本（图1a）。omAT样本来自多中心两步手术（multicentre two-step surgery，MTSS）研究（n=5名瘦个体，1名男性，4名女性；n=8名肥胖者，2名男性，6名女性）和莱比锡两步手术（ Leipzig two-step surgery，LTSS）研究（n=5名瘦个体，2名男性，3名女性；n=5名肥胖者，2名男性，3名女性）。只有体重指数（body mass index，BMI）下降至少25%的患者纳入本研究（图1a，b和扩展数据表1）。研究人员对每组的汇集的omAT进行了snRNA-seq，并且根据已发表的数据注释了omAT样品中的18个细胞簇，包括脂肪细胞、脂肪细胞祖细胞（adipocyte progenitor cells，APCs）、间皮细胞、免疫细胞和内皮细胞（图1c和扩展数据图1a和2a-d）。尽管他们在omAT中没有观察到T0和T1细胞组成之间的差异，但在基于单核苷酸多态性解复用（single nucleotide polymorphism（SNP）-based demultiplexing）后，研究人员观察到个体间细胞组成的变化，这可能受到手术取样的影响（扩展数据图2e，f）（小编注：基于单核苷酸多态性解复用是一种用于单细胞测序数据的样本分离技术。这种技术利用个体间的自然遗传变异，即单核苷酸多态性（SNP），来区分混合样本中的不同个体。）。值得注意的是，细胞类型特异性基因表达分析表明，在这两项研究中，T0时（肥胖与健康体重者）的许多差异表达基因（differentially expressed genes ，DEGs）在T1时也发生了失调（图1d和扩展数据图1b，c）。接下来，研究人员对来自LTSS研究（n=5名瘦个体，2名男性，3名女性；n=5名肥胖者，2名男性，3名女性）和NEFA试验（ClinicalTrials.gov 注册号：NCT01727245；n=8名瘦个体，均为女性；n=7名肥胖者，均为女性）的scAT活检组织进行了同样的分析，其中仅包括BMI至少下降25%的受试者（图1a，b和扩展数据表1）。根据已发表的标志物（扩展数据图3a-d），研究人员给scAT注释了13个细胞簇，包括APCs、脂肪细胞、内皮细胞和免疫细胞（图1e和扩5展数据图1d）。在scAT（扩展数据图3e，f）中，他们没有观察到T0和T1细胞组成之间的一致性差异。然而，与omAT类似，研究人员在两个研究中都发现，许多细胞类型从T0到T1保留了转录变化（图1f和扩展数据图1e，f）。研究人员对omAT和scAT中细胞类型特异性基因表达变化的进一步详细分析发现，肥胖过程中转录失调在脂肪细胞、APCs和内皮细胞中最为明显（扩展数据图1g-j）。与此相一致的是，从T0到T1保留的DEGs的绝对数量在这些细胞类型中也是最高的（扩展数据图1k）。鉴于脂肪细胞在每个个体样本中都表现出强烈的转录差异，研究人员分别整合了omAT和scAT研究中所有脂肪细胞的snRNA-seq数据，并进行了差异基因表达分析（扩展数据图1l，m）。合并的omAT脂肪细胞中保留了大量下调的DEGs（图1g），包括相关的代谢基因，如IGF1，LPIN1，IDH1或PDE3A（图1h）。同样，下调的DEGs在scAT脂肪细胞中保留也很明显（图1i），包括相关代谢基因，如IGF1，DUSP1，GPX3和GLUL（图1j）。研究人员对每项研究的脂肪细胞中保留的DEGs进行基因集富集分析（Gene set enrichment analysis，GSEA），与脂肪细胞代谢和功能相关的通路持续下调（扩展数据图4a-d），而与纤维化相关的通路（与TGFβ信号有关）和细胞凋亡相关的通路持续上调（扩展数据图4e-h）。这些结果表明，肥胖诱导了AT发生细胞和转录（致肥性）变化，而这些变化在显著的WL之后并不会回到正常水平。

图1 | 人体脂肪组织在BaS诱导的体重减轻后保留细胞转录变化

扩展数据图1 | 人体脂肪组织在减肥手术诱导的体重减轻后保留细胞转录变化

扩展数据图2 | omAT成分的表征

扩展数据图3 | scAT成分的表征

扩展数据图4 | 脂肪细胞中保留的DEGs的基因集富集分析

2 .病理生理学大多在WL之后被逆转

为了研究肥胖这种假定代谢记忆的分子机制和病理生理重要性，研究人员在实验动物模型中对WL进行了评估（图2a）。研究人员给6周龄雄性小鼠喂食高脂饲料（high-fat diet，HFD）或低脂饲料12周（H组和C组）或25周（HH组和CC_l组）。紧接着，他们将饮食换为标准普通饮食（HC组、CC_s组、HHC组、CCC组），使小鼠体重在4~8周内恢复正常（图2b，c）。与年龄匹配的对照组比较，H组小鼠糖耐量受损，而HH组小鼠糖耐量无受损；HH组小鼠胰岛素敏感性降低，而H组小鼠胰岛素敏感性与对照组小鼠无差异（扩展数据图5a，b）。两组空腹血糖水平均较高（扩展数据图5c）。WL恢复了HHC小鼠的胰岛素敏感性，而HC小鼠仍表现出受损的糖耐量(扩展数据图 2d、e）。两组小鼠的空腹血糖水平都通过WL恢复正常，与对照组小鼠一致（扩展数据图 2f）。WL之后，HC小鼠的高胰岛素血症消失，而HHC小鼠的高胰岛素血症仅仅是有所减轻（扩展数据图5g-i）。肥胖小鼠体内升高的瘦素水平在WL后恢复到对照小鼠水平（扩展数据图5j）。WL之后，HC和CC_s小鼠的能量消耗和摄食量没有差异（扩展数据图5k，l）。HC小鼠和大多数HHC小鼠的肝脏中甘油三酯的积累恢复正常（达到对照水平） (扩展数据图 5m,n）。同样，C组小鼠和H组小鼠、CC_s组小鼠和HC组小鼠的瘦肉量没有差异，HC组小鼠的瘦肉量也没有减少（扩展数据图5o）（小编注：文章中并没有展示C组与H组小鼠的瘦肉量数据）。与相应的对照组小鼠相比，H组肥胖小鼠的皮下腹股沟AT（ingAT）、附睾AT（epiAT）和棕色AT（BAT）重量更高（扩展数据图5p，q）。ingAT和BAT重量在WL后恢复正常。与最近的一项研究一致的是，HC小鼠的epiAT在WL后小于对照组。有趣的是，在25周喂食HFD（HH）的小鼠肥胖过程中已经观察到了如先前报道的epiAT缩小的现象，并且在HH小鼠WL之后（HHC组小鼠）仍能保持这种现象（扩展数据图5r-v）。不同脂肪库的脂肪细胞大小不一，H和HH小鼠脂肪细胞增大，HC小鼠的脂肪细胞趋于正常，而HHC小鼠脂肪细胞不能恢复正常（扩展数据图5w，x）。H和HC小鼠中，epiAT脂肪细胞也分别增大和缩小至正常大小，而在HH和HHC小鼠中，脂肪细胞大小相当，这可能是由于组织缩小所致（扩展数据图5v，y）。肥胖小鼠（H组和HH组小鼠）的epiAT表现出免疫细胞浸润和顶端纤维化，在HC小鼠中情况得到了部分改善，而HHC小鼠并没有这样的现象（扩展数据图 5t-v）。Masson三色染色显示WL后epiAT中胶原沉积更多（扩展数据图5z）。总的来说，在WL之后，只有一些轻微的新陈代谢障碍持续存在，包括HC型小鼠的葡萄糖不耐受、HHC型小鼠的高胰岛素血症和轻微的肝脏脂肪变性，以及两组小鼠在WL之后epiAT明显减少。

图2 | 体重减轻诱导的附睾脂肪组织（部分）重塑持续存在转录变化

扩展数据图5 | 体重减轻在很大程度上解决了肥胖引起的小鼠生理变化

3 .小鼠的转录性致肥性记忆

研究人员考虑到在人类AT中观察到的持续转录变化，他们使用snRNA-seq研究了小鼠epiAT在肥胖和WL期间的细胞变化。研究人员使用常见的标记基因注释了15个关键细胞群，包括APCs、免疫细胞、脂肪细胞、间皮细胞、内皮细胞和上皮细胞（图2d和扩展数据图6a，b）。与先前的研究结果一致，在肥胖条件中（H组和HH组小鼠），epiAT中巨噬细胞的数量较高，并且在WL后并未完全回复正常，尤其是在HHC小鼠中（图2e）。对照组小鼠（C组、CC组和CCC组小鼠）中的常驻巨噬细胞主要由血管周围巨噬细胞和非血管周围巨噬细胞组成。值得注意的是，在肥胖过程中，epiAT中主要是脂质相关巨噬细胞（ lipid-associated macrophage，LAM）和非血管周围巨噬细胞的数量增加，从而持续改变巨噬细胞群的组成（图2f和扩展数据图 6c,d）。

扩展阅读：血管周围巨噬细胞、非血管周围巨噬细胞、脂质相关巨噬细胞三种细胞区别

根据小鼠脂肪组织巨噬细胞（ATM）与血管的位置关系和淋巴管内皮透明质酸体1（LYVE1）的表达，其可分为血管周围样巨噬细胞（PVMs）和非血管周围样巨噬细胞（NPVMs），二者都属于常驻型脂肪组织巨噬细胞。PVMs表达CD163，CD206和磷脂酰丝氨酸受体T细胞免疫球蛋白和粘蛋白结构域4（TIMD4或TIM4），表明PVMS在清除凋亡细胞中具有稳态作用在瘦脂肪组织中，PVMs阳性表达CD206、CD163、LYVE1和TIM4，而NPVMS低表达LYVE1，高表达Exls、Cd74和Ear2。PVM和NPVM的数量随着肥胖程度的增加而减少。

脂质相关巨噬细胞（LAM）是在各种代谢紊乱中鉴定出具有脂质处理能力的吞细胞。在疾病发展过程中，它们位于动脉粥样硬化斑块、肥胖个体的脂肪组织、脂肪变性和脂肪性肝炎的肝脏病变以及肠固有层。LAM也可以出现在某些肿瘤需要代谢的微环境中。在不同的病理状态下，机体可能会通过不同的方式募集LAM。

参考文献：

[1] Chaxakis T, et al. Nat. Immunol. 2023, 24: 757-766.

[2] Xu RG, et al. Trends Endocrinol. Metab. 2024, 35(11): 981-995.

研究人员受到人类AT中持续的转录变化（图1和扩展数据图1）以及最近在内皮和免疫细胞中的相关研究报道的启发，他们接下来研究了小鼠epiAT中的转录保留（“记忆”）。根据每种细胞类型中DEGs的数量，研究人员发现肥胖和WL后脂肪细胞、APCs、内皮细胞、上皮细胞和巨噬细胞的转录变化保留程度比其他细胞类型更强（扩展数据图7a），这证实了小鼠epiAT中存在持续的、细胞特异性的转录变化。事实上，在不同的细胞类型中，肥胖时间点的许多DEGs在WL后仍处于失调状态（图2g，h和扩展数据图7b，c）。对HC和HHC小鼠中的脂肪细胞、APCs、内皮细胞、LAMs、非血管周围巨噬细胞、血管周围巨噬细胞和间皮细胞中保留的差异表达基因进行的GSEA显示，在HC和HHC小鼠中，与溶酶体活性、细胞凋亡和其他炎症通路相关的基因持续上调（扩展数据图7c，d），表明存在内质网和细胞应激。在HC和HHC小鼠中持续下调的DEGs主要与脂肪代谢通路有关，如脂肪酸ω氧化、脂肪酸生物合成、脂肪生成或过氧化物酶体增殖物激活受体信号传导（扩展数据图7e，f），表明WL后AT可能出现功能障碍。

特别是在脂肪细胞中，研究人员发现了三种不同模式的 DEGs（图 2i）：一组在HC或HHC小鼠中都不能恢复正常表达（如Maob或Ctsd）；另一组在HC小鼠中恢复表达，但在HHC小鼠中不能恢复表达（如Cyp2e1或Runx2）；第三组在HC和HHC小鼠中都恢复正常表达（如Gpam或Tyrobp）。值得注意的是，他们没有发现任何一个DEGs在HHC小鼠完全恢复正常表达，而在HC小鼠中却不能恢复正常表达，这表明肥胖持续时间较长或WL时间相对较短对转录记忆的保留影响更大。综上所述，在WL之后，小鼠脂肪细胞的炎症和细胞外基质重塑相关通路保持上调，而脂肪细胞特异性代谢通路则保持下调（扩展数据图7g，h），这与他们在人体脂肪细胞中的研究结果一致（图1h，j和扩展数据图4）。

扩展数据图6 | 小鼠epiAT的注释

扩展数据图7 | 转录变化持续导致epiAT的体重减轻

4 .小鼠的表观遗传肥胖记忆

在确定了人体AT和小鼠epiAT在WL后会出现肥胖相关转录变化的持续性后，研究人员的注意力转向探索赋予这种假定记忆的潜在机制。考虑到脂肪细胞的后有丝分裂特性、不动性、长寿命以及在AT生物学中的核心地位，研究人员决定将重点放在脂肪细胞上。他们对来源于小鼠epiAT的脂肪细胞进行了表观遗传学分析。研究人员将他莫昔芬诱导的AdipoERCre小鼠与NuTRAP报告小鼠杂交，从而在喂食HFD前用生物素和GFP标记脂肪细胞核与核糖体（图3a）。然后，他们制定了一套方案，对来自同一个epiAT库标记的脂肪细胞进行多种模式分析（图3b），并利用多聚信使RNA定向纯化技术（翻译核糖体亲和纯化后RNA测序技术，TRAP-seq）对翻译体进行了配对分析，使用转座酶可及染色质（assay for transposase-accessible chromatin，ATAC）测序（ATAC-seq）测定染色质可及性，以及使用靶标切割和标记技术（cleavage under targets and tagmentation，CUT&Tag）检测四种组蛋白翻译后修饰（hPTMs）。实际上，研究人员从每个epiAT样本的脂肪细胞中生成了大量的表观遗传数据集（扩展数据图8a，b）包括H3K27me3（一种多聚酶介导的抑制性hPTM）、H3K4me3（标志着活跃的转录起始位点（TSS））、H3K4me1（活跃或静止的增强子）和H3K27ac（标志活跃增强子和其他候选顺式调节元件）。研究人员观察到被标记的脂肪细胞转录谱与通过snRNA-seq确定的脂肪细胞亚群之间存在很强的相关性（扩展数据图8c）。与研究人员从snRNA-seq中观察到的结果一致，他们还注意到HC和HHC小鼠脂肪细胞中翻译谱的恢复（图3c）。

接下来，为了在所有条件下的所有模式基础上确定数据集中的生物变异性（因子）来源，研究人员使用多组学因素分析（multi-omics factor analysis ，MOFA）。这使得研究人员能对配对的多组学（表观遗传学）数据集进行无监督整合和聚类，以克服特定模式分析的潜在局限性。与对照组相比，HC和HHC小鼠在因子1（Factor 1）上更接近于H和HH小鼠，这表明WL并没有诱导脂肪细胞表观基因组的完全正常化（图 3d）。MOFA推断Factor 1是不同条件下数据变异性的主要来源，主要受活跃的hPTMs影响（图3e）。

受MOFA发现的启发，研究人员研究了以H3K4me3或H3K27me3标记的启动子，以确定这些hPTMs标记的启动子（扩展数据图8d）。他们研究了肥胖小鼠和WL小鼠脂肪细胞中这些修饰的动态变化。在H组和HC组小鼠中，超过1000个启动子表现出不同的H3K4me3的富集（H型：1475；HC型：1094），其中大多数显示出H3K4me3水平的增加（图3f）。同样，有859个启动子在HH和HHC小鼠中具有不同标记（扩展数据图8e）。总体而言，许多启动子在WL后仍然处于激活状态，而对照组中的启动子则不太活跃，反之亦然。与H3K4me3不同的是，肥胖小鼠中失去H3K27me3的启动子多于被H3K27me3标记的启动子，并且与对照组相比，这些启动子中K27处的三甲基化在WL后仍然受到抑制或没有恢复（图3g和扩展数据图8e）。

接下来，研究人员对不同标记的启动子进行了功能分析。与对照样本相比，肥胖和WL条件下，许多启动子的活性状态发生了转换，从活跃状态（H3K4me3和/或H3K27ac）转变为抑制状态（H3K27me3），反之亦然。这些表观遗传变化中的许多也反映在翻译组（图3h）和核转录组（图2f）中。保持抑制状态的（高H3K27me3和低H3K4me3和/或H3K27ac）的启动子与脂肪细胞功能相关基因（如Gpam，Cyp2e1或Acacb）相关，而保持激活状态的（即高H3K4me3和/或H3K27ac和低H3K27me3）的启动子与参与细胞外基质重塑和炎症信号传导的基因（例如Icam1，Lyz2或Tyrobp）相关（图3h，i）。通过GSEA，研究人员证实了H/HC和HH/HHC小鼠脂肪细胞中持续的H3K4me3与趋化因子和炎症过程相关（扩展数据图8f，g）。H/HC小鼠中持续的H3K4me3丢失影响的基因包括参与脂肪细胞功能的基因（例如，脂肪生成，甘油三酯合成，过氧化物酶体增殖物激活受体信号传导，瘦素和脂联素信号传导）（扩展数据图8f），而HHC/HH小鼠中，脂肪细胞中脂肪生成相关基因被H3K27me3标记和H3K4me3丢失抑制（扩展数据图8g），表明脂肪细胞功能持续受损。值得注意的是，在HC或HHC小鼠脂肪细胞中，相关表观遗传修饰因子的表达并未发生失调（扩展数据图8h）。

增强子是细胞身份和细胞命运的关键驱动因子。MOFA表明活跃的启动子（H3K27ac）和增强子（H3K4me1），以及染色质可及性（ATAC）是发生生物变异的原因（图3d）。研究人员分析各条件下hPTM特征与对照组的相关系数后发现，H3K27ac和H3K4me1在肥胖或WL条件下与对照小鼠（图4a和扩展数据图9a）存在较大偏差（图4a和扩展数据图9a）。研究人员根据他们的数据生成了每个条件下的脂肪细胞特异性增强子注释，并分析了肥胖和WL小鼠中的增强子动态（扩展数据图9b-e）。接下来，研究人员对增强子中的H3K4me1和H3K27ac进行了差异富集分析，并对增强子进行ATAC-seq。通过主成分分析（PCA），他们发现HC和HHC小鼠在H3K4me1、ATAC和H3K27ac上与H组和HH组更接近（图4b和扩展数据图9f-h）。H3K4me1将H/HH和HC/HHC从对照组中分离出来，表明不仅活跃的增强子，静止的增强子也可以驱动持续的表观遗传改变。然后，研究人员分析了增强子在肥胖和WL脂肪细胞之间的动态变化。在肥胖期间和/或WL后，有数千个增强子被H3K4me1差异标记，并从H到HC以及从HH到HHC小鼠中仍保持变化（图4c）。

研究人员将在肥胖和WL小鼠中被H3K4me1标记（并能够维持）的增强子称为“新增强子”。在肥胖和/或WL期间，这些“新增强子”中的大多数也是活跃的（被H3K27ac标记）（图4d）。然后研究人员将这些增强子注释为它们最接近的基因（小编注：增强子通常通过染色质三维结构（如环状构型）与目标基因的启动子区域相互作用，但在没有这些详细实验数据时，研究者通常将增强子注释到最近的基因作为一个假设。即增强子调控的是与其物理距离最近的基因，将增强子归类到这些基因中，并进行后续的分析），并进行了GSEA。与上述启动子的GSEA一致，研究人员发现“新的活性增强子”与炎症信号、溶酶体活性和细胞外基质重塑有关（图4e和扩展数据图9i），表明脂肪细胞持续向炎症加剧和成脂减少的方向转变。与这个结果一致的是， Roh等人分析了肥胖小鼠脂肪细胞中的H3K27ac，并报道了肥胖时身份维持受损。

为了结合研究人员关于维持的翻译变化和表观遗传记忆的研究结果，他们研究了表观遗传机制，如差异标记的启动子或增强子，是否可以解释WL后肥胖相关的持续翻译变化。值得注意的是，WL后57-62%的下调和68-75%的上调的持续翻译DEGs可以被一个或多个分析的表观遗传模式解释（图4f）。总的来说，这些结果强烈地表明，在小鼠脂肪细胞中存在稳定的细胞、表观遗传和转录记忆，并在WL后持续存在。

图3 | 脂肪细胞启动子保留表观遗传记忆

图4 | 脂肪细胞增强子保留表观遗传记忆

扩展数据图8 | 减肥后表观遗传记忆仍然存在

扩展数据图9 | 脂肪细胞特异性增强子保留表观遗传记忆

5 .代谢记忆是脂肪细胞驱动力

研究人员想知道这种持久记忆是驱动成熟脂肪细胞对营养刺激做出的反应与对照组不同。他们从WL小鼠和对照小鼠中收集了成熟的epiAT和ingAT脂肪细胞，培养48小时，然后评估其对葡萄糖和棕榈酸的摄取能力。与对照组相比，来自WL小鼠的epiAT的脂肪细胞表现出对葡萄糖和棕榈酸的摄取增加（图5a，b）。与对照组相比，来自HHC小鼠的ingAT脂肪细胞表现出葡萄糖摄取显著增加，而来源于HC小鼠的脂肪细胞只表现出摄取增加的趋势（扩展数据图1）。另外，研究人员通过评估脂肪生成能力发现，HC和HHC小鼠的epiAT的SVF可响应胰岛素而积累脂质（小编注：胰岛素不仅促进脂肪细胞的分化，还能增强细胞对葡萄糖的摄取，间接促进新脂质的合成，未分化的脂肪前体细胞可以在胰岛素的刺激下，通过胰岛素信号通路，增加对葡萄糖和脂质的摄取和储存。文章中，用胰岛素处理SVF10天显示脂质积累，可能主要是胰岛素的作用。大多数文献中主要采用多种诱导剂的组合来促进或抑制脂肪细胞的分化和脂质积累，而关于仅使用胰岛素处理脂肪前体细胞导致脂质积累但不分化的研究较少），但是并不能分化（扩展数据图10b）。与对照组相比，WL小鼠ingAT的SVF的脂肪生成略有受损（扩展数据图10c）。这些发现表明，持久的细胞记忆会在体外赋予细胞表型。

接下来，研究人员研究了WL小鼠和对照小鼠对喂养4周HFD的反应。J结果表明，HC小鼠的体重增长比CC_s小鼠快（此处分别称为HCH和CCH）（图5c）。HCH小鼠的空腹血糖水平和餐后胰岛素水平升高（图5d，e），但与CCH小鼠相比，葡萄糖耐量和胰岛素敏感性均未受损（扩展数据图10d-g）。HCH小鼠的瘦素水平恢复到H小鼠水平，而CCH小鼠没有表现出显著增加（图5f）。HCH小鼠epiAT中的脂肪细胞平均面积更大，类似于H小鼠的脂肪细胞大小分布，而来自CCH小鼠epiAT脂肪细胞与CC_s小鼠的脂肪细胞大小相似（扩展数据图1）。与CCH小鼠相比，HCH小鼠的ingAT、BAT和epiAT更重（图5g，h）并表现出甘油三酯积累增加和肝脏脂肪变性（扩展数据图10i-k）。

研究人员对HCH和CCH小鼠的epiAT进行了snRNA-seq，观察到与WL时间点相比，HCH和CCH小鼠的epiAT中的巨噬细胞浸润更高，HCH小鼠epiAT中的浸润程度更高（图5i和扩展数据图10l）。HCH小鼠epiAT中LAM的比例更大，与H和HC小鼠相似，与CC小鼠epiAT LAMs相比，CCH小鼠epiAT LAM的比例相比更大，表明LAM浸润发生在HFD喂养期间的早期（扩展数据图10m）。

研究人员评估了HCH和CCH小鼠的脂肪细胞是否表现出转录差异。之前的转录状态和HC时间点的转录记忆都无法解释在HCH小鼠脂肪细胞中观察到的转录失调（图5j）。进一步分析显示，HCH组中的几个DEGs在肥胖期间发生改变，但在HC小鼠的WL后又恢复正常。有趣的是，这些基因与携带表观遗传记忆的启动子和增强子重叠（图2f，3h和5k，l）。更详细的分析表明，表观遗传特征可以解释HCH组中的DEGs比HC期间的转录记忆或先前的转录状态多3-6倍（图D）。具体来说，四种hPTM和ATAC-seq可以预测或解释HCH组中31%的上调DEGs（与炎症有关）和60%的下调DEG（其中许多与脂肪细胞功能和身份有关）（扩展数据图10n，o）。

总之，这些发现表明，持续的表观遗传记忆，包括hPTM的局部变化在内，导致在节食的“yo-yo”模型中脂肪细胞的转录响应发生改变，并引发脂肪细胞对进一步HFD喂养的病理反应，从而有助于小鼠反弹性肥胖的病理生理学。其他表观遗传修饰，例如其他hPTM、DNA甲基化或非编码RNA，也可能有助于观察到的现象。

图5 | 记忆使脂肪细胞和小鼠对致肥胖刺激的加速反应

扩展数据图10 | 引发小鼠和细胞对致肥胖刺激的其他反应

总结  

减轻体重以改善代谢健康及相关合并症是治疗肥胖的首要目标。然而，保持体重减轻是一个相当大的挑战，机体似乎保留了一种肥胖记忆来抵御体重变化。要取得长期治疗成功，克服这一障碍十分困难，因为这一现象背后的分子机制在很大程度上仍然是未知的。在这里，通过使用单核RNA测序，研究人员证明了人和小鼠的脂肪组织在明显的体重减轻后都保留了细胞转录变化。此外，研究人员发现肥胖会导致小鼠脂肪细胞表观基因组发生持续改变，从而对其功能和对代谢刺激的反应产生负面影响。携带这种肥胖记忆的小鼠体重会加速反弹增长，而这种表观遗传记忆是脂肪细胞在进一步摄入高脂肪饮食后转录失调的原因。总之，他们的研究结果表明，在小鼠脂肪细胞和可能的其他细胞类型中，主要基于稳定的表观遗传学变化，存在一种致肥记忆。这些变化似乎为细胞在肥胖环境中的病理反应提供了条件，导致节食中常见的“yo-yo”效应。未来针对这些变化进行研究，可以改善长期体重管理和健康状况。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08165-7IF: 50.5 Q1