空间代谢组学高分辨率质谱成像揭示鞘脂控制真皮成纤维细胞异质性

人类真皮成纤维细胞是皮肤的细胞成分，由于它们的动态细胞特性而表现出细胞间表型异质性。因此，单个真皮成纤维细胞可以有不同的细胞特性，负责伤口修复、纤维化或细胞外基质的重塑。脂质代谢在具有不同表型的成纤维细胞中是否存在不同的形态，以及脂质成分是否参与成纤维细胞亚型的建立尚不清楚。

　　2022年4月，洛桑联邦理工学院的Laura Capolupo等人在Science上发表了题为“Sphingolipids control dermal fibroblast heterogeneity”的研究成果，通过空间分辨代谢组学和单细胞转录组学研究方法，通过研究单个细胞的脂质组成，揭示了鞘脂在成纤维细胞状态确定中的驱动作用。

研究背景

　　外部信号(例如激素、细胞因子和生长因子)和细胞自主特性(例如单个细胞的转录和代谢状态)共同决定细胞命运的决定。尽管在数十年的深入研究中，外部信号的作用方式已经得到了广泛的详细说明，但细胞自主对命运决定的分子基础仍难以捉摸。脂质参与能量代谢，负责生物膜的组装，充当信号分子，并与蛋白质相互作用以影响其功能和细胞内分布。脂质组成因细胞类型而异，并在分化事件中重新编程。然而，脂质组重塑是否以及如何帮助改变细胞特性尚不清楚。

　　研究思路

　　研究结果

　　1. 通过空间代谢组学揭示脂质异质性的组织原理，单细胞分析显示脂质协同调节

　　图1和图2展示了研究人员首先对原代真皮人成纤维细胞 (dHF) 进行了空间代谢组学解析，结合电喷雾电离液相色谱-质谱(ESI-LC/MS)和基于多反应监测(MRM)的脂质组学分析，发现dHF 中存在两个共存的脂质变异轴。一个轴与细胞内组织有关，另一个轴与脂质相关的细胞间异质性有关，其中鞘脂途径受到高细胞间变异性的影响。随后的单细胞脂质组根据脂质组成对细胞进行分组，产生了不同的细胞簇。当考虑鞘脂的水平时，某些鞘脂在特定的细胞簇中富集，表明 dHF 以不同的鞘脂代谢状态存在。

　　研究人员随后用可识别不同鞘脂头部基团的荧光标记的细菌毒素对细胞进行染色，验证了这一结果，发现dHF 以亚稳态鞘脂代谢配置存在，与给定的表型状态相对应，并在细胞世代中持续存在，研究人员将这些脂质代谢状态称为lipotypes。

　　图1 | dHFs的单离子空间代谢组学分析

　　(A)空间代谢组学检测方法示意图

　　(B)正离子模式检测的部分脂质成像图

　　(C)每个像素的PCA坐标显示

　　(D)前10种脂质的贡献度展示

　　图2 | 单细胞脂质组学分析

　　(A)空间代谢组数据单细胞分析方法示意图

　　(B)显示通过257个细胞计算的脂质CV的条形图

　　(C)脂质协变网络

　　(D)单细胞脂质组学数据的t-SNE图

　　(E)鞘脂染色t-SNE分布图

　　(F)鞘脂前体和负责鞘脂的成像图

　　2. 单细胞转录组测序对细胞类型进行分类并对应不同脂型结合分析

　　研究人员接着对dHF 进行了单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq)，并将转录组定义的亚型与鞘脂定义的亚型联系起来，发现特定的lipotypes与普遍的细胞状态有关，表明lipotypes是 dHF 细胞状态的标志物。此外，dHF lipotypes还反映在不同真皮区域的成纤维细胞亚型上，如真皮较深区域的网状成纤维细胞与较浅区域的乳头状成纤维细胞会呈现差异化的lipotypes，且与皮肤癌的相关性不同。由此，lipotypes可以在体内标记特定的 dHF 群体。

　　图3 | 脂肪类型映射到转录细胞的状态

　　(A)通过指定聚类对5652个单独DHF的scRNA序列进行UMAP嵌入分析

　　(B)聚类标记基因的基因表达点图

　　(C)A中单个dHF细胞的扩散图，突出了不同细胞状态之间转录变异轴

　　(D)DHF的sRNA序列数据PAGA轨迹分析图

　　(E)每个FACS分类的脂肪型群体的富集基因的平均基因表达热图

　　(F)不同的脂型基因特征分数UMAP图

　　(G)不同簇细胞的平均脂型z分数点图

　　(H)ShTxB2e+、ShTxB1a/2e+、ChTxB+和triple+的PAGA轨迹分析图

　　(I)成纤维细胞(ACTA2)和基底细胞(LMNA)的两种典型标记物的UMAP图

　　(J)几种染色细胞的共焦显微照片

　　3. 鞘脂扰动对细胞状态的影响

　　研究人员最后探究了鞘脂扰动对细胞状态的影响，发现lipotypes异质性通过使原本相同的细胞对细胞外刺激的反应多样化来影响细胞特性，并且操纵鞘脂组成足以将细胞重新编程为不同的表型状态。此外，鞘脂还能整合到参与细胞状态确定的调节回路中，这些回路解释了代谢和转录成纤维细胞的异质性。具体来说，研究人员观察到鞘脂调节成纤维细胞生长因子2 (FGF2) 的信号传导，其中globo系列鞘脂Gb3/Gb4 充当正调节剂，而神经节苷脂GM1 充当负调节剂。反过来，FGF2 信号通过维持导致Gb3/Gb4 产生的替代代谢途径来抵消 GM1 的产生。

　　图4 | 鞘脂扰动对FGF信号的影响

　　相关讨论

　　该研究通过将高分辨率质谱成像与单细胞转录组学相结合，测量了单个人类真皮成纤维细胞的脂质组和转录组，发现特定脂质代谢途径的细胞间变化有助于建立参与皮肤结构组织的细胞状态如图5所示。这为细胞间异质脂质代谢在多细胞系统的自组织中发挥指导作用提供了证据。

图5 |鞘脂控制真皮成纤维细胞异质性