人类皮下脂肪组织的单细胞DNA甲基化与三维基因组图谱揭示肥胖与炎症的细胞类型特异性表观遗传调控机制

来源：作者：人气：-发表时间：2025-08-22 11:04:00【大中小】

摘要：研究通过snm3C-seq结合snRNA-seq，首次绘制了人类皮下脂肪组织（SAT）的细胞类型分辨率表观基因组图谱。

多组学解析人类皮下脂肪细胞异质性

研究团队采用单核甲基化-3C测序（snm3C-seq）技术，对5例芬兰女性皮下脂肪组织（SAT）活检样本进行多组学分析，同步捕获6,652个核的DNA甲基化（mCG）和染色质构象数据，并与29,423个核的snRNA-seq数据整合。通过5kb分辨率mCG分析和100kb染色质互作聚类，鉴定出脂肪细胞、脂肪干细胞祖细胞（ASPCs）、血管周围细胞等7种主要细胞类型，并发现63个核呈现表观遗传"过渡态"特征——其染色质构象类似脂肪细胞而甲基化模式接近血管周围细胞，暗示人类脂肪细胞可能通过该路径分化。

图1 人类皮下脂肪组织的单细胞 DNA 甲基化组与三维基因组图谱

甲基化与转录组的跨模态调控网络

基因体mCG低甲基化与高表达呈现强相关性（如脂肪标记基因GPAM）。跨模态分析发现PPAR信号通路关键基因（ACSL1、ADIPOQ等）在脂肪细胞中同步呈现低mCG和高表达，而脂肪分化基因（如LEP、SREBF1）则富集于脂肪细胞特异性低甲基化区域。值得注意的是，仅21%的脂肪细胞标记基因在两种模态中重叠，但63%相关生物学通路（如脂质代谢）具有跨模态一致性，提示表观遗传与转录调控的协同作用。

髓系与脂肪细胞的甲基化"跷跷板"效应

全基因组共鉴定705,063个差异甲基化区域（DMRs），覆盖5.39%基因组。脂肪细胞与ASPCs分别呈现56.3%和50.6%区域低甲基化，而髓系细胞则73.0%区域高甲基化，47.3% DMRs呈现此消彼长模式。HOMER分析揭示髓系细胞低甲基化区域富集IRF4、MEF2B等转录因子结合基序，ENCODE的ChIP-seq数据验证这些基序在GM12878细胞中富集度达3.5倍（P<1×10^-12）。

脂肪细胞特异的基因组三维结构

脂肪细胞表现出独特的染色质空间特征：短程互作（100kb-2Mb）比例较其他细胞高1.51倍（P<10^-91），25kb分辨率下检测到更多结构域（平均4,120个/细胞）。染色体区室分析显示，脂肪细胞的A区室（活性染色质）与ADIPOQ等肥胖GWAS变异显著共定位，而髓系细胞A区室则富集炎症相关变异。值得注意的是，11,571个差异区室区域中，ADIPOQ基因所在基因组区域在ASPCs中处于B区室（抑制状态），而在脂肪细胞中转为A区室。

TET1-DNMT3A的表观遗传调控轴

单细胞转录组显示去甲基化酶TET1在脂肪细胞特异性高表达（P<10^-300），而甲基转移酶DNMT3A在髓系细胞优势表达（P<10^-136）。人类前脂肪细胞分化实验证实，TET1与PPARγ等脂肪生成基因呈现同步表达波动。SAT批量RNA-seq进一步发现，TET1表达与胰岛素敏感性正相关（Matsuda指数r=0.32），而DNMT3A则呈负相关（r=-0.28）。

图2 本研究采用 snm3C-seq 和 snRNA-seq 技术，在人类皮下脂肪组织（SAT）中对细胞类型水平的 DNA 甲基化、染色质构象及基因表达进行表征，并解析腹部肥胖的遗传风险

肥胖风险的细胞类型特异性遗传基础

英国生物银行（UKB）39万人数据分析显示，脂肪细胞低甲基化区域和A区室的变异分别解释腰臀比调整BMI（WHRadjBMI）遗传风险的82%和79%，显著优于随机背景（P<0.001）。髓系细胞A区室变异则与C反应蛋白（CRP）水平显著相关，印证了肥胖相关炎症的髓系细胞起源假说。GWAS变异富集分析发现，脂肪细胞DMRs中肥胖相关变异达3.2倍富集（P=6.5×10^-8）。

这项研究首次在单细胞层面揭示SAT表观遗传异质性，建立DNA甲基化-三维基因组-转录组的调控网络，为理解肥胖及其并发症的细胞类型特异性机制提供了新视角。发现的过渡态细胞群体和TET1-DNMT3A调控轴，为靶向干预代谢疾病提供了潜在新靶点。

参考资料

[1] Single-cell DNA methylome and 3D genome atlas of human subcutaneous adipose tissue