肥胖对海马神经血管单元转录组的细胞类型特异性及性别差异性调控

《Communications Biology》：Cell- and sex-specificity in the transcriptomic response of the hippocampal neurovascular unit to obesity

本研究针对肥胖相关血管性痴呆的性别差异机制，通过单核RNA测序技术揭示了肥胖对雌性小鼠海马神经血管单元（NVU）的细胞特异性转录组影响。研究发现内皮细胞和微胶质细胞对肥胖的反应具有显著性别特异性，而星形胶质细胞和神经元则表现出更多共同反应通路。该研究为理解肥胖诱发认知障碍的分子机制提供了细胞层面新见解，并为性别特异性治疗策略开发奠定了理论基础。

　　

在全球肥胖流行日益严峻的背景下，肥胖已成为血管性痴呆的重要风险因素。值得注意的是，肥胖相关并发症存在显著性别差异：女性严重肥胖患病率更高，而男性更易患高脂血症和中风。更深入的是，痴呆症本身也存在性别二态性——阿尔茨海默病在女性中更常见，而血管性痴呆在男性中更普遍。尽管已有研究揭示了肥胖对大脑的影响，但关于肥胖如何以细胞特异性方式影响海马神经血管单元（NVU），以及这种影响是否存在性别差异，至今仍不清楚。

神经血管单元作为血脑屏障的功能核心，由内皮细胞、微胶质细胞、星形胶质细胞和神经元共同构成，其功能障碍是血管性痴呆的关键病理环节。肥胖通过脑低灌注诱发脑血管改变、氧化应激、血脑屏障破坏和神经炎症，最终导致认知功能下降。海马作为记忆形成的关键脑区，特别容易受到这些病理变化的影响。然而，传统转录组研究缺乏单细胞分辨率，无法区分不同细胞类型的特异性反应，而性别因素在肥胖对大脑影响中的作用更是鲜有关注。

为了解决这些知识空白，加州大学戴维斯分校的Jennifer E. Norman团队在《Communications Biology》上发表了最新研究成果。研究人员利用ob/ob肥胖小鼠模型和单核RNA测序（snRNA-seq）技术，首次系统阐述了肥胖对雌性小鼠海马NVU转录组的细胞类型特异性调控，并通过与雄性数据的比较分析，揭示了性别对肥胖诱导的转录组反应的修饰作用。

研究采用的关键技术方法包括：使用18周龄雌性ob/ob小鼠和野生型对照小鼠的海马组织；通过单核RNA测序技术获得细胞类型特异性转录组数据；采用生物信息学方法进行差异表达基因分析和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析；结合已有的雄性小鼠数据开展性别比较分析；并通过行为学测试（旷场实验）评估焦虑样行为与基因表达的相关性。

肥胖诱导的差异基因表达在雌性NVU中具有细胞类型特异性

研究发现，肥胖显著改变了雌性小鼠所有四种NVU细胞类型的基因表达，其中神经元受到的的影响最为显著，其次是星形胶质细胞、微胶质细胞和内皮细胞。当比较内皮细胞（研究的主要关注点）与其他NVU细胞类型的肥胖诱导差异表达基因（DEGs）时，发现细胞特异性DEGs的比例因细胞类型而异。在内皮细胞、微胶质细胞和星形胶质细胞中，细胞特异性DEGs占所有DEGs的比例不足一半，而在神经元中细胞特异性DEGs占主导地位。

肥胖主要下调了内皮特异性DEGs，包括Nid1、Sparc和Ogn，而Ripor2是唯一上调的内皮特异性DEG。大多数内皮细胞DEGs与至少一种其他NVU细胞类型共享。例如：Ptn（在内皮细胞、微胶质细胞和星形胶质细胞中被肥胖下调）；Xist（在内皮细胞和神经元中均被下调）；以及Bicc1（在内皮细胞中被下调而在神经元中被上调）。有趣的是，所有NVU细胞类型共享的内皮DEGs均被上调，包括Camk2b、Gria1、Shisa6、Slc44a5和Zbtb16。

DEGs的功能分析揭示了肥胖在雌性NVU中改变的共同通路

对每种NVU细胞类型的肥胖诱导DEGs进行过度表征的KEGG通路分析发现，在内皮细胞中没有细胞特异性通路；所有过度表征的通路均与至少一种其他NVU细胞类型共享。内皮细胞与星形胶质细胞和神经元共同拥有的通路包括mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白）信号和内质网中的蛋白质加工。此外，内皮细胞与所有其他NVU细胞类型共享的通路包括长时程增强和Wnt信号。微胶质细胞（包括细胞因子-细胞因子受体相互作用）、星形胶质细胞（包括脂肪酸降解、NF-κB（核因子κB）信号和氨基酸代谢通路）和神经元（包括与核酸代谢和基因表达相关的通路）中存在细胞特异性通路。

基因表达与雌性行为的相关性

研究发现，在内皮细胞中，在旷场中心停留时间的百分比变化与Sparc和Gria1的表达变化相关。在微胶质细胞中，21个DEGs与旷场表现的变化相关，包括Oxct1和CD86。在星形胶质细胞和神经元中，分别有54个和70个DEGs与旷场行为中观察到的变化显著相关。它们包括星形胶质细胞中的Adcy2和Smad2，以及神经元中的Mamld1和Sclt1。

性别是肥胖对NVU全局转录组效应的重要修饰因子

通过比较雌雄两性的数据，研究发现性别对肥胖影响的修饰作用因细胞类型而异。对于内皮细胞、微胶质细胞和星形胶质细胞，肥胖在雄性中引起的基因表达变化比在雌性中更强烈。相反，对于神经元，肥胖在雌雄两性中产生的影响相当。

雄性和雌性NVU细胞对肥胖反应的异质性

比较雄性和雌性的所有肥胖诱导DEGs发现，内皮细胞和微胶质细胞的DEGs表现出显著的性别特异性，雄性和雌性之间共同的肥胖诱导DEGs很少。在内皮细胞中，雄性中的肥胖诱导DEGs数量是雌性的近四倍，且几乎所有DEGs都是性别特异性的。在微胶质细胞中，趋势相反，雌性中的肥胖诱导DEGs数量是雄性的近五倍，且两性间共同DEGs极少。相比之下，星形胶质细胞和神经元在两性间共享更多的肥胖诱导DEGs，但超过20%的共同DEGs在雄性和雌性中被肥胖以相反的方向调控。

与星形胶质细胞和神经元相比，内皮细胞的过度表征通路中性别特异性占主导

与DEGs类似，内皮细胞和微胶质细胞在肥胖改变的通路中表现出比星形胶质细胞和神经元更多的性别特异性。内皮细胞显示出比两性共同通路更多的性别特异性过度表征通路。雄性特异性通路占主导，包括胰岛素信号、胰岛素抵抗、黏着斑、Pi3K-Akt（磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B）信号、Ras信号和Rap1信号。雌性特异性通路包括cAMP（环磷酸腺苷）信号通路。MAPK（丝裂原活化蛋白激酶）信号、Wnt信号、mTOR信号和癌症通路是内皮细胞中雄性和雌性共同拥有的仅有的过度表征通路。

在星形胶质细胞和神经元中，绝大多数过度表征通路是两性共有的，只有一小部分是性别特异性通路。星形胶质细胞中少数已确定的性别特异性通路包括脂肪酸生物合成（雄性特异性）和RIG-I样受体信号通路（雌性特异性）。神经元中，磷酸戊糖途径（雌性特异性）和碱基切除修复（雄性特异性）是少数已确定的性别特异性通路。

研究结论强调，肥胖以性别和细胞类型特异性的方式调节NVU的转录组。内皮细胞和微胶质细胞在肥胖诱导的DEGs和过度表征通路中表现出显著的性别特异性，而星形胶质细胞和神经元则表现出更多的共同性。NF-κB信号是所有NVU细胞类型的性别特异性通路（在内皮细胞、微胶质细胞和神经元中为雄性特异性；在星形胶质细胞中为雌性特异性）。MAPK信号是所有NVU细胞类型的关键性别非依赖性过程，而Wnt和mTOR信号通路在除微胶质细胞外的所有NVU细胞类型中是两性共有的。这些发现为理解肥胖相关认知障碍的机制提供了新的细胞层面视角，并表明在肥胖相关痴呆的预防和治疗策略中，可能需要考虑性别特异性和性别非依赖性方法。