脂滴的生物物理學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究

張來福 尹云厚

【摘? ?要】 最早對脂滴的研究可以追溯到19世紀(jì)，Richard Altmann和E.B. Wilson都描述了細(xì)胞中的脂肪滴，并推測了它們的起源（Altmann， 1890;威爾遜，1896）。早期，脂滴的高衍射特性為其鑒定提供了便利的光學(xué)條件。20世紀(jì)初，由于它們被認(rèn)為是大多數(shù)細(xì)胞的組成部分，這種細(xì)胞器被稱為脂質(zhì)體。然而，在20世紀(jì)60年代末，人造脂質(zhì)體被發(fā)明出來，并很快取代了這個名字。從那時起，這種細(xì)胞器被有過許多名稱，包括脂滴、脂體、脂體、脂滴和脂質(zhì)體。在植物中，它們通常被稱為油體。隨著這一領(lǐng)域的迅速發(fā)展，它似乎已經(jīng)定名為“脂滴”。幾十年來，除了形態(tài)學(xué)研究，脂滴的其他方面幾乎沒有受到關(guān)注。1991年，脂肪細(xì)胞中與脂滴相關(guān)的磷酸蛋白perilipin的發(fā)現(xiàn)，引起人們對這種細(xì)胞器的新關(guān)注。從那時起，關(guān)于脂滴的論文數(shù)量急劇增加，關(guān)于脂滴的功能也逐漸被重視起來。

【關(guān)鍵詞】 脂滴;生物物理學(xué);細(xì)胞生物學(xué)

[Abstract] The earliest study of fat droplets can be traced back to the 19th century， when Richard Altmann and E.B. Wilson both described fat droplets in cells and speculated on their origin （Altmann， 1890; Wilson，1896）. In the early stage， the high diffraction characteristics of lipid droplets provided convenient optical conditions for identification. At the beginning of the 20th century， these organelles were called liposomes because they were thought to be part of most cells. However， artificial liposomes were invented in the late 1960s and soon replaced the name. Since then， the organelle has been given many names， including lipid droplet， lipid body， lipid body， lipid droplet and liposome. In plants， they are often called oil bodies. With the rapid development of this field， it seems to have been named "lipid droplet". For decades， little attention has been paid to other aspects of lipid droplets other than morphological studies. The discovery of perilipin， a phosphate protein associated with lipid droplets， in fat cells in 1991 led to new interest in the organelle. Since then， the number of papers on lipid droplets has increased dramatically， and the function of lipid droplets has become increasingly important.

[Keywords] lipid drops; biophysics; cell biology

對許多細(xì)胞和有機(jī)體來說，環(huán)境中的能量供應(yīng)總在過剩和缺乏之間波動，而儲存能量的能力可能提供了一種進(jìn)化優(yōu)勢。細(xì)胞能量主要以三酰甘油的形式儲存，三酰甘油是一種疏水、高度還原和濃縮的分子，用于儲存能量。在細(xì)胞內(nèi)，能量儲存在脂滴中被分隔開。事實上，參與這一過程的最高度專門化的細(xì)胞是脂肪細(xì)胞，其中脂滴通常占據(jù)大部分細(xì)胞質(zhì)。在哺乳動物中，脂滴中的能量儲存和分解代謝受激素和信號通路影響。LDs也是生物膜構(gòu)建模塊的存儲庫，比如磷脂和甾醇。當(dāng)需要時，這些脂質(zhì)可以通過分解代謝和脂質(zhì)在脂滴中的動員而產(chǎn)生。在酵母中，三?；视偷乃馀c細(xì)胞周期有關(guān)，并伴隨著膜的快速膨脹（Kurat et al.， 2009）。通過劃分脂質(zhì)，脂滴緩沖細(xì)胞免受過量脂質(zhì)毒性的影響。例如，巨噬細(xì)胞可以吸收大量膽固醇，從而觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死而死亡

（Maxfield and Tabas， 2005）。過量的甾醇可以通過轉(zhuǎn)化為甾醇酯并儲存在脂滴中來解毒，從而保護(hù)細(xì)胞免受毒性。類似的通過酯化和分裂成脂滴的緩沖作用可以保護(hù)細(xì)胞免受其他脂質(zhì)或親脂物質(zhì)的侵害，這些物質(zhì)可能是過量有毒的（如脂肪酸或視黃醇）。

1? 脂滴在蛋白質(zhì)中的功能

1.1? 脂滴蛋白質(zhì)組

除磷脂外，脂滴表面還用蛋白質(zhì)修飾。蛋白質(zhì)為脂滴對脂質(zhì)代謝進(jìn)行調(diào)節(jié)，蛋白質(zhì)組學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)分析，重要的標(biāo)記蛋白已經(jīng)揭示了在各種細(xì)胞類型中數(shù)百種脂質(zhì)滴劑持續(xù)蛋白候選物[1]。然而，質(zhì)譜法對蛋白質(zhì)組學(xué)的敏感性持續(xù)增加，這導(dǎo)致在脂滴部分中鑒定的蛋白質(zhì)的生長列表越來越長。盡管這些研究中的重疊用于鑒定一組核心脂滴蛋白，但很難確定先前通過質(zhì)譜鑒定的哪種蛋白質(zhì)是特定細(xì)胞類型中的真正脂滴蛋白質(zhì)，并且是分析的脂滴分?jǐn)?shù)。例如，在黑腹果蠅胚胎中鑒定組蛋白作為脂滴蛋白，雖然這一發(fā)現(xiàn)最初遭到了一些懷疑，但出乎意料的是，這種關(guān)聯(lián)是特異性的，由蛋白質(zhì)受體介導(dǎo)，并且在早期發(fā)育過程中對緩沖組蛋白水平具有重要功能。定量蛋白質(zhì)組學(xué)方法的最新進(jìn)展（如蛋白質(zhì)相關(guān)性分析）測量蛋白質(zhì)的豐度和富集脂滴部分，而不僅僅是它們的存在，可能克服質(zhì)譜的局限性，特別是對于低濃度蛋白質(zhì)或在特定組織細(xì)胞類型中表達(dá)的蛋白質(zhì)。在反復(fù)的研究中，幾十種蛋白質(zhì)被證實是脂滴蛋白，這些蛋白質(zhì)具有不同的細(xì)胞功能，它們中的許多在脂質(zhì)代謝中起作用，例如磷脂酰膽堿、甾醇或三?；视偷暮铣苫蜻\輸。一些不直接參與脂質(zhì)代謝的蛋白質(zhì)在控制脂滴表面性質(zhì)方面具有重要作用。例如，我們提出了通過保護(hù)脂滴的三酰基甘油核心不受脂肪酶的影響，來保護(hù)脂滴不被脂解[2]。

1.2? 脂滴的蛋白質(zhì)靶向性

與其他細(xì)胞器相比，脂滴表面的獨特性質(zhì)對特定蛋白質(zhì)靶向具有重要影響。對于雙層膜，雙層中脂肪酸側(cè)鏈的限定厚度和疏水性將膜蛋白限制為具有特定結(jié)構(gòu)域的例如跨膜α螺旋和β折疊蛋白。這種在雙層兩側(cè)具有親水區(qū)的跨膜區(qū)段不能作為脂滴蛋白存在，因為這會將至少一個親水鏈段置于油相中，這在能量上是不利的[3]。相反，脂質(zhì)相關(guān)蛋白必須與表面單層脂質(zhì)相互作用，嵌入疏水核心或兩者兼有。目前，脂滴蛋白的靶向機(jī)制在很大程度上是未知的。然而，從一組研究中出現(xiàn)至少兩種類型的脂滴蛋白靶向信號：兩親性α螺旋和疏水性β折疊。含有一個或多個兩親性α螺旋的脂滴蛋白，如胞苷三磷酸（CTP） - 磷酸膽堿胞苷轉(zhuǎn)移酶α（CCTα;磷脂酰膽堿合成的限速酶）或蝰蛇毒素（抗病毒蛋白），在細(xì)胞質(zhì)中合成并與之結(jié)合可能是通過結(jié)合在兩親性螺旋1的疏水側(cè)上的脂滴單層。其他蛋白質(zhì)，例如丙型肝炎病毒核心蛋白，具有兩親性螺旋，其在靶向脂質(zhì)之前結(jié)合ER膜雙層液滴單層。是什么導(dǎo)致一些含有兩親性螺旋的蛋白質(zhì)特異性地靶向脂滴并在那里積聚而不是其他細(xì)胞器尚不清楚。目前，尚沒有已知的特定脂滴脂質(zhì)參與蛋白質(zhì)募集，與其他實例相反，例如在內(nèi)吞系統(tǒng)中，其中磷酸肌醇參與蛋白質(zhì)靶向，膜表面張力的改變可用于限制蛋白質(zhì)靶向脂滴[4]。

2? 脂滴的形成與生長

在真核生物中，脂滴是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上形成的。例如，大多數(shù)參與三?；视突蜱薮减ズ铣傻拿付级ㄎ挥贓R（在沒有脂滴的情況下）。此外，電鏡數(shù)據(jù)顯示脂滴與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間結(jié)合緊密。許多蛋白質(zhì)，尤其是含有疏水基的蛋白質(zhì)，在ER和脂滴之間具有雙重定位。最近在酵母中誘導(dǎo)脂滴形成的模型系統(tǒng)提供了更直接的證據(jù)，表明新形成的脂滴起源于這種生物的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。雖然這并不排除在某些條件下來自其他細(xì)胞器的額外來源，現(xiàn)有數(shù)據(jù)強(qiáng)烈表明脂滴的形成是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能[5]。

初始脂滴形成的步驟尚不清楚。在某些時候，生長結(jié)構(gòu)會從ER上萌芽，形成脂滴。在完全脫濕的極端情況下（例如，上蠟汽車表面的水），液體幾乎形成一個球形水滴。這一脫水過程已被廣泛研究，其各方面可能與體外觀察到的雙層膜上脂滴的出芽相對應(yīng)。這樣，通過逐漸減小接觸角，將脂質(zhì)透鏡轉(zhuǎn)化為新生的脂質(zhì)液滴來自雙層的油脫濕過程受雙層膜和成形單層的磷脂組成的影響。在脂滴形成過程中，脂肪酸和DAG可能大量存在，并作為磷脂的助表面活性劑，降低表面張力和彎曲模量，并有利于脂滴發(fā)芽?；谧园l(fā)乳化的脂滴形成模型，其中表面張力降低并且接近于零，預(yù)測所形成的液滴的尺寸范圍為100到300nm。發(fā)芽尺寸是各種參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)反映油與作為基底的單層之間的潤濕特性以及局部表面張力和線張力。調(diào)制這些參數(shù)會導(dǎo)致不同的萌芽尺寸。該模型假定，當(dāng)足夠的三酰甘油積累和足夠的表面活性劑可用于降低表面張力和彈性模量時，脂滴形成是自發(fā)的。它還預(yù)測芽芽脂滴的大小取決于表面活性劑類型。這樣一個純粹的物理過程將有助于解釋為什么脂滴形成不需要單基因產(chǎn)物[6]。

從理論上說，新的脂滴可以從現(xiàn)有的脂滴形成。如果現(xiàn)有脂滴的表面張力充分降低（例如，低于閾值（～0.01mN/m）），則可能自發(fā)形成新的脂滴。在這個過程中，油和表面脂質(zhì)以有利于表面生成或自發(fā)形成新的脂質(zhì)滴的比例存在。更一般地，在三酰甘油和水相之間有效循環(huán)的任何分子都支持自發(fā)液滴的形成。例如，特別是短鏈脂肪酸或醇可能有利于這一過程。

如已經(jīng)觀察到的雙層囊泡形成，蛋白質(zhì)也可能影響表面張力和出芽過程。例如，在脂滴形成期間，脂質(zhì)結(jié)合到一些細(xì)胞中ER的區(qū)域，但不是所有細(xì)胞中的ER區(qū)域，這表明它們可以調(diào)節(jié)出芽過程。可能幫助形成脂滴的其它蛋白質(zhì)是BSCL2（Bernardinelli-Seip先天性脂肪營養(yǎng)不良2型;也稱為seipin）和FIT（脂肪儲存誘導(dǎo)跨膜）蛋白質(zhì);這些ER蛋白具有不清楚的分子功能及其顯著缺陷。目前尚不清楚不同中性脂質(zhì)（例如，三酰甘油、甾醇酯或視黃醇酯）是否以類似的方式形成脂質(zhì)滴。細(xì)胞中存在不同類型的脂滴，它們優(yōu)先含有甾醇酯或三酰甘油，這提示了不同的來源。我們推測一些甘油三酯?？赡苄枰诤薮减サ闹沃斜３忠合嗵幱谏頊囟龋ó?dāng)純甾醇酯為固體時）。此外，在含甘油三酯的脂滴中，亞種群在初始形成后擴(kuò)大[7]。這個過程是通過在三酰甘油合成的連續(xù)步驟中催化的一組酶的重新定位介導(dǎo)的，這些酶包括甘油3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶4（GPAT4）、1-?；视?-磷酸O-?；D(zhuǎn)移酶3（AGPAT3）和二?；视蚈-酰基轉(zhuǎn)移酶2（2）DGAT2）。脂肪?；鵆oA合成酶已定位于脂滴，并可能參與生成所需的脂肪?；鵆oA分子。在脂滴上，這些酶一起局部生成三酰甘油，這導(dǎo)致這些脂滴隨時間的線性體積膨脹。

3? 脂肪分解的機(jī)制

大多數(shù)關(guān)于脂滴分解過程的信息，即脂解作用，都是從脂肪細(xì)胞的研究中獲得的。在脂肪細(xì)胞中，脂肪酸作為組織（如骨骼肌和心臟）的燃料從細(xì)胞中釋放出來。在脂滴處，三?；视偷捻樞蛩庥扇N脂肪酶的順序作用催化。脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL;也稱為PNPLA2）優(yōu)先從三酰甘油的sn2位去除脂肪酸，從而產(chǎn)生DAG。隨后，激素敏感脂肪酶（HSL）將DAG水解為單酰甘油（MAG）和脂肪酸。在最后步驟中，MAG由MAG脂肪酶（MGL）水解成甘油和脂肪酸。甾醇酯也由HSL水解。然而，其他羧酸酯酶脂肪酶（如CES1或CES3）已被建議催化該反應(yīng)。這些酶在體內(nèi)的相對貢獻(xiàn)仍在爭論中[8]。ATGL和HSL組成性地定位于脂滴。除了它們的脂肪酶結(jié)構(gòu)域外，它們還具有介導(dǎo)脂滴靶向的疏水性延伸。在HSL中，前300個氨基酸負(fù)責(zé)脂滴結(jié)合。ATGL中的疏水性伸展位于其C端并介導(dǎo)其與脂滴的關(guān)系。目前尚不清楚脂肪酶，如ATGL，如何進(jìn)入油相的脂滴和三酰甘油底物。有趣的是，ATGL在脂滴中的定位需要ADP核糖基化因子1（ARF1）-COPI機(jī)制。從ARF1-COPI蛋白在從高爾基體到ER的逆行囊泡運輸中的典型功能來看，這些蛋白可能介導(dǎo)ATGL在囊泡中從供體膜向脂滴的轉(zhuǎn)運?；蛘?，由于在脂滴上觀察到ARF1-COPI，這些蛋白質(zhì)可能直接作用于其表面，改變其表面性質(zhì)并間接調(diào)節(jié)ATGL靶向性。ARF1-COPI蛋白從磷脂單層界面形成納米脂質(zhì)滴（～60nm），這支持了這些蛋白在調(diào)節(jié)脂質(zhì)滴表面性質(zhì)方面的可能功能[9]。

脂肪分解在脂肪細(xì)胞中受到嚴(yán)格控制（見文獻(xiàn)）。激素刺激（例如，通過β腎上腺素能受體）介導(dǎo)環(huán)腺苷酸（cAMP）和蛋白激酶A（PKA）依賴性HSL的磷酸化和活化。這些激酶也在脂滴上磷酸化PielPIN 1。磷脂蛋白1的磷酸化釋放與脂滴相關(guān)蛋白CGI 58的相互作用，該蛋白可用于激活脂滴上的ATGL。CGI58依賴性激活A(yù)TGL的機(jī)制尚不清楚，但可通過改變脂滴的表面性質(zhì)來介導(dǎo)，從而使得三酰甘油底物可用于脂肪酶。這個假說可以解釋為什么ATGL特別需要一個輔助因子來獲得三酰甘油。相比之下，其他脂肪酶的底物，如HSL和MGL（分別是DAG和MAG），可以很好地分割為單層。MAG比三酰甘油可溶的DAG更多地分配到單層，這可以解釋為什么MGL不需要結(jié)合脂滴，而是存在于細(xì)胞質(zhì)中[10]。

與脂肪細(xì)胞不同，在其他組織中甘油三脂的動員少得多。在高能量需求的細(xì)胞中，動員的脂肪酸可以直接氧化產(chǎn)生ATP。例如，肌肉細(xì)胞產(chǎn)生大量的代謝能，在這些細(xì)胞中，脂滴和線粒體之間的接觸部位。對脂肪酸的氧化起重要作用。最近，一種脂滴蛋白perilipin 5（也稱為OXPAT）被牽涉到建立線粒體和ER之間的密切接觸。這種蛋白如何與線粒體結(jié)合，以及接觸位點如何建立或調(diào)節(jié)尚不清楚[11]。

許多組織表達(dá)ATGL、HSL和MGL，但它們通常比脂肪細(xì)胞低得多。通過鑒定PNPLA（patatin like磷脂酶結(jié)構(gòu)域含蛋白A）家族的同源脂肪酶，這表明其他脂肪酶在不同的細(xì)胞類型中具有重要脂解作用。有趣的是，這些脂肪酶之一PNPLA3（也稱為脂聯(lián)素）的多態(tài)性與人類肝臟脂肪變性的發(fā)展密切相關(guān)。然而，目前還不清楚這是由于這種酶作為脂肪酶、?；D(zhuǎn)移酶，還是作為另一種未知的功能[12]。

4? 非規(guī)范脂滴功能

脂滴的獨特結(jié)構(gòu)特征為細(xì)胞提供了兩相（即脂滴表面）和大量有機(jī)相之間可變量的界面。 幾個過程似乎已經(jīng)發(fā)展到利用脂滴的這些獨特特征。 例如，它們的表面可能暫時存儲用于降解的疏水性蛋白質(zhì)，例如含有HMGCoA（3-羥基-3甲基戊二酰輔酶A）還原酶的跨膜結(jié)構(gòu)域[13]。脂滴的表面通?？梢杂米鞯鞍踪|(zhì)的隔離平臺，否則蛋白質(zhì)可能對細(xì)胞有毒，例如組蛋白。它們似乎也可作為瞬時儲存一些含有兩親性螺旋的病毒蛋白的平臺，例如丙型肝炎病毒的核心蛋白，隨后可用于病毒組裝。大量有機(jī)相還可以提供空間來儲存和合成大而笨重的脂質(zhì)代謝中間體，否則會破壞雙層膜。 例如，已經(jīng)在脂滴上發(fā)現(xiàn)了幾種參與合成多糖醇的酶，其在其類異戊二烯鏈中可含有約100個碳。 然而，不了解這些酶定位于脂滴的重要性。 脂滴的疏水核心也可能為疏水性藥物和脂溶性維生素（維生素A，維生素D，維生素E和維生素K）提供重要的儲庫。實際上，這種分配已經(jīng)激發(fā)了三?；视腿橐阂旱蔚脑O(shè)計，作為各種藥物的載體，并且激發(fā)了對三?；视停?，磷脂和衍生物的混合物的相行為的研究[14]。

5? 結(jié)論

控制脂滴生物學(xué)的基本原則仍然不明確。例如，涉及脂滴形成的機(jī)制，靶向脂滴的蛋白質(zhì)以及它們對細(xì)胞器收縮的后果才剛剛開始定義。到目前為止，我們幾乎沒有確定這些反應(yīng)中涉及的關(guān)鍵蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，并且只是開始揭示它們起作用的機(jī)制。 對于許多涉及脂滴的這些和其他生物過程，理解它們由生物物理原理定義的獨特行為是必不可少的。將含有脂滴的細(xì)胞看作水包油乳狀液是一個新興的概念，它允許對脂滴生物學(xué)進(jìn)行新的解釋。軟物質(zhì)物理知識現(xiàn)在才被整合到這個領(lǐng)域，并有望迅速擴(kuò)展我們對脂滴細(xì)胞生物學(xué)和相關(guān)生理過程的理解。

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