動物脂滴結(jié)構(gòu)及功能研究進(jìn)展

羅 強(qiáng)，閆 峻，李 寧，穆淑琴，孫 超*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 動物科技學(xué)院，陜西 楊凌 712100; 2.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜牧獸醫(yī)研究所，天津 300381;3.天津市畜禽健康養(yǎng)殖工程技術(shù)中心, 天津 300381)

長期以來，脂滴被認(rèn)作一種單純儲存中性脂質(zhì)的惰性亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，隨著研究的深入，脂滴的生物學(xué)功能逐漸被發(fā)現(xiàn)，其作為一種活躍的細(xì)胞器引發(fā)人們廣泛的興趣。研究發(fā)現(xiàn)，脂滴不僅參與脂質(zhì)的儲存、代謝和運(yùn)輸?shù)壬磉^程，還與動物體許多代謝性疾病相關(guān)，具有非常重要的研究價值。但是，脂滴與畜禽肉品質(zhì)之間的關(guān)系研究較少。本文綜述了近年來國內(nèi)外脂滴相關(guān)研究進(jìn)展，并對脂滴的生物學(xué)結(jié)構(gòu)、脂蛋白分類、與脂滴有關(guān)的代謝疾病和功能研究等進(jìn)行了歸納，以期為改善畜禽胴體性狀與肉品質(zhì)提供一定的參考意見。

1 脂滴

有關(guān)脂滴(lipid droplets，LDs)的研究最早可追溯到19世紀(jì)，Wilson和Altmann發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中存在脂肪小滴，并推測脂肪小滴的來源。起初稱其為脂質(zhì)體，20世紀(jì)60年代，伴隨著人造脂質(zhì)體的發(fā)明，這種細(xì)胞器的名稱不斷改變，包括脂質(zhì)體、脂體及脂滴。隨著對它的不斷深入研究，學(xué)術(shù)界最終將它定名為“脂滴”。脂滴是在動物脂肪組織中廣泛存在的一種非靜態(tài)細(xì)胞器，主要由一些位于中心位置的中性脂質(zhì)和外周包裹的磷脂單分子層構(gòu)成。中性脂質(zhì)一般包括甘油三酯、膽固醇酯等。同時，在磷脂分子層中鑲嵌著許多功能性蛋白，如PLIN(Perilipin)等脂滴蛋白(見圖1)。

圖1 脂滴的基本結(jié)構(gòu)[6]Fig.1 The basic structure of lipid droplets

脂滴可調(diào)節(jié)控制體脂貯存，參與調(diào)控脂質(zhì)代謝和運(yùn)輸、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及細(xì)胞骨架形成等多個生理過程，比如參與調(diào)節(jié)甘油三酯的合成與降解、膽固醇代謝和花生四烯酸代謝。真核細(xì)胞的細(xì)胞類型、饑餓狀態(tài)以及生理?xiàng)l件等因素決定了宿主利用脂滴中脂質(zhì)的方式，主要包括脂解和脂滴自噬這兩種途徑。在哺乳動物脂肪細(xì)胞中，細(xì)胞內(nèi)能量和激素水平的變化激活脂解作用，引發(fā)激素敏感性脂肪酶 、甘油三酯脂肪酶和單酰甘油脂肪酶這3種脂肪分解酶的瞬時活化，從而協(xié)調(diào)三酰甘油 (triacylglycerols, TAGs)水解產(chǎn)生能量。脂滴包被蛋白定位于脂滴表面并保護(hù)TAG免受細(xì)胞質(zhì)脂肪酶的降解，當(dāng)機(jī)體處于饑餓狀態(tài)時，脂滴包被蛋白會通過自噬作用促進(jìn)脂質(zhì)降解。營養(yǎng)缺乏、病毒感染和甾醇消耗等因素，均可引發(fā)自噬從而導(dǎo)致脂滴降解。

2 脂滴的形成

脂滴核心形成機(jī)制到目前為止還不完全清楚。目前比較經(jīng)典的模型是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出芽模型。該模型認(rèn)為：新合成的中性脂質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)磷脂雙分子層中積累，逐漸積累的中性脂質(zhì)促使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜芽包狀結(jié)構(gòu)形成，通過蛋白間的相互作用啟動出芽過程，從而與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜表面分離、脫落，最終形成細(xì)胞內(nèi)游離的脂滴。此外，還有其他2種脂滴起源模型同樣引起人們關(guān)注。其中一種模型提出脂滴來源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上雙分子膜切除，新合成的中性脂質(zhì)積累引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的膨脹，隨后整個脂滴被蛋白酶體切除，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上留下一個瞬態(tài)孔，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)物質(zhì)可能通過這個孔泄露到細(xì)胞質(zhì)中。另外一種模型稱為水泡式出芽，脂滴最初利用機(jī)械分泌囊泡的途徑在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上形成一個小雙分子層囊泡。這個過程發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的特殊區(qū)域，新生的小泡隨后綁定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，在相關(guān)酶的作用下，中性脂質(zhì)填充到膜內(nèi)空間，形成完整的脂滴結(jié)構(gòu)。

3 脂滴蛋白分類

伴隨著脂滴分離純化技術(shù)的逐漸成熟和定量蛋白質(zhì)組學(xué)以及比較蛋白質(zhì)組學(xué)的快速發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)脂滴表層鑲嵌覆蓋著許多脂滴蛋白，如PLIN蛋白，Rab蛋白等。盡管在不同的物種中所發(fā)現(xiàn)的脂滴蛋白于種類和數(shù)量上不盡相同，但這些蛋白在功能上具有較為統(tǒng)一的分類學(xué)一致性，大體可以分為以下幾類：第1類為脂滴結(jié)構(gòu)的維持蛋白，特定物種在缺少某些蛋白的情況下，脂滴會出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，例如高等動物細(xì)胞中的PLIN家族蛋白及Oleosin類蛋白等。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的骨架蛋白都與脂滴相關(guān)，例如肌動蛋白，微管蛋白和肌球蛋白等，同時還有一些蛋白質(zhì)可能支持脂滴的運(yùn)動，例如哺乳動物細(xì)胞以及果蠅胚胎中的脂滴能表現(xiàn)出一定的運(yùn)動性，它能驅(qū)動動力馬達(dá)蛋白沿著微管移動；第2類主要為脂質(zhì)合成代謝酶類，例如DGAT (Diacylglycerol Acyltransferase)酶類和ATGL(Adipose triglyceride Lipase)酶類，它們分別與甘油三酯合成和脂質(zhì)水解相關(guān)；第3類主要為膜轉(zhuǎn)運(yùn)類蛋白以及與動態(tài)變化相關(guān)的蛋白，這些蛋白表明脂滴可能通過分裂或融合的機(jī)制來改變自身的大小，并可進(jìn)一步與其它細(xì)胞器相互作用，調(diào)控細(xì)胞內(nèi)囊泡出芽、轉(zhuǎn)運(yùn)和融合等過程, 這些蛋白包括有Rab (small GTP-binding protein)類等；第4類主要為信號分子類蛋白，這些酶類的發(fā)現(xiàn)證明脂滴有可能起到某些信號傳遞的功能，例如RalA (Ras-like-small GTPases)、RAP (Ras-Proximate)和其它幾種蛋白激酶類；第5類主要為蛋白降解的酶類，預(yù)示脂滴有可能負(fù)責(zé)部分蛋白的降解工作，例如UBXD(Ubiquitin-like-domain)系列和AUP (Ancient Ubiquitous Protein)系列蛋白；第6類主要為核糖體蛋白，許多蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了核糖體的脂滴定位蛋白質(zhì)，這表明脂滴可能與蛋白質(zhì)翻譯有關(guān)。

4 脂滴重塑

脂滴在感受營養(yǎng)、信號、應(yīng)激以及活性代謝產(chǎn)物的動態(tài)變化中，其單層磷脂膜結(jié)構(gòu)、膜表面調(diào)節(jié)脂滴發(fā)育和脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵酶組成會發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)脂滴代謝，促進(jìn)脂滴融合或分解，從而使脂滴在數(shù)量、大小以及脂滴內(nèi)容物的組成上發(fā)生變化，稱之為脂滴重塑。

4.1 脂滴融合

在脂肪細(xì)胞分化過程中，許多小脂滴會結(jié)合形成一個大脂滴，占據(jù)脂肪細(xì)胞大部分體積。脂滴有2種融合機(jī)制。一種融合機(jī)制為脂質(zhì)通過擴(kuò)散從小脂滴轉(zhuǎn)移到較大脂滴，這個過程需要兩脂滴緊密結(jié)合，這時DNA斷裂因子相似蛋白(cell-death-inducing DNA-fragmentation-factor-like effector,CIDE)家族便發(fā)揮了重要作用，包括CIDEC/Fsp27。另外一種機(jī)制為兩脂滴直接融合，而沒有從小脂滴向大脂滴轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。通常，脂滴表面上的磷脂表面活性劑會阻止脂滴的融合，如果磷脂成分發(fā)生變化，表面張力減小，脂滴會自發(fā)融合。當(dāng)前第一種融合機(jī)制為一大研究熱點(diǎn)。脂滴在脂滴接觸位點(diǎn)(LDCS)募集CIDE和Rab8a形成穩(wěn)定蛋白復(fù)合物，通過PLIN1的調(diào)節(jié)出現(xiàn)穩(wěn)定的融合孔，從而使脂質(zhì)從較小LD轉(zhuǎn)移到較大LD，最終完成脂滴的融合，該過程受多種因素影響，如內(nèi)部壓力等。

Gong等研究發(fā)現(xiàn)，CIDE蛋白在脂滴接觸位點(diǎn)富集，該靶向作用取決于其C端附近的疏水區(qū)域(aa 136-217)。Rab蛋白作為一種膜動力學(xué)的重要調(diào)節(jié)劑，在CIDE介導(dǎo)的脂滴融合過程中起到正調(diào)節(jié)作用，Rab8a與酶激活蛋白形成調(diào)節(jié)電路，動態(tài)控制CIDE介導(dǎo)的脂滴融合及生長。Sun等研究表明，PLIN1是增強(qiáng)CIDE活性的調(diào)節(jié)因子，PLIN1可以通過擴(kuò)大孔徑或增加脂滴的表面張力來促進(jìn)CIDE介導(dǎo)的脂滴融合，他們發(fā)現(xiàn)，PLIN1與CIDE的相互協(xié)同會提高脂質(zhì)轉(zhuǎn)移和脂滴融合的效率，而敲除脂肪細(xì)胞中PLIN1基因的表達(dá)，則導(dǎo)致脂滴融合和生長速率的顯著降低。

CIDE介導(dǎo)的脂質(zhì)轉(zhuǎn)移和脂滴融合在細(xì)胞中是一個獨(dú)特的過程，它不同于其他類型的膜融合，例如囊泡融合，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)融合和線粒體融合等。囊泡融合是一種脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)快速融合的過程，它會在短時間內(nèi)形成臨時融合孔，并較快地混合兩個囊泡的內(nèi)容物。然而，CIDE介導(dǎo)的脂滴融合過程較慢，該過程取決于脂滴的尺寸大小和融合孔徑。融合過程中孔徑是由CIDE、Rab8a及PLIN1共同調(diào)節(jié)的(圖2)。脂質(zhì)轉(zhuǎn)移的方向是從小脂滴到大脂滴，該過程取決于內(nèi)部壓力差，內(nèi)部壓力差受脂滴大小和彼此接觸的兩個脂滴間的表面張力控制。

圖2 CIDE介導(dǎo)的脂滴融合模型[32]Fig.2 CIDE-mediated lipid droplets fusion model

4.2 脂滴分解

Nagy等研究指出，脂滴在分解過程中會變成“啞鈴”形，該形態(tài)可能是脂滴分解的一種過渡形態(tài)。脂滴分解最初是在3T3-L1脂肪細(xì)胞PKA激活/脂解反應(yīng)中提出，隨后研究發(fā)現(xiàn)，脂滴分解過程中“微脂滴”的出現(xiàn)意味著脂肪酸從大脂滴中釋放出來，從而形成小脂滴。脂肪細(xì)胞中小脂滴的形成取決于DGAT1，并且在保護(hù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)免受脂毒性應(yīng)激的影響。脂滴重塑對脂質(zhì)代謝有重要影響，但缺乏直接證據(jù)證明在哺乳動物細(xì)胞中是否發(fā)生真正的脂滴分解。

5 脂滴與細(xì)胞器作用

脂滴可以與其他多種細(xì)胞器緊密接觸，膜接觸部位是細(xì)胞器之間交流和代謝物交換的關(guān)鍵部位，具有十分復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)(圖3)。最近國外研究者通過使用多維光譜成像研究發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)記后的5種細(xì)胞器(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、高爾基體、過氧化物酶體和溶酶體)中存在脂滴移動現(xiàn)象。當(dāng)追蹤脂滴并繪制其與5種細(xì)胞器接觸時間變化過程中，一些脂滴僅需要5 min就可以碰到其他每個做標(biāo)記的細(xì)胞器，而有些脂滴5 min內(nèi)僅與一個或者兩個細(xì)胞器接觸。目前尚不清楚這些差異是否和脂滴的成熟階段有關(guān)。對于脂滴與其他細(xì)胞器接觸部位存在什么類型的蛋白質(zhì)或脂質(zhì)交換，有待進(jìn)一步研究。

圖3 脂滴與細(xì)胞器接觸空間結(jié)構(gòu)圖[37]圖像顯示為脂滴(藍(lán)色)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(黃色)、線粒體(綠色)、高爾基體(紅色)、溶酶體(品紅色)和過氧化物酶體(青色)之間的接觸。標(biāo)尺為2 μmFig.3 Structure diagram of the contact space between lipid droplets and organelles Images shown are contacts between LDs (blue) and ER (yellow), mitochondria (green),golgi (red), lysosomes (magenta), or peroxisomes (cyan). Scale bar=2 μm

6 脂滴在動物組織中的功能

近期研究表明，脂滴不僅存在于脂肪組織，它在動物機(jī)體各個器官組織中均有表達(dá)，Yan等已經(jīng)從不同的組織、細(xì)胞中分離純化出了脂滴，并對脂滴進(jìn)行蛋白組學(xué)研究，到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的哺乳動物脂滴蛋白有120多種，并且其中一些蛋白已經(jīng)被證明與脂滴的重塑有關(guān)，這表明脂滴可以調(diào)節(jié)體內(nèi)的脂質(zhì)平衡，在動物組織中發(fā)揮不同的功能。

6.1 脂滴在動物脂肪組織中的功能

脂滴在動物脂肪組織中的主要功能是以甘油三酯(TGs)的形式儲存脂肪，提供能量。機(jī)體脂肪組織中存在白色脂肪和棕色脂肪，動物機(jī)體會根據(jù)其所需要來提供脂肪酸，然后脂肪酸在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小葉表面合成TG，從而進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小葉內(nèi)部，隨著TG量的積累，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)小葉從盤狀逐漸形成球狀，積累到一定程度，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)完全脫離，成為新生脂滴。新生小脂滴逐漸聚集成大脂滴，使得細(xì)胞的大部分空間達(dá)到充盈狀態(tài)，這時形成的單室脂肪細(xì)胞便為成熟的脂肪細(xì)胞。

6.2 脂滴在肝臟組織中的功能

動物體內(nèi)脂肪的合成主要在肝臟，肝臟細(xì)胞內(nèi)充滿大小不等的脂滴。當(dāng)動物體肝臟中脂肪合成速率與脂肪消耗速率不等時，會發(fā)生肝臟脂肪代謝紊亂，倘若脂肪合成速率大于脂肪消耗速率，會導(dǎo)致肝臟脂肪發(fā)生變性反應(yīng)，產(chǎn)生脂肪肝。甘油三酯在細(xì)胞內(nèi)的大量積聚，會導(dǎo)致代謝障礙的發(fā)生。肝臟中甘油三酯的累積，也就是肝脂肪變性，是動物機(jī)體發(fā)生脂肪性肝病的第一階段。更有甚者，在一定條件下，脂肪變性與炎癥反應(yīng)相互作用，可導(dǎo)致肝硬化以及肝癌的發(fā)生。

6.3 脂滴在肌肉組織中的功能

在肌肉組織中，脂肪同樣大量存在。脂滴作為脂肪的儲存器官，大量充斥在肌內(nèi)脂肪和肌間脂肪中。隨著對脂滴蛋白基因的不斷深入了解，有研究者通過分子生物學(xué)方法對肌肉組織脂蛋白中的PLIN蛋白展開生物學(xué)特性研究。Elmowafy等研究發(fā)現(xiàn)，PLIN基因?qū)ωi胴體性能及肉品質(zhì)有顯著影響，通過對豬進(jìn)行PLIN基因的單核酸多態(tài)性位點(diǎn)篩選，發(fā)現(xiàn)PLIN2基因位于QTL(quantitative trait locus，數(shù)量性狀基因組)區(qū)域內(nèi)，該基因與豬胴體瘦肉率及脂肪含量有密切關(guān)系，通過記錄試驗(yàn)豬生產(chǎn)數(shù)據(jù)及胴體數(shù)據(jù)，結(jié)果表明PLIN基因?qū)ωi肌肉的生長發(fā)育有直接影響。Alejandra等研究表明，PLIN基因的表達(dá)變化與小鼠體內(nèi)肌內(nèi)脂肪含量密切相關(guān)，PLIN基因在脂肪沉積和分解中發(fā)揮重要作用。

6.4 脂滴在生殖器官中的功能

脂滴在動物機(jī)體性腺細(xì)胞中廣泛存在，一般直徑較小，在胞漿內(nèi)不均勻分布，同時脂滴會為性腺細(xì)胞中甾體激素合成提供原料。甾體激素是一種脂溶性激素，是性激素的前體物質(zhì)。在雌性動物體中，最終會通過一系列合成反應(yīng)生成雌激素，以膽固醇為原料通過縮短側(cè)鏈，生成孕酮或孕烯醇酮，繼續(xù)縮短側(cè)鏈后衍變?yōu)樾奂に?，再通過A環(huán)芳香化生成最終產(chǎn)物雌激素。

7 脂滴與肉品質(zhì)

當(dāng)今，肉類成為人類的主要飲食。肉的品質(zhì)高度依賴于脂肪含量和分布，脂肪細(xì)胞中脂滴數(shù)量水平與脂肪含量相互關(guān)聯(lián)，畜禽外周組織的脂滴變化與肉品質(zhì)直接相關(guān)。近年來，人們對如何調(diào)控肉類的脂肪酸組成越來越感興趣。由于肉類是人們攝入脂肪、尤其是飽和脂肪酸的主要來源，而飽和脂肪酸與人類健康密切相關(guān)，容易引發(fā)各種癌癥及冠心病等疾病。因此提高肉品質(zhì)中的不飽和脂肪酸含量，是一大研究熱點(diǎn)。同時，不飽和脂肪酸與肉品質(zhì)也密切相關(guān)，肉食在烹飪過程中，脂肪酸氧化產(chǎn)物與磷脂發(fā)生美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生具有揮發(fā)性的物質(zhì)，從而產(chǎn)生風(fēng)味，這一反應(yīng)通過降低含硫化合物的含量及產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)從而改善肉品質(zhì)，提高風(fēng)味。而且，脂滴是由磷脂和中性脂質(zhì)構(gòu)成，而磷脂就富含多不飽和脂肪酸，如亞麻酸、花生四烯酸等，而且中性脂質(zhì)與肉品質(zhì)的嫩度和多汁又有關(guān)系，因此，通過營養(yǎng)及生理手段調(diào)節(jié)畜禽肌肉及脂肪組織中的脂滴變化，使得脂滴在大小或數(shù)量上有一個改變，從而影響畜禽胴體性能及肉品質(zhì)。

8 總結(jié)與展望

本實(shí)驗(yàn)室先前已經(jīng)做了許多脂滴相關(guān)試驗(yàn)，成功分離與純化了豬骨骼肌內(nèi)脂滴，并獲得形態(tài)完整且純度較高的肌內(nèi)脂滴，為進(jìn)一步研究不同品種肥育豬不同組織內(nèi)脂滴蛋白質(zhì)組和脂質(zhì)組差異化關(guān)聯(lián)分析奠定基礎(chǔ)。研究中還發(fā)現(xiàn)飼料中添加40 mg/kg肉桂醛(中草藥提取物)，飼喂60 d后，顯微鏡觀察豬皮下脂肪組織抹片，肉桂醛處理組皮脂脂滴較小，對照組皮脂中存在較多類似“出芽的馬鈴薯”的大脂滴結(jié)構(gòu)，大脂滴上清晰可見正在融合的小脂滴，由此初步推測肉桂醛可能通過某種機(jī)制抑制小脂滴的融合，從而影響大脂滴的生成，最終導(dǎo)致體脂的降低，接下來本實(shí)驗(yàn)室會在分子水平下對脂滴重塑進(jìn)行研究，探究其具體的分子機(jī)制。

未來關(guān)于脂滴代謝調(diào)控畜禽胴體性狀及肉品質(zhì)的研究將會成為一個熱點(diǎn)話題。脂滴重塑在細(xì)胞脂質(zhì)動態(tài)平衡的維持發(fā)揮重要作用，脂滴蛋白作為影響脂滴代謝的分子開關(guān)，其表達(dá)水平可調(diào)控脂滴的形態(tài)大小及數(shù)量，改變脂肪細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。脂滴蛋白可成為脂肪代謝調(diào)控的潛在靶點(diǎn)，為優(yōu)化體脂沉積提供新途徑。通過分子育種、營養(yǎng)生理調(diào)控等手段調(diào)節(jié)肌肉及脂肪組織中脂滴蛋白的表達(dá)，進(jìn)而改善畜禽胴體性能及肉品質(zhì)，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)動物畜產(chǎn)品，提高動物產(chǎn)品附加值提供廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。