脂滴的生物物理学和细胞生物学研究
张来福 尹云厚
【摘? ?要】 最早对脂滴的研究可以追溯到19世纪，Richard Altmann和E.B. Wilson都描述了细胞中的脂肪滴，并推测了它们的起源（Altmann， 1890;威尔逊，1896）。早期，脂滴的高衍射特性为其鉴定提供了便利的光学条件。20世纪初，由于它们被认为是大多数细胞的组成部分，这种细胞器被称为脂质体。然而，在20世纪60年代末，人造脂质体被发明出来，并很快取代了这个名字。从那时起，这种细胞器被有过许多名称，包括脂滴、脂体、脂体、脂滴和脂质体。在植物中，它们通常被称为油体。随着这一领域的迅速发展，它似乎已经定名为“脂滴”。几十年来，除了形态学研究，脂滴的其他方面几乎没有受到关注。1991年，脂肪细胞中与脂滴相关的磷酸蛋白perilipin的发现，引起人们对这种细胞器的新关注。从那时起，关于脂滴的论文数量急剧增加，关于脂滴的功能也逐渐被重视起来。
【关键词】 脂滴;生物物理学;细胞生物学
[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
对许多细胞和有机体来说，环境中的能量供应总在过剩和缺乏之间波动，而储存能量的能力可能提供了一种进化优势。细胞能量主要以三酰甘油的形式储存，三酰甘油是一种疏水、高度还原和浓缩的分子，用于储存能量。在细胞内，能量储存在脂滴中被分隔开。事实上，参与这一过程的最高度专门化的细胞是脂肪细胞，其中脂滴通常占据大部分细胞质。在哺乳动物中，脂滴中的能量储存和分解代谢受激素和信号通路影响。LDs也是生物膜构建模块的存储库，比如磷脂和甾醇。当需要时，这些脂质可以通过分解代谢和脂质在脂滴中的动员而产生。在酵母中，三酰基甘油的水解与细胞周期有关，并伴随着膜的快速膨胀（Kurat et al.， 2009）。通过划分脂质，脂滴缓冲细胞免受过量脂质毒性的影响。例如，巨噬细胞可以吸收大量胆固醇，从而触发内质网应激，最终导致细胞凋亡或坏死而死亡
（Maxfield and Tabas， 2005）。过量的甾醇可以通过转化为甾醇酯并储存在脂滴中来解毒，从而保护细胞免受毒性。类似的通过酯化和分裂成脂滴的缓冲作用可以保护细胞免受其他脂质或亲脂物质的侵害，这些物质可能是过量有毒的（如脂肪酸或视黄醇）。
1? 脂滴在蛋白质中的功能
1.1? 脂滴蛋白质组
除磷脂外，脂滴表面还用蛋白质修饰。蛋白质为脂滴对脂质代谢进行调节，蛋白质组学和细胞生物学分析，重要的标记蛋白已经揭示了在各种细胞类型中数百种脂质滴剂持续蛋白候选物[1]。然而，质谱法对蛋白质组学的敏感性持续增加，这导致在脂滴部分中鉴定的蛋白质的生长列表越来越长。尽管这些研究中的重叠用于鑒定一组核心脂滴蛋白，但很难确定先前通过质谱鉴定的哪种蛋白质是特定细胞类型中的真正脂滴蛋白质，并且是分析的脂滴分数。例如，在黑腹果蝇胚胎中鉴定组蛋白作为脂滴蛋白，虽然这一发现最初遭到了一些怀疑，但出乎意料的是，这种关联是特异性的，由蛋白质受体介导，并且在早期发育过程中对缓冲组蛋白水平具有重要功能。定量蛋白质组学方法的最新进展（如蛋白质相关性分析）测量蛋白质的丰度和富集脂滴部分，而不仅仅是它们的存在，可能克服质谱的局限性，特别是对于低浓度蛋白质或在特定组织细胞类型中表达的蛋白质。在反复的研究中，几十种蛋白质被证实是脂滴蛋白，这些蛋白质具有不同的细胞功能，它们中的许多在脂质代谢中起作用，例如磷脂酰胆碱、甾醇或三酰基甘油的合成或运输。一些不直接参与脂质代谢的蛋白质在控制脂滴表面性质方面具有重要作用。例如，我们提出了通过保护脂滴的三酰基甘油核心不受脂肪酶的影响，来保护脂滴不被脂解[2]。
1.2? 脂滴的蛋白质靶向性
与其他细胞器相比，脂滴表面的独特性质对特定蛋白质靶向具有重要影响。对于双层膜，双层中脂肪酸侧链的限定厚度和疏水性将膜蛋白限制为具有特定结构域的例如跨膜α螺旋和β折叠蛋白。这种在双层两侧具有亲水区的跨膜区段不能作为脂滴蛋白存在，因为这会将至少一个亲水链段置于油相中，这在能量上是不利的[3]。相反，脂质相关蛋白必须与表面单层脂质相互作用，嵌入疏水核心或两者兼有。目前，脂滴蛋白的靶向机制在很大程度上是未知的。然而，从一组研究中出现至少两种类型的脂滴蛋白靶向信号：两亲性α螺旋和疏水性β折叠。含有一个或多个两亲性α螺旋的脂滴蛋白，如胞苷三磷酸（CTP） - 磷酸胆碱胞苷转移酶α（CCTα;磷脂酰胆碱合成的限速酶）或蝰蛇毒素（抗病毒蛋白），在细胞质中合成并与之结合可能是通过结合在两亲性螺旋1的疏水侧上的脂滴单层。其他蛋白质，例如丙型肝炎病毒核心蛋白，具有两亲性螺旋，其在靶向脂质之前结合ER膜双层液滴单层。是什么导致一些含有两亲性螺旋的蛋白质特异性地靶向脂滴并在那里积聚而不是其他细胞器尚不清楚。目前，尚没有已知的特定脂滴脂质参与蛋白质募集，与其他实例相反，例如在内吞系统中，其中磷酸肌醇参与蛋白质靶向，膜表面张力的改变可用于限制蛋白质靶向脂滴[4]。
2? 脂滴的形成与生长
在真核生物中，脂滴是在内质网上形成的。例如，大多数参与三酰基甘油或甾醇酯合成的酶都定位于ER（在没有脂滴的情况下）。此外，电镜数据显示脂滴与内质网之间结合紧密。许多蛋白质，尤其是含有疏水基的蛋白质，在ER和脂滴之间具有双重定位。最近在酵母中诱导脂滴形成的模型系统提供了更直接的证据，表明新形成的脂滴起源于这种生物的内质网。虽然这并不排除在某些条件下来自其他细胞器的额外来源，现有数据强烈表明脂滴的形成是内质网的功能[5]。
初始脂滴形成的步骤尚不清楚。在某些时候，生长结构会从ER上萌芽，形成脂滴。在完全脱湿的极端情况下（例如，上蜡汽车表面的水），液体几乎形成一个球形水滴。这一脱水过程已被广泛研究，其各方面可能与体外观察到的双层膜上脂滴的出芽相对应。这样，通过逐渐减小接触角，将脂质透镜转化为新生的脂质液滴来自双层的油脱湿过程受双层膜和成形单层的磷脂组成的影响。在脂滴形成过程中，脂肪酸和DAG可能大量存在，并作为磷脂的助表面活性剂，降低表面张力和弯曲模量，并有利于脂滴发芽。基于自发乳化的脂滴形成模型，其中表面张力降低并且接近于零，预测所形成的液滴的尺寸范围为100到300nm。发芽尺寸是各种参数的函数，这些参数反映油与作为基底的单层之间的润湿特性以及局部表面张力和线张力。调制这些参数会导致不同的萌芽尺寸。该模型假定，当足够的三酰甘油积累和足够的表面活性剂可用于降低表面张力和弹性模量时，脂滴形成是自发的。它还预测芽芽脂滴的大小取决于表面活性剂类型。这样一个纯粹的物理过程将有助于解释为什么脂滴形成不需要单基因产物[6]。
从理论上说，新的脂滴可以从现有的脂滴形成。如果现有脂滴的表面张力充分降低（例如，低于阈值（～0.01mN/m）），則可能自发形成新的脂滴。在这个过程中，油和表面脂质以有利于表面生成或自发形成新的脂质滴的比例存在。更一般地，在三酰甘油和水相之间有效循环的任何分子都支持自发液滴的形成。例如，特别是短链脂肪酸或醇可能有利于这一过程。
如已经观察到的双层囊泡形成，蛋白质也可能影响表面张力和出芽过程。例如，在脂滴形成期间，脂质结合到一些细胞中ER的区域，但不是所有细胞中的ER区域，这表明它们可以调节出芽过程。可能帮助形成脂滴的其它蛋白质是BSCL2（Bernardinelli-Seip先天性脂肪营养不良2型;也称为seipin）和FIT（脂肪储存诱导跨膜）蛋白质;这些ER蛋白具有不清楚的分子功能及其显著缺陷。目前尚不清楚不同中性脂质（例如，三酰甘油、甾醇酯或视黄醇酯）是否以类似的方式形成脂质滴。细胞中存在不同类型的脂滴，它们优先含有甾醇酯或三酰甘油，这提示了不同的来源。我们推测一些甘油三酯。可能需要在含甾醇酯的脂滴中保持液相处于生理温度（当纯甾醇酯为固体时）。此外，在含甘油三酯的脂滴中，亚种群在初始形成后扩大[7]。这个过程是通过在三酰甘油合成的连续步骤中催化的一组酶的重新定位介导的，这些酶包括甘油3-磷酸酰基转移酶4（GPAT4）、1-酰基甘油3-磷酸O-酰基转移酶3（AGPAT3）和二酰基甘油O-酰基转移酶2（2）DGAT2）。脂肪酰基CoA合成酶已定位于脂滴，并可能参与生成所需的脂肪酰基CoA分子。在脂滴上，这些酶一起局部生成三酰甘油，这导致这些脂滴随时间的线性体积膨胀。
3? 脂肪分解的机制
大多数关于脂滴分解过程的信息，即脂解作用，都是从脂肪细胞的研究中获得的。在脂肪细胞中，脂肪酸作为组织（如骨骼肌和心脏）的燃料从细胞中释放出来。在脂滴处，三酰基甘油的顺序水解由三种脂肪酶的顺序作用催化。脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL;也称为PNPLA2）优先从三酰甘油的sn2位去除脂肪酸，从而产生DAG。随后，激素敏感脂肪酶（HSL）将DAG水解为单酰甘油（MAG）和脂肪酸。在最后步骤中，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）已被建议催化该反应。这些酶在体内的相对贡献仍在争论中[8]。ATGL和HSL组成性地定位于脂滴。除了它们的脂肪酶结构域外，它们还具有介导脂滴靶向的疏水性延伸。在HSL中，前300个氨基酸负责脂滴结合。ATGL中的疏水性伸展位于其C端并介导其与脂滴的关系。目前尚不清楚脂肪酶，如ATGL，如何进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机制。从ARF1-COPI蛋白在从高尔基体到ER的逆行囊泡运输中的典型功能来看，这些蛋白可能介导ATGL在囊泡中从供体膜向脂滴的转运。或者，由于在脂滴上观察到ARF1-COPI，这些蛋白质可能直接作用于其表面，改变其表面性质并间接调节ATGL靶向性。ARF1-COPI蛋白从磷脂单层界面形成纳米脂质滴（～60nm），这支持了这些蛋白在调节脂质滴表面性质方面的可能功能[9]。
脂肪分解在脂肪细胞中受到严格控制（见文献）。激素刺激（例如，通过β肾上腺素能受体）介导环腺苷酸（cAMP）和蛋白激酶A（PKA）依赖性HSL的磷酸化和活化。这些激酶也在脂滴上磷酸化PielPIN 1。磷脂蛋白1的磷酸化释放与脂滴相关蛋白CGI 58的相互作用，该蛋白可用于激活脂滴上的ATGL。CGI58依赖性激活ATGL的机制尚不清楚，但可通过改变脂滴的表面性质来介导，从而使得三酰甘油底物可用于脂肪酶。这个假说可以解释为什么ATGL特别需要一个辅助因子来获得三酰甘油。相比之下，其他脂肪酶的底物，如HSL和MGL（分别是DAG和MAG），可以很好地分割为单层。MAG比三酰甘油可溶的DAG更多地分配到单层，这可以解释为什么MGL不需要结合脂滴，而是存在于细胞质中[10]。
与脂肪细胞不同，在其他组织中甘油三脂的动员少得多。在高能量需求的细胞中，动员的脂肪酸可以直接氧化产生ATP。例如，肌肉细胞产生大量的代谢能，在这些细胞中，脂滴和线粒体之间的接触部位。对脂肪酸的氧化起重要作用。最近，一种脂滴蛋白perilipin 5（也称为OXPAT）被牵涉到建立线粒体和ER之间的密切接触。这种蛋白如何与线粒体结合，以及接触位点如何建立或调节尚不清楚[11]。
许多组织表达ATGL、HSL和MGL，但它们通常比脂肪细胞低得多。通过鉴定PNPLA（patatin like磷脂酶结构域含蛋白A）家族的同源脂肪酶，这表明其他脂肪酶在不同的细胞类型中具有重要脂解作用。有趣的是，这些脂肪酶之一PNPLA3（也称为脂联素）的多态性与人类肝脏脂肪变性的发展密切相关。然而，目前还不清楚这是由于这种酶作为脂肪酶、酰基转移酶，还是作为另一种未知的功能[12]。
4? 非规范脂滴功能
脂滴的独特结构特征为细胞提供了两相（即脂滴表面）和大量有机相之间可变量的界面。 几个过程似乎已经发展到利用脂滴的这些独特特征。 例如，它们的表面可能暂时存储用于降解的疏水性蛋白质，例如含有HMGCoA（3-羟基-3甲基戊二酰辅酶A）还原酶的跨膜结构域[13]。脂滴的表面通常可以用作蛋白质的隔离平台，否则蛋白质可能对细胞有毒，例如组蛋白。它们似乎也可作为瞬时储存一些含有两亲性螺旋的病毒蛋白的平台，例如丙型肝炎病毒的核心蛋白，随后可用于病毒组装。大量有机相还可以提供空间来储存和合成大而笨重的脂质代谢中间体，否则会破坏双层膜。 例如，已经在脂滴上发现了几种参与合成多糖醇的酶，其在其类异戊二烯链中可含有约100个碳。 然而，不了解这些酶定位于脂滴的重要性。 脂滴的疏水核心也可能为疏水性药物和脂溶性维生素（维生素A，维生素D，维生素E和维生素K）提供重要的储库。实际上，这种分配已经激发了三酰基甘油乳液液滴的设计，作为各种药物的载体，并且激发了对三酰基甘油，水，磷脂和衍生物的混合物的相行为的研究[14]。
5? 结论
控制脂滴生物学的基本原则仍然不明确。例如，涉及脂滴形成的机制，靶向脂滴的蛋白质以及它们对细胞器收缩的后果才刚刚开始定義。到目前为止，我们几乎没有确定这些反应中涉及的关键蛋白质和脂质，并且只是开始揭示它们起作用的机制。 对于许多涉及脂滴的这些和其他生物过程，理解它们由生物物理原理定义的独特行为是必不可少的。将含有脂滴的细胞看作水包油乳状液是一个新兴的概念，它允许对脂滴生物学进行新的解释。软物质物理知识现在才被整合到这个领域，并有望迅速扩展我们对脂滴细胞生物学和相关生理过程的理解。
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