鞘脂代谢及其相关疾病研究进展

鞘脂代谢及其相关疾病研究进展林慧珍，苟萍*（新疆大学生命科学与技术学院乌鲁木齐830046）本项目受国家基金资助（项目编号：307601310）(林慧珍，女，1985.9出生，硕士研究生，电子信箱：[e-mail]苟萍，女，1955.8出生，教授，研究方向生物化学与分子生物学,电子信箱：[e-mail].电话：[phone])摘要：鞘脂及其代谢产物不仅是构成细胞膜的重要结构分子，而且参与调节细胞的生长、分化、衰老和细胞程序性死亡等许多重要的信号转导过程，使细胞产生各种不同的生物学功能。本文综述了鞘脂代谢途径的重要酶，鞘脂及其代谢产物的功能，以及它们与相关疾病的研究进展。关键词：鞘脂；神经酰胺；鞘氨醇；鞘磷脂SphingolipidmetabolismandrelateddiseasesresearchprogressLinHuizhenandGouPing*(CollegeofLifeScienceandTechnology,XinjiangUniversity,Urumqi,830046)Abstract：Sphingolipidsandtheirmetabolitesarenotonlyimportantstructuralelementsofthecellmembranebutalsoinvolvedinregulatingcellgrowth,differentiation,senescenceandprogrammedcelldeath,andmanyotherimportantsignaltransduction,whichcellsareconferedavarietyofbiologicalfunctions.Thispaperreviewstheimportanceenzymesinsphingolipidmetabolism,functionsofsphingolipidsandtheirmetabolicproducts,andtheirresearchprogressrelatedtodiseases.KeyWords:Sphingolipids；ceramide；Sphingosine；sphingomyelin0引言随着基因组学和蛋白组学的发展，近年来出现了脂类组学，即研究一个生物体内所有的脂类分子的特性，以及它们在蛋白质表达和基因表达调节过程中的作用。自Thudichum在1884年首次从脑组织中分离得到鞘脂以来，人们较为熟知的是鞘脂是真核细胞膜的主要组成成分,是构成脂质双分子层的重要亚结构，并且在调节脂质双分子层膜的流动性中起十分重要的作用。在过去二十年中对鞘脂的代谢和功能的生物学研究发现鞘脂神经酰胺、神经酰胺-1-磷酸、葡萄糖基神经酰胺、乳糖神经酰胺、半乳糖基神经酰胺、鞘氨醇、鞘氨醇半乳糖苷和1-磷酸-鞘氨醇不仅是鞘脂代谢的无活性前体物质，而且是细胞信号转导过程中扮演着重要角色的效应分子。随着动物和酵母中鞘脂的深人研究，发现鞘脂及其代谢产物神经酰胺、鞘氨醇和1-磷酸鞘氨醇（S1P）等参与调节细胞的生长、分化、衰老和细胞程序性死亡等许多重要的信号转导过程，使细胞产生各种不同的生物学功能。而明确鞘脂的代谢机制也为疾病的治疗奠定了基础，目前国内还对鞘脂引起一些重要疾病的机制的研究还不全面，本文综述了近年来国外对鞘脂与疾病的研究进展。1．鞘脂代谢及其酶类1.1丝氨酸软脂酰辅酶A转移酶（SPT）鞘脂合成的第一步是丝氨酸软脂酰辅酶A转移酶（SPT）催化丝氨酸和棕榈酰CoA缩合，产生3-酮基鞘氨醇（图1）。哺乳动物的SPT存在一次跨膜，而酵母中的SPT跨了3次膜。在所有的生物体，SPT对饱和脂肪酸具有高度选择性，受抑制剂脂黄霉素、嗜热菌杀酵母素、环丝氨酸和一些广谱及特异的抗生素的抑制[4]。1.2酮基还原酶和鞘氨醇激酶第二步反应是酮基还原酶通过辅酶Ⅰ的作用，还原3-酮基鞘氨醇产生二氢神经鞘氨醇。酮基还原酶属于短链脱氢/还原酶家族，该家族在催化部位上存在YXXXK序列（X是任意氨基酸）。催化第一步反应的酶SPT在内质网膜上朝向细胞质的一侧，酮基还原酶的活性位点也朝向细胞质，有利于鞘脂合成的快速进行。通常情况下，鞘氨醇激酶（SPHK）磷酸化二氢神经鞘氨醇生成1-磷酸鞘氨醇。在哺乳动物细胞中已克隆出两种SPHK的异构酶—SPHK1和SPHK2。两者在组织分布、亚细胞定位及生物活性等方面均不同[7]。SPHK1主要存在于细胞质，在特定的激动剂作用下转位到细胞膜上，而SPHK2主要定位于细胞核，可以诱导细胞凋亡。鞘氨醇激酶是维持细胞内鞘脂平衡的重要限速酶[6]。丝氨酸+软酯酰COA3-酮基鞘氨醇酮基还原酶二氢神经鞘氨醇鞘氨醇激酶1-磷酸鞘氨醇二氢神经酰胺合酶二氢神经酰胺二氢神经酰胺脱氢酶神经酰胺神经酰胺激酶1-磷酸神经酰胺神经酰胺酶鞘氨醇鞘磷脂合成酶鞘磷脂糖基神经酰胺合酶葡萄糖基神经酰胺丝氨酸棕榈酰基转移酶图1鞘脂代谢途径Fig.1Sphingolipidsmetabolicpathway1.3二氢神经酰胺合酶第三步反应是二氢神经酰胺合酶催化二氢神经鞘氨醇酰基化产生二氢神经酰胺。近年的研究表明二氢神经酰胺合酶有很多亚型结构存在，都是为了对特异脂酰辅酶A进行选择[8]。由于有多种特异的酶催化该反应，因此推测不同的神经酰胺亚种可能有不同的生物学功能。最近，在酵母的神经酰胺合酶中又发现了一个新的亚基Lip1p，它仅跨内质网膜一次，是保证该酶活性必需亚基。1.4二氢神经酰胺脱氢酶第四步是二氢神经酰胺脱氢酶氧化无活性的二氢神经酰胺形成神经酰胺。这个酶最初是用生物信息学的方法确定的，并在随后的表达研究中被证实[11]。该酶有两种亚型结构，二氢神经酰胺脱氢酶1和二氢神经酰胺脱氢酶2。最近的研究表明人类中该酶的同源蛋白（DEGS-1）的部分缺失会抑制细胞的生长，使细胞周期停留在G0/G1期[12]。抗癌药物芬维A胺和抗糖尿病药物以及一些人工设计的化合物都可以抑制这个酶活性[12,13]。1.5神经酰胺通过上述途径生成的神经酰胺位于鞘脂合成和降解代谢的中心，是最简单的鞘脂，也是合成更复杂鞘脂的通用前体[14]。神经酰胺能被葡萄糖基化、磷酸化或脱酰基化产生一系列代谢产物。神经酰胺主要有四条代谢途径：一是神经酰胺酶催化神经酰胺酰基化形成鞘氨醇和脂肪酸；二是鞘磷脂酶再催化裂解鞘磷脂生成神经酰胺和胆碱。三是神经酰胺激酶催化神经酰胺磷酸化产生1-磷酸神经酰胺；四是葡糖苷神经酰胺合成酶催化神经酰胺产生葡萄糖神经酰胺，它是神经节苷脂类的前体物质。神经酰胺的从头合成发生在内质网的外小叶上，在高尔基体被装配成复杂的鞘脂类。然而，也有一些证据表明鞘脂的代谢也发生在线粒体上。首先，神经酰胺合成和代谢所涉及的一些酶（如神经酰胺合酶、神经酰胺酶、鞘磷脂酶和鞘磷脂合酶）是线粒体膜上固有的酶[15]。第二，离体的线粒体也能产生神经酰胺[16]。第三，炎症细胞因子TNFα能直接刺激线粒体产生神经酰胺[17]。2鞘脂代谢产物功能研究2.1神经酰胺的功能神经酰胺广泛存在于酵母、植物、哺乳动物等真核生物中，主要作为细胞膜中鞘脂的结构单元存在于角质层中细胞膜和细胞间基质中，对细胞稳态起着重要的生理作用[18]。神经酰胺有多种生物学功能：（1）诱导细胞凋亡；（2）在细胞粘合、调节细胞免疫、决定血型方面起着非常重要作用（3）作为癌抗原活化抗癌启动子；（4）调节细胞分化、生长；（5）调节免疫功能和炎症反应等；（6）高效的皮肤保湿剂[19]。大量的研究表明，神经酰胺在许多信号途径中充当第二信使，调控细胞的功能[20]。已经证实神经酰胺可以介导一些拮抗剂引起细胞分化、抑制细胞生长、促进程序性细胞死亡和衰老。在酿酒酵母中，神经酰胺被认为参与了热休克响应、钙离子稳态平衡的调节、细胞周期的调控以及某些膜蛋白的小泡运输。研究表明[21]C2－神经酰胺通过阻滞细胞周期中的G1期而阻止细胞的分裂。内皮细胞是胰岛素的重要靶细胞，存在着独特的胰岛素信号转导IRS-1/P13K（磷脂酰肌醇-3激酶）/PKB/eNOS，最终导致eNOS的活化及NO产生。2.2其他代谢物功能研究神经酰胺在不同类型的细胞中都能促进细胞死亡，但细胞内的1-磷酸鞘氨醇（S1P）却调控刺激细胞生长和抑制细胞程序性死亡的信号途径。神经酰胺和1-磷酸鞘氨醇之间的平衡被称为神经酰胺1-磷酸鞘氨醇变阻器，并且在细胞生长和死亡中维持长期平衡。另有学者认为，细胞凋亡可能是胞内神经酰胺及S1P二者共同作用的结果，不同组织类型的细胞内具有特定的神经酰胺/S1P之比，各种细胞受不同的环境刺激而调节其神经酰胺/S1P的比值，从而决定其存亡的命运[26]。近年发现1-磷酸鞘氨醇能参与调节平滑肌细胞Swiss3T3成纤维细胞、肾小球膜细胞、CHO细胞和鼠的成纤维细胞的生长、分化等过程[27]。1-磷酸鞘氨醇（S1P）在人体巨噬细胞、肥大细胞、树状细胞和血小板等均可产生，在血浆中与白蛋白和脂蛋白（尤其是高密度脂蛋白）紧密相连。S1P可与5个G蛋白偶联受体结合即SlP1（EDGI）、S1P2（EDG5）、S1P3（EDG3）、S1P4（EDG6）及S1P5（EDG8），介导多种细胞功能。S1P既可作用于细胞表面的特定受体，又可作为细胞内的第二信使而发挥其重要的生物学功能，包括细胞增殖、存活、抗凋亡、细胞骨架改变、迁移、血管生成、胚胎发育等。很多实验证实，SIP具有促进气道平滑肌细胞增殖的作用。由于S1P参与Ca2+运动，通过使肌球蛋白轻链激酶磷酸化、应力纤维（stressfiber）形成而引起人气道平滑肌细胞的收缩反应。如果移除细胞外的Ca2+，则能完全阻断人气道平滑肌细胞收缩。实验发现，S1P腹腔注射小鼠可以抑制肿瘤细胞转移，S1P通过与肿瘤细胞膜上的SIP2结合而抑制Rac活性，进而阻止肿瘤转移[28]。S1P类似物FTY720也具有抑制肿瘤生长作用，可能是通过与SIP结合抑制肿瘤周围血管形成而实现的。越来越多的证据显示神经酰胺通路具有潜在的调节血管收缩性和细胞增殖的作用[29]。近年来研究发现，神经酰胺的积聚与代谢综合征（胰岛素抵抗、高血压、动脉粥样硬化）有着密切的关系。神经酰胺在外周组织积聚与胰岛素抵抗的发生及程度存在明显相关性，神经酰胺抑制胰岛素信号转导与活化，参与游离脂肪酸、肿瘤坏死因子（TNF）-α介导的胰岛素抵抗。3鞘脂代谢异常与相关疾病3.1代谢疾病神经酰胺和葡萄糖基神经酰胺在许多组织中只是脂质层中的很小一部分，但他们的积累能引起许多脂类代谢疾病[30]。由于鞘氨基醇主链的形成依赖于饱和脂肪酸的量，所以过量的摄入饱和脂肪酸或者饱和脂肪酸的氧化途径减弱都可能导致鞘脂在组织中的积累。首先，积累的脂肪垫能分泌许多炎症细胞活素类，如：TNFα,IL-1,IL-6，纤溶酶原激活物抑制物1（PAI-1）和C-反应蛋白，这些细胞因子中的大多数能促进脂解作用而导致神经酰胺的积累。此外，一些致病体能选择性的改变代谢途径而促进吸收的脂肪转变成神经酰胺。例如，TNFα通过激活酸性或中性鞘磷脂酶而快速产生神经酰胺和一个慢性的或持久的神经酰胺从头合成效应，TNFα也刺激神经节苷脂类的产生。同样IL-1也是一个有效的神经酰胺诱导剂[12][13]。其次，Flier等[31]最近证明了脂肪酸能激活一些与先天性免疫应答有关的受体类（TLRs），这些受体产生TNFα、IL-6和其他的能产生神经酰胺的细胞活素类。脂多糖（LPS）是革兰氏阴性细菌强烈的免疫原性成分,也是TNFα和IL-6的活化剂。GrzegorzChocian[32]的研究显示，高脂饮食喂养三周能显著引起神经酰胺和鞘磷脂在小鼠肝脏和细胞核中的积累，最终使肝脏褐化而导致脂肪肝。鞘脂及其代谢产物可能参与动脉壁特定细胞的凋亡，介导低密度脂蛋白（LDL）与动脉平滑肌细胞的相互作用；调节血小板激活和凝聚等，与动脉粥样硬化关系密切。由于对控制鞘脂合成和代谢酶的药理抑制学的研究，已经能克隆调节神经酰胺积累的酶的基因，科学家最近已经证明抑制和控制鞘脂合成酶有助于动