脂肪水解与脂肪信号

(南华大学医学院生理学教研室,湖南衡阳421001)

脂肪水解是指甘油三酯(triacylglycerols,TG)(即通常所谓的脂肪)的水解。根据水解部位不同,脂肪水解分为胃肠道脂肪水解、血管脂肪水解和细胞内脂肪水解,它们分别介导饮食脂肪的分解代谢、血液中脂蛋白相关TG的水解、细胞内脂滴(lipid droplets,LDs)TG的降解。脂肪水解具有普遍性,几乎存在于所有组织和细胞,尤其是储存TG的脂肪组织。TGs水解产生非酯化脂肪酸,常用作能量底物、脂质和膜合成的必需前体物及细胞信号过程的介导因子,在脂质和能量稳态的维持中发挥重要作用。近几年来在脂肪水解方面取得了一些重要新发现,包括脂肪组织甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)、ATGL辅激活因子比较基因鉴别-58(comparative gene identification-58,CGI-58)及ATGL抑制因子G0/G1转换蛋白2(G0/G1 switch protein 2,G0S2)等。新发现进一步加深了我们对脂肪水解的理解及其与细胞信号和疾病之间的联系。

1 脂肪水解

1.1 中性脂肪酶介导的脂肪水解

中性脂肪酶催化水解TG释放非酯化脂肪酸(fatty acids,FA)和甘油需要三个保守过程,主要涉及三种不同的脂肪酶。首先,在ATGL的催化作用下TG转化为二酰基甘油酯(diacylglycerols,DG);其次,DG在HSL作用下水解生成单酰基甘油酯(monoacylglycerols,MG);最后,MG脂肪酶(MG lipase,MGL)水解MG。

1.1.1 ATGL及其调节 2004年三组科学家[1-3]独立鉴别出同一种TG水解酶,分别称为ATGL[1]、desnutrin[2]和磷脂酶 A2ζ[3]。ATGL属于含 patatin结构域蛋白家族,其官方命名为含patatin样磷脂酶结构域蛋白A2(patatin-like phospholipase domain-containing protein A2,PNPLA2)。

ATGL表达和酶活性的调节是复杂的[4]。过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferatoractivated receptor,PPAR)激动剂、糖皮质激素和空腹可使ATGL mRNA表达升高,而胰岛素和食物摄入可降低其表达。研究表明哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)复合物 1-依赖信号可降低ATGL mRNA水平[5]。沉默调节因子1(Sirtuin type 1,SIRT1)-介导去乙酰化活化叉头框蛋白(Forkhead box protein O1,FoxO1)可增加ATGL mRNA水平并刺激脂肪水解[6]。

ATGL发挥完全水解酶活性需要一种辅激活蛋白,即比较基因鉴别-58(comparative gene identification-58,CGI-58)[7]。LD-相关蛋白参与CGI-58介导调节ATGL。在非激素刺激的白色和棕色脂肪细胞中,perilipin-1与CGI-58相互作用,阻止它与ATGL结合,因而诱导ATGL活性。一旦受到β肾上腺素刺激,蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)使perilipin-1多个位点磷酸化(包含S517),释放CGI-58,诱导ATGL活性[8]。最新数据表明perilipin5参与LD和线粒体的相互作用,并抑制ATGL介导TG水解[9]。

此外,研究显示G0S2作为ATGL的一种特殊肽抑制剂,调节其活性[10]。有报道色素上皮细胞源因子(pigment epithelium-derived factor,PEDF)通过ATGL诱导脂肪组织、肌肉和肝脏的TG水解[11]。尽管这种机制仍有待于阐明,但PEDF介导ATGL的激活可能涉及到胰岛素抵抗、肝硬化的病理发生发展。

1.1.2 激素敏感脂肪酶(hormone-sensitive llpase,HSL)及其调节 HSL是脂肪组织和许多非脂肪组织储存脂肪分解代谢的关键限速酶。功能研究描绘出HSL的N端脂质结合区域、α/β水解酶折叠结构域包括催化活性的三元结构、调节组件包括所有已知磷酸化位点[12]。HSL主要水解DG,其次也还水解许多其他脂质(如TG、MG、胆固醇酯和视黄酯)和短链碳酸酯的酯键[13]。

HSL与ATGL的调节具有许多相似性。在脂肪组织中,β-肾上腺素激动剂可强烈诱导HSL酶活性,而胰岛素则具有强烈的抑制作用。然而这两种脂肪酶的酶调节机制则显著不同。HSL主要受PKA催化磷酸化调节,此外还受其他激酶如AMPK、细胞外信号调节激酶、糖原合酶-4和Ca2+/钙调蛋白依赖性激酶磷酸化调节[4]。HSL酶活性的完全激活,需要perilipin-1介导其进入LD。PKA磷酸化perilipin-1的6个共有序列丝氨酸残基,HSL结合到perilipin-1的N端区域,因而获得进入LD的途径[14]。

1.1.3 MGL及其调节 MGL被认为是MG降解的限速酶。MG来源于细胞外TG的水解(LPL介导)、细胞内TG的水解(ATGL和HSL介导)和细胞内磷脂的水解(磷脂酶C、膜相关DG脂肪酶α和β介导)。最新研究结果表明MGL的晶体结构问题已得到解决[15]。这种酶具有典型的α/β水解酶折叠,二聚物晶体结构,含有一个抵达催化位点的宽阔疏水途径。一个非极性螺旋结构域lid覆盖于活性位点,并介导MGL与膜结构的相互作用和底物的募集。

1.2 自噬和酸性脂肪酶介导脂肪水解

除中性脂肪酶介导脂肪水解外,溶酶体中的主要酸性脂肪酶(lysosomal acid llpase,LAL)也可催化水解TG和胆固醇酯。LAL主要催化降解脂蛋白相关脂质及它们受体介导的溶酶体内吞和融合。大分子自噬是一种降解多余或受损细胞器及细胞质内涵物如误折叠蛋白聚合物的溶酶体途径[16]。在高脂饲喂肥胖小鼠中,Singh等[17]发现LD的自噬需要禁食诱导鼠类肝脏和肝细胞的脂肪水解,删除自噬相关蛋白7(autophagy-related protein 7,Atg-7)可引起肝脏脂质蓄积。Hotamisligil及其同事[18]报道ob/ob小鼠肝脏Atg7表达严重受损而且肝脏脂肪变性,特异性恢复肝脏Atg7表达可减少肝脏脂质蓄积。Atg-7缺陷小鼠脂肪组织的分析结果显示自噬在脂质生成也发挥作用[19]。总之,自噬可能在脂质代谢中具有多种作用,与细胞或组织类型有关。在肝脏中,高脂饮食或长时饥饿条件下自噬促进脂肪分解。相反,在正常饥饿情况下自噬可能会促进脂质堆积。在WAT中自噬似乎参与脂肪和脂肪生成,但不参与脂肪分解。自噬在其他具有脂肪水解活性的组织如肌肉、巨噬细胞和生成固醇类细胞中的降解脂肪的作用仍有待明确。

2 脂肪水解在脂质介导信号中的作用

当人们注意到细胞TG含量增加与骨骼肌、肝脏胰岛素抵抗强烈相关时,中性脂质代谢在信号获取中的作用引起了研究者的极大兴趣[20]。TG的相对惰性性质使得它们不可能直接干预胰岛素信号,提示可能其水解产物参与了胰岛素信号的调节。研究显示缺乏ATGL的小鼠虽然可在骨骼肌、心肌组织、肝脏、肾脏和巨噬细胞等多种组织细胞中蓄积大量脂肪,但显示胰岛素敏感性增加[21]。这些发现表明脂肪水解与细胞信号介导密切相关。

2.1 脂肪水解源性FAs与PPAR信号

除了作为高效能量物质和其他脂质前体外,FAs还直接参与细胞信号通路和调节基因转录。FAs或FA衍生物可结合和激活核受体转录因子家族成员,控制涉及脂质和能量稳态、炎症的基因表达。目前研究最好的FA激活核受体家族成员为PPARs。PPARs的完整转录活性需要结合同源脂质配体,与其他核受体(视黄醇类X受体,retinoid-X receptor,RXR)形成异二聚体,并与许多转录辅激活因子包括PPARγ辅激活因子1(PPARg coactivator-1,PGC-1)发生相互作用。

FAs参与源自外源性FAs或内源性FAs的信号。最近有研究[21]表明ATGL介导细胞内甘油三酯水解参与PPAR激活所需脂质配体的生成。脂肪水解受损的ATGL缺陷小鼠在氧化性组织如肝脏、巨噬细胞和BAT中显示严重的PPARα信号缺陷,心肌组织中尤为明显。PPARα靶基因表达减少的ATGL敲除动物在出生数月后即可引起严重的线粒体功能障碍、底物氧化和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)速率降低和大量心肌脂质堆积以及致命的心肌病。HSL缺陷同样也与PPARα靶基因表达降低相关,但不会产生明显的心肌表型,提示ATGL活性在PPARα配体和配体前体物生成过程中的特殊重要性。

除了ATGL在PPARα信号中的工具作用外,这种酶还影响PPARγ功能。Festuccia等[22]的研究结果显示罗格列酮介导的PPARγ激活和脂质蓄积与大鼠WAT脂肪水解增加有关,而脂肪水解的增加是由ATGL和MGL诱导造成。此外,HSL缺陷小鼠也导致WAT中PPARγ靶基因表达下调[23],表明脂肪水解参与PPARγ信号。

2.2 脂肪水解源FAs与胰岛素信号

已充分证实血浆和细胞FA浓度都与胰岛素抵抗增加呈正相关[24]。非酯化FAs尤其是细胞内棕榈酸浓度的增加可促进合成脂毒性脂质如神经酰胺类,干扰胰岛素信号功能[25]。此外,FAs能直接或间接通过增加活性氧簇物质-活化氧化还原敏感丝氨酸激酶,反过来使胰岛素反应失活[26]。棕榈油酸大部分是在脂肪组织中通过从头途径合成。它在肝脏和肌肉中对胰岛素信号的作用表明这种FA是一种具有内分泌功能的脂质激素(lipokine)。此外,据此可以想象肝脏棕榈油酸也能以旁分泌的方式促进胰岛素敏感性。ATGL缺陷小鼠具有较低的血浆FA浓度和较高的胰岛素敏感性,支持了减少脂肪水解和低FA水平的保护性作用。具有低FAs血浆浓度的HSL缺陷小鼠是否也影响胰岛素敏感性仍有争议[27]。

2.3 脂肪水解源性DG与PKC信号

大约50年前当研究者意识到DG通过激活蛋白激酶C(protein kinase-C,PKC)可影响许多代谢和有丝分裂活性时,就已发现DG作为第二信使的潜能。只有一种DG立体异构1,2-二酰基-sn-甘油(1,2-DG)可激活PKCs,而其他的立体异构1,3-二酰基-sn-甘油(1,3-DG)和 2,3-二酰基-sn-甘油(2,3-DG)则缺少这种生物活性[28]。这种酶通过受体型活化C激酶(receptor of activated C kinase,RACK)蛋白被募集至质膜时,1,2-DG可激活传统的和新型的PKC立体异构[29]。1,2-DG有三种潜在来源。(1)经典信号1,2-DG来自磷脂酶C(phospholipase C,PLC)介导质膜4,5-磷酸磷脂酰肌醇的水解产物。(2)局限于ER膜的DG合成途径。(3)来自LD相关TG的ATGL水解产物。ATGL和HSL介导LD中TG水解,均不能生成1,2-DG。此外,LD相关DG是否会从LD中解离出来以参与质膜PKC的募集和激活,这仍是一个问题。因而,脂肪水解源性DG不太可能作为信号介导因子。

2.4 脂肪水解与单酰基甘油酯信号

当发现磷脂衍生物MG 2-AG可激活大麻素受体(cannabinoid receptors,CBR)时就已认识MG的信号潜能,因而调节食物摄入、脂质代谢和能量稳态。内源性大麻素系统(endocannabinoid system,ECS)是指一组神经调节脂质(内源性大麻素类似物,endocannabinoids,ECs)、两种G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors,CBR1 and CBR2)及参与合成和降解ECs的酶[30]。最具典型特征的ECs是N-花生四烯酸乙醇胺(N-arachidonoyl ethanolamine,AEA)和2-AG。

最近采用MGL特异性小分子抑制剂(JZL184)和MGL敲除小鼠进行的研究提供了有力的证据,MGL是用长链FAs酯化的2-AG和其他MG降解的主要酶。JZL184处理小鼠可诱发小鼠大麻素类效应,包括镇痛、体温过低和运动减弱[31]。然而,MGL基因敲除小鼠并不会导致ECS的过度活化或任何明显的表型。显然,当动物长期饲喂CBR激动剂时,大脑2-AG浓度的增加可触发抵抗类似于那些已经观察到的调节机制[32]。

虽然MGL缺陷小鼠并不会产生大麻素类效应,但MGL活性的缺失实际上影响了脂肪组织和非脂肪组织的脂肪水解及代谢。对大脑或外周组织MGL缺陷小鼠的研究将有助于揭示一个问题:是中枢还是外周效应引起胰岛素抵抗的减弱。

2.5 脂肪信号与细胞周期、癌症、恶病质

在啤酒酵母菌中首次观察到脂肪水解与有效细胞周期进程相关。酵母菌表达3种含patatin结构域的TG脂肪酶(TG lipases,Tgl),家族名称为Tgl3、4、5[33]。Tgl3和Tgl4的删除事实上可废止所有细胞TG酶活性并当饥饿细胞一旦进食时可明显延缓进入细胞分化周期[34]。Tgl4可被细胞周期蛋白依赖激酶(cyclin-dependent kinase,Cdk1/Cdc28,为哺乳动物Cdc2的同源物)磷酸化而激活。同时,Cdk1/Cdc28使磷脂酸磷酸水解酶(phosphatidic acid phosphohydrolase,Pah1)发生磷酸化而抑制脂肪生成。Tgl4磷酸化和激活是发生在细胞分化周期的G1/S过渡期,这与芽发生一致并需要增加膜脂质含量。Pah1磷酸化和失活发生于细胞周期的G2/M过渡期,表明细胞周期中存在一个窗口期,此期间内脂肪生成和脂肪水解的初始步骤也许是并行进行的。最近有证据表明酵母菌细胞周期调节信号分子(如IP3和含肌醇的神经酰胺类分子)的前体物磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI),它的合成强烈取决于完整的脂肪水解[35]。因此,细胞周期调节TG脂肪水解也许可提供细胞分化信号分子的一个关键前体物。

最近有研究证实MGL促进哺乳动物癌细胞的致癌性[36]。过度表达或破坏MGL活性可分别增加或降低癌细胞的增殖,并且MGL高表达于侵袭性癌细胞系或原发癌。研究还发现MGL通过代谢作用而非CBR依赖机制影响肿瘤增殖。MGL缺失可降低细胞非酯化FA浓度。这些说明MGL影响来自致癌脂质代谢物如LPA和PGE2的FA浓度。

脂肪水解信号也可能参与癌症相关恶病质(cancer-associated cachexia,CAC)的发病过程。在最近的一个研究中,Das等[37]证实ATGL缺陷小鼠可保护肿瘤诱导脂肪组织和骨骼肌的丢失。HSL缺陷小鼠同样也具有类似作用。

3 结束语

脂肪水解相关酶和调节因子的最新发现使得以前的脂肪水解观念需要进行修正。脂肪水解过程及其调节的复杂性仍只理解了一部分。脂肪水解产物及中间体在细胞信号中的作用已开始引起关注和重视。将来研究的重要方向包括:(1)更好地理解协同调节适应激素激活因子和抑制因子的脂肪水解机制的过程和生化因子;(2)脂肪水解在许多非脂肪组织的生理功能和脂肪水解机制的组织特异性差异,3)脂肪水解信号的特征及他们对基因转录、细胞周期和细胞生长作用的分子机制。脂肪酶影响癌细胞增殖或癌症相关恶病质的最新案例突出了脂肪水解在人类疾病中的潜在重要作用。脂肪水解相关酶在正常及病理状态的作用及水解产物、中间体在细胞信号过程中作用的阐明,对于理解肥胖及代谢失调性疾病机制和寻找新的治疗靶点具有重要意义。

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