脂滴及脂滴包被蛋白在心血管疾病中的研究进展

奠雅婷，杨 扬，朱 平，赵明一

1广东省心血管病研究所 广东省人民医院 广东省医学科学院，广州 510080 2中南大学湘雅三医院儿科，长沙 410013 3中南大学湘雅医学院，长沙 410013

脂滴(lipid droplet，LD)是一种与脂质代谢密切相关的多功能细胞器，最初被认为是存在于脂肪细胞中的脂质储存器，后来发现也存在于肝脏、心肌、骨骼肌、肾脏等多种组织器官中。脂滴作为细胞代谢的重要中心，通过膜表面的接触位点与其他细胞器相互作用，参与脂质的储存和分解。既往对脂滴的研究多集中在脂肪细胞和肝脏组织中，随着心肌细胞、泡沫细胞中脂滴相关通路的发现，脂滴与心血管系统疾病之间的关联受到了越来越多的关注[1]。

心脏内脂滴的储存和流动与心脏功能密切相关。脂滴能将心脏中多余的脂质及其代谢物收集起来，防止其对细胞产生脂毒性[2]；在动脉粥样硬化中，大量脂滴积累在动脉中的巨噬细胞中，形成泡沫细胞，引发动脉粥样硬化斑块的形成。了解脂滴及其在心血管疾病中脂质代谢中的调节机制，有利于阐明心血管疾病的分子基础。本文综述了脂滴在心肌和动脉两种心血管环境的作用，并介绍脂滴与一些心血管疾病关系的研究进展，以期为研究心血管疾病发生发展的相关机制提供新视角。

脂 滴

脂滴的结构和功能几乎所有的生命体都可以产生脂滴[3]，脂滴的大小、数量及分布与细胞代谢和机体营养状态密切相关。在专门用于存储大量脂质的白色脂肪细胞中，脂滴体积较大，几乎占满整个细胞，而在褐色脂肪组织中，脂滴体积较小且分散在细胞质中[4]。此外，脂滴也被发现分布于肝脏、心脏、肾脏、骨骼肌等组织器官。当体内血脂升高或超出脂肪细胞储存脂质的能力时，这些器官的细胞中脂滴的含量相对增加。虽然不同细胞中脂滴的形态不同，但大都具有类似的结构：以中性脂质为核心，周围环绕着磷脂单分子层，游离胆固醇以及几十种脂滴相关蛋白[5]。其中脂滴的脂质核心最常见的是甘油三酯(triglyceride，TG)和胆固醇酯(cholesteryl ester，ChE)。脂滴相关蛋白是存在于脂滴表面、具有相似序列并调节脂滴内脂质代谢的蛋白质，包括结构蛋白、脂质转运蛋白和脂质代谢酶等[6]。

脂滴从内质网膜发生，经过成核、生长、萌出，最后形成单独的细胞器[3]。脂滴的形成和降解受到酶的控制，酶在脂质单层表面与脂滴相关蛋白相互作用，促进TG的合成和水解[5]。此外，脂滴能够通过膜融合协调沟通其他细胞器维持细胞内的稳态。例如，当脂滴从内质网中萌出脱离后，85%的脂滴仍可以与内质网发生接触[7]；脂滴与线粒体之间的接触能够协助脂质氧化[8]；而脂滴相互之间也通过膜的接触发生融合与生长。在能量过剩的情况下，过多的脂质储存在脂肪组织中；而在机体营养不足或者细胞快速生长时，脂滴动员脂质核心，为生长提供原料并参与能量代谢。脂滴与人类疾病密切相关，当脂滴发生异位沉积时，可能导致脂肪肝、心血管疾病、中性脂质沉积病等[9]；脂质调节失衡则会导致肥胖、脂营养不良、脂肪肝、肝硬化、动脉粥样硬化、心肌病等疾病[10]。

脂滴包被蛋白脂滴相关蛋白是一类存在于脂滴表面，在脂滴的组装、融合以及降解过程中发挥重要作用的蛋白质[11]，脂滴包被蛋白(perilipin，Plin)是其中之一。Plin具有序列同源性，约有100个高度保守的氨基酸，在基础状态下保护脂滴不受中性脂酶的作用。Plin有5个亚型，Plin1～5在不同的组织细胞中表达，Plin1主要表达在白色脂肪细胞和棕色脂肪细胞中，调节脂肪细胞中脂滴的水解以及全身葡萄糖脂质的平衡[12]。Plin2和Plin3在各种组织细胞中都存在，但Plin2在肝脏组织中最丰富，其过度表达会导致脂滴在肝脏的积累[13]，Plin3则有助于脂滴的形成和稳定。Plin4的分子量最大，主要存在于白色脂肪组织中，在心肌和骨骼肌中也有表达。Plin5在心肌和氧化组织中大量表达，在调节心脏脂质储存和功能方面发挥重要作用，促进脂滴储存脂质从而限制脂肪酸毒性[14]。明确脂滴相关蛋白在心肌和血管调节中的作用，对探究心血管相关疾病的发生发展十分重要。

脂滴与心肌

心肌脂滴与脂质代谢心脏作为人体血液循环的动力泵，对能量的需求极高。一般情况下，这些能量由线粒体氧化磷酸化产生，其中50%～70%的能量依赖脂肪酸β氧化。脂肪酸主要来自于血液循环中与白蛋白结合的游离脂肪酸、乳糜微粒、极低密度脂蛋白以及心肌细胞的自身合成。这些脂肪酸一部分在线粒体中被氧化供能，一部分转化为TG储存在脂滴中，在心肌需要能量时重新被水解。与白色脂肪细胞中脂滴几乎占满整个细胞质不同，在心肌和一些氧化组织中，脂滴相对较小[15]，这可能与心肌TG高度动态的合成分解有关。研究表明，心肌细胞优先氧化内源性TG水解得到的长链脂肪酸来供能，过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator activated receptor α，PPARα)促进TG代谢相关酶的表达，加速TG的合成与水解过程[16]。这些说明心脏脂质的合成代谢是一种高度动态的过程，明确心肌脂质代谢调控的生物分子十分重要。

心肌TG的合成发生在心肌细胞质中，通过从头合成途径(Kennedy途径)[17]产生。脂肪酸进入心肌细胞后，转化为脂肪酰基辅酶A，随后由线粒体膜和肌质网膜上一系列酶催化合成TG，合成的TG被组装为脂滴，表面覆盖多种脂滴相关蛋白。TG的分解代谢则通过水解酯键完成，涉及多种脂肪酶和脂滴相关蛋白的调节[18]。脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase，ATGL)水解TG的第1个酯键，催化TG初始水解成甘油二酯(diglyceride，DG)，激素敏感脂肪酶(hormone sensitive lipase，HSL)水解DG，最后单酰甘油脂肪酶催化释放脂肪酸和甘油。

ATGL基因敲除小鼠的心肌中出现大量的TG积累，导致心脏功能障碍而过早死亡，相比其他组织，心脏TG沉积的表现更严重[19]，说明ATGL在心肌脂解中尤为重要。CGI-58(comparative gene identification-58)作为ATGL的激活剂，是启动细胞蛋白脂滴水解的关键酶，可以提高ATGL的活性约20倍[20]。特异性敲除肌肉CGI-58的小鼠出现严重的心肌病，心脏积累了大量TG[21]，这表明TG的分解代谢受损。此外，G0期G1期转换基因2(G0/G1switch gene 2，G0S2)可以直接与ATGL结合，抑制脂肪水解，在G0S2过度表达小鼠表现出严重的心脏脂肪变性，而G0S2缺失小鼠的心脏TG下降[22]，证明了G0S2在心肌中抑制ATGL的脂解作用。

心肌脂滴与Plin在脂滴相关蛋白中，Plin2～5被发现在哺乳动物心肌中表达[23]，其中对于Plin5的关注最多。Plin5在心脏和氧化组织中大量表达，并受到饮食和PPARα等分子的调控[24]。Plin5位于脂滴的表面作为脂解的屏障，在心肌TG代谢中发挥重要作用，敲除Plin5的小鼠心脏中，脂滴数量和TG显著降低，而在心脏中注射相关脂肪酶的抑制剂后，心肌中的脂滴得到恢复[25]，这表明Plin5能够通过阻断脂肪酶维持心脏脂滴不被快速分解，平衡心脏脂质的快速代谢。而当Plin5过度表达时，脂滴水解被抑制，会导致严重的心脏硬化[26]。该研究发现心脏特异性Plin5过度表达小鼠心肌中出现大量的TG积累，且心肌中TG积累的大小与Plin5mRNA表达水平有关，这种小鼠的心脏表型与敲除ATGL基因小鼠的心脏表型相似，说明Plin5过度表达时能够对抗AGTL的脂解效果。同时，用心脏特异性Plin5过度表达小鼠心脏分离的脂滴进行体外重建实验，发现过度表达Plin5的脂滴抑制了ATGL和HSL介导的脂解过程。这些研究说明在基础状态下心肌Plin5能够抑制脂肪酶的作用，维持脂滴含量的稳定。

Plin5保护脂滴不受分解的作用与多种酶和蛋白分子有关(图1)。Plin5能够与TG水解相关酶直接相互作用[23，27]，例如在脂滴的表面与CGI-58结合并调节ATGL的活性[27-28]。Granneman等[27]发现Plin5可以与CGI-58和ATGL竞争性结合，这种结合是相互排斥的，提示CGI-58和ATGL与Plin5的结合位点有部分重叠。磷酸化过程可以改变Plin5等分子的构象，从而促使脂滴脂解的发生(图2)。Wang等[28]的研究发现磷酸激酶A可以磷酸化Plin5促进脂解，这可能与磷酸化后的Plin5促进CGI-58释放并激活ATGL对TG的水解有关，这一过程与Plin1在脂肪细胞中的机制相似[29-30]。同时Plin5在脂解过程中也起到了中间支架作用，Plin5可以通过N-末端PAT结构域与HSL相互作用[23]，招募HSL到脂滴上，激活磷酸激酶A后启动脂解。

TG：甘油三酯；ATGL：脂肪甘油三酯脂肪酶；HSL：激素敏感脂肪酶；G0S2：G0期G1期转换基因2；CGI-58：比较基因识别-58；脂肪酸进入心肌细胞转化为脂酰辅酶A，通过肌质网和线粒体膜上的酶合成TG并储存在脂滴中；Plin5分别结合ATGL以及CGI-58阻止脂解，G0S2结合ATGL抑制脂解，Plin5和Plin2结合HSL抑制脂解；Plin5促进脂滴与线粒体作用

DG：甘油二酯；MG：甘油一酯；MAGL：单酰甘油脂肪酶；Plin5和ATGL、CGI-58被磷酸化后构象发生变化，ATGL结合CGI-58并启动脂解，催化TG产生DG。HSL磷酸化后，催化DG产生MAG，MAGL催化MAG转化为甘油和FA

Plin5介导脂滴和线粒体的相互作用，研究[31]显示，Plin5在脂滴表面招募线粒体，诱导脂滴和线粒体直接接触并互相作用。免疫荧光和免疫电镜显示Plin5靶向心脏脂滴-线粒体界面，而不靶向线粒体基质，表明Plin5在线粒体和心脏脂滴的接触界面介导脂肪酸的转运[32]；Kolleritsch等[33]的研究发现在心脏特异性Plin5高表达的小鼠中，线粒体显著增大，且脂解水平的降低与线粒体分裂减少有关。同时，Plin5抑制TG的水解，将脂肪酸输送到脂滴TG中储存，保护线粒体免受脂肪酸局部激增的影响[31]。此外，Plin5作为激活剂促进线粒体的生物发生，提高线粒体功能[34]，Plin5通过核易位与线粒体基因程序直接作用，参与线粒体的转录调控。

Plin2在心脏中大量表达，但对于它在心肌脂质储存代谢中的作用知之甚少。与Plin5不同，Plin2不能促进线粒体和脂滴的相互作用[31]。在通过禁食诱导小鼠心脏脂肪变性的实验中，Plin2的表达上调[35]。在心脏特异性表达Plin2的小鼠中发现，Plin可以诱发心房硬化并增加心房颤动的机会[36]。Plin2转基因小鼠的心脏出现许多小脂滴的积累，且脂滴表面完全覆盖Plin2，体外实验表明Plin2过度表达显著降低了HSL活性，该发现提示，Plin2可能通过防止HSL(或ATGL)与脂滴反应来稳定脂滴[37]。但也有研究发现，与Plin2过表达小鼠相比，Plin2缺失小鼠的心肌出现TG的堆积，并证明了这是由脂解率降低而导致的[38]，Plin2调节脂滴TG的具体机制还有待阐明。

心肌脂滴及Plin在心血管疾病中的研究进展

糖尿病性心肌病糖尿病患者常伴有心脏功能障碍，发生糖尿病性心肌病。糖尿病性心肌病是一种心肌特异性疾病，可增加心力衰竭和死亡率的风险。近年来患有肥胖、胰岛素抵抗和糖尿病的人群不断增加，这些患者通常伴有高甘油三酯血症和血浆脂肪酸水平的升高。多余的脂肪酸进入心脏，储存在心脏脂滴中，当超过心脏的调节能力时，会对心肌产生脂毒性。研究显示，糖尿病会使心肌脂肪酸利用增加、葡萄糖利用减少以及心肌耗氧量增加[39]。在糖尿病患者的心肌中可以观察到大量的脂滴，同时脂质代谢相关基因表达也上升，包括PPARα调节基因、肌球蛋白重链b和肿瘤坏死因子-α[40]。Kuramoto等[41]的研究表明Plin5使1型糖尿病小鼠心脏中积累多余的TG，伴有脂肪毒性化合物(如DG和神经酰胺)的升高，这些化合物通过磷酸激酶C信号通路，产生过量活性氧，最终导致糖尿病性心肌病。ATGL[42]和HSL[43]在心脏中过度表达可以明显减少这些化合物的产生，改善糖尿病患者的心脏功能，ATGL和HSL可能成为糖尿病心肌病的治疗靶点。

缺血性心肌病缺血性心肌病是由于心脏血流减少，心肌细胞缺血使心肌细胞出现代谢障碍。缺血性心肌病中出现脂质和葡萄糖的代谢变化，表现为心肌细胞脂质代谢降低，心肌脂质积累增多，葡萄糖利用升高[44]。在敲除Plin5基因的小鼠中，心脏TG的含量显著下降，由于Plin5的缺乏，心肌细胞通过减少脂肪酸的吸收，增加葡萄糖的吸收维持心脏正常水平的功能，但在心脏发生缺血时，Plin5的缺乏使得心脏代谢紊乱，伴随心脏功能严重下降和死亡率增加[45]。该研究对人类群体的分析发现，常见的非编码多态性rs884164会降低Plin5在心脏中表达，与心肌缺血后心脏功能下降有关。另一项研究发现Plin5的缺乏使心脏发生缺血再灌注损伤小鼠心肌梗死的区域扩大，左心收缩功能降低，同时，Plin5的缺乏使心肌线粒体受损，活性氧等物质升高，加重心脏的炎症[46]。

心力衰竭心力衰竭时患者的心脏发生结构或功能的改变，导致心室充盈或射血功能受损，是心血管疾病难以逆转的终末阶段。在早期心力衰竭时，TG的储存和动员减少，心肌对于内源性TG的氧化降低[47]，心肌脂质发生异常沉积。Plin1缺失的小鼠出现明显的心脏肥大、心肌纤维化，最终表现为心力衰竭[48]。由于Plin1的缺失，脂肪细胞的动员增加，分解得到的脂肪酸流向血液循环中，加重脂质的异位沉积。此外发生心力衰竭时，心肌利用能量出现障碍，在电子显微镜下观察到心肌细胞的脂滴与线粒体之间的距离增大[49]；从发生心力衰竭的人类心脏左心室中分离线粒体，通过透射电子显微镜发现线粒体与脂滴直接接触的数量减少[50]。Plin5对病理性心肌肥厚和心力衰竭具有保护作用。在Plin5缺乏的小鼠心肌细胞中，线粒体明显增殖，线粒体内脂质过氧化作用可能是加重心肌肥厚和心力衰竭的原因[51]。

脂滴与血管

脂滴与泡沫细胞动脉粥样硬化是心脑血管疾病致死的主要原因之一。过多的脂质沉积在动脉壁内膜上，先后出现脂质积累、纤维增生和钙化，在此基础上可继发斑块破裂、出血和局部血栓的形成。在动脉粥样硬化早期，巨噬细胞和平滑肌细胞被趋化因子募集移入内皮下清除动脉内膜中多余的脂质，故晚期形成的纤维脂肪斑块中充满大量吞噬脂质的巨噬细胞、平滑肌细胞和炎症细胞，其中巨噬细胞在显微镜下形成泡沫状外观，被称为“泡沫细胞”[52]，是动脉粥样硬化斑块形成的核心。

巨噬细胞通过胞饮、清道夫受体(scavenger receptor，SR)介导的内吞等方式摄取低密度脂蛋白(low-density lipoprotein，LDL)和氧化低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein，oxLDL)。oxLDL通过SR介导的内吞作用被吸收，包括SR-A和CD36[53]。oxLDL被吸收后，其携带的ChE通过溶酶体酸性脂肪酶水解为游离胆固醇(free cholesterol，FC)释放到细胞质中。随着oxLDL吸收，巨噬细胞中的FC水平不断升高，可导致膜损伤和细胞脂毒性。为防止这种毒性作用，多余的FC将通过ATP结合盒转运体流出细胞，或者在内质网膜中通过胆固醇乙酰转移酶-1重新酯化为ChE保存在脂滴中。同样的，oxLDL携带的TG水解为甘油和脂肪酸，再重新酯化为TG储存在脂滴中。脂滴中的ChE可以在中性胆固醇酯水解酶的作用[54]或者通过脂滴的自噬作用与溶酶体融合[55]水解为FC，最终通过ATP结合盒转运体流出细胞。

SR的表达不受到细胞内胆固醇水平的影响，因此，SR介导的oxLDL的吸收导致脂蛋白不断流入巨噬细胞，积累过量的脂蛋白衍生脂质，细胞内脂滴增加，从而导致泡沫细胞的形成[56]。过度表达HSL可以增加ChE的水解，可以通过增加排泄和减少胆固醇的流入，在单核细胞源性泡沫细胞中消除ChE[57]。

动脉粥样硬化与Plin在动脉粥样硬化形成的过程中，位于脂滴表面的Plin家族调节泡沫细胞内脂滴的形成和分解代谢(图3)。Plin2在人和小鼠巨噬细胞来源的泡沫细胞中最为丰富[58]。在单核细胞源性泡沫细胞中使用PPAR γ拮抗剂后，发现其对脂质吸收、运输和储存以及脂肪酸合成涉及的几个基因进行了调节，诱导Plin2的表达并增加了巨噬细胞中脂质形成和TG的积累[59]。说明Plin2受到PPAR γ的调控。在被广泛用作动脉粥样硬化模型的载脂蛋白E基因缺陷小鼠中，Plin2基因的失活使动脉粥样硬化病变的泡沫细胞中脂滴的数量显著减少，并能减缓动脉粥样硬化的发展[60]。在单核细胞源性泡沫细胞中，Plin2的过度表达增加了TG和胆固醇的积累，胆固醇流出减少，导致脂滴积累增加[61]，可能由于Plin2位于巨噬细胞的胞质脂滴表面，保护脂滴免受胆固醇酯酶(如HSL等)的水解，从而降低了FC的流出。在一项接受经皮冠状动脉介入治疗的ST段抬高型心肌梗死(ST-segment elevation myocardial infarction，STEMI)患者的研究中发现，Plin2是STEMI患者冠状动脉微血管堵塞的独立预测因素[62]，推测是由于高表达Plin2增加了泡沫细胞中胆固醇的含量，从而增加动脉粥样硬化晚期斑块中的胆固醇晶体，提高斑块内容物栓塞的风险。此外，乙酰低密度脂蛋白增加了巨噬细胞中Plin2的表达，而增多的Plin2增强肿瘤坏死因子-α、单核细胞趋化蛋白1和白细胞介素6的诱导作用[63]，这提示Plin2在动脉粥样硬化中还可能起到增强炎症反应的作用。

SR-A：清道夫受体A；ABCA1：ATP结合盒转运蛋白A1；ABCG1：ATP结合盒转运蛋白G1；nCEHs：中性胆固醇酯水解酶；氧化低密度脂蛋白被吞噬进入巨噬细胞，其携带的ChE在溶酶体作用下水解为FC；FC可以通过ATP结合盒转运体流出细胞，或由内质网膜上酶催化重新酯化为ChE保存在脂滴中；Plin2结合HSL抑制脂解，Plin3结合FC促进脂质积累

最初认为Plin1只表达在脂肪细胞和甾体合成细胞中，后来发现在脑、肿瘤组织、巨噬细胞和血管平滑肌细胞中也存在Plin1的表达[64]。Plin1对脂滴具有保护作用，在脂肪细胞可以抑制TG水解[30]。在巨噬细胞中，Plin1也具有相似作用。敲除Plin1的小鼠巨噬细胞中的ChE水解增加，小鼠动脉粥样硬化病变程度减轻[65]，这是因为Plin1的缺失消除了Plin1对脂滴的保护作用，酯酶更加容易水解脂滴中的ChE。此外，在敲除Plin1的巨噬细胞中发现对CD36表达下调[65]。相反，Plin1的过度表达可以诱导巨噬细胞脂滴的生成，并在没有Plin2的情况下维持TG池[66]。但关于Plin1是否能够调节泡沫细胞仍有争议[67]。在缺乏Plin1和低密度脂蛋白受体缺乏的小鼠中，动脉粥样硬化病变的范围增加，表明Plin1对动脉粥样硬化的保护作用[68]。

Plin3表达与TG水平成正相关的关系[69]，Plin3结合活化的游离脂肪酸，并将它们转运到脂滴中，并通过二酰甘油酰基转移酶(diacylglycerol acyltransferase，DGAT)将其并入TG。当Plin3的表达下降时，细胞中TG的含量明显下降，而胆固醇的含量并未明显降低[70]，也支持了这一结果。

研究发现同时敲除载脂蛋白E基因和Plin5基因的小鼠的血管内表现出严重的粥样硬化病变，并出现较多的炎症细胞和炎症反应相关的细胞因子[71]。此外，敲除Plin5后严重干扰血浆内的代谢产物，升高血浆内TG、TC和LDL-C的水平，降低了高密度脂蛋白胆固醇含量，而过表达Plin5时可以减轻粥样斑块的坏死和氧化应激的程度[71]。高表达Plin5时降低了巨噬细胞中CD36和SR-A的表达并且抑制oxLDL诱导的细胞炎症反应，部分减弱了动脉粥样硬化的发展[72]。以上发现表明Plin5抑制动脉粥样硬化过程中的炎症、氧化应激以及脂质积累，改善动脉粥样硬化的程度。

总结与展望

综上所述，随着对脂滴的研究不断深入，脂滴在心血管系统领域得到越来越多的关注。在心肌细胞中，脂滴通过合成、储存和分解TG参与维持心脏的脂质代谢平衡，该过程受到脂滴相关蛋白的调控。在动脉粥样硬化的发展过程中，巨噬细胞吞噬大量脂滴形成泡沫细胞，是动脉粥样硬化发展的中心环节，Plin2蛋白促进斑块形成发展，Plin5则可以抑制炎症改善动脉粥样硬化。尽管关于脂滴在心肌和血管中的作用已经有了部分成果，但脂滴在心脏和血管中脂质代谢和能量调节的作用仍未完全清楚，建立特异性改变脂滴相关蛋白的小鼠模型有助于理解脂滴在心肌和血管中发挥的作用。随着对脂滴检测手段不断发展，以及对心血管系统中脂滴的发生、组装、代谢等机制的探究，将进一步完善心血管疾病的发生发展过程，为临床治疗相关疾病提供新的思路。