相見恨晚掀起脂滴的蓋頭來

相見恨晚：掀起脂滴的蓋頭來1.電鏡下的脂滴（供圖：劉平生）脂滴是啥呢？通過電鏡顯微技術(shù)、或者熒光標(biāo)記的脂滴蛋白、一些中性染料染色等方法，發(fā)現(xiàn)無論是在脂肪組織，還是非脂肪組織如肝臟和肌肉細(xì)胞中，脂滴是一種呈近球形的細(xì)胞器。和其它細(xì)胞器一樣，脂滴是一個復(fù)雜、活動旺盛、動態(tài)變化的多功能細(xì)胞器，在細(xì)胞內(nèi)能夠沿著細(xì)胞骨架運(yùn)動，并與其它細(xì)胞器相互作用，動態(tài)調(diào)節(jié)細(xì)胞的脂類代謝和能量平衡。除此之外，脂滴還在膜轉(zhuǎn)運(yùn)、蛋白降解、信號傳導(dǎo)，甚至基因表達(dá)調(diào)控等過程中起著重要的作用。我們知道，細(xì)胞膜和其它胞內(nèi)細(xì)胞器是磷脂雙層膜結(jié)構(gòu)：親水的磷脂“頭部（基團(tuán)）”指向膜外，有利于水相環(huán)境；疏水的脂肪酸鏈朝向膜內(nèi)，交錯排列；其它分子如膽固醇（Cholestrol、甾體類（Sterols、蛋白質(zhì)（Poteins）等嵌入、或者橫跨磷脂膜。然而，和其它細(xì)胞器完全不同的是，脂滴是磷脂單層膜，它的親水“頭部（磷脂）”朝向胞質(zhì)，疏水的脂肪酸鏈朝內(nèi)。脂滴單層膜磷脂主要是磷脂酰膽堿（Phosphatidylcholines,PC）和磷脂酰乙醇胺（Phosphatidylethanolamines,PE（Phosphatidylinositol，I）等。脂滴是細(xì)胞內(nèi)專門儲存脂類的細(xì)胞器，主要儲存甘油三酯（Triglycerides,TG）和膽固醇酯（Cholesterolester,CE有報道發(fā)現(xiàn)還有醚酯（Etherlipid。這些脂類分子是疏水的。因此，為何脂滴這種細(xì)胞器是單層膜？和其儲存的分子——甘油三酯、膽固醇酯、或者醚酯有關(guān)嗎？還是脂滴的特殊功能？或者和細(xì)胞器的起源和進(jìn)化有關(guān)？目前我們不清楚。2.脂滴的單層磷脂膜（供圖：劉平生）既然脂滴外層是磷脂單層膜，和其它細(xì)胞器一樣，其上面必然有很多脂滴蛋白，維持脂滴正常的結(jié)構(gòu)和生理活動。有哪些脂滴蛋白呢？早在1991年，Greenberg等人發(fā)現(xiàn)了第一個與脂肪細(xì)胞脂滴相關(guān)的蛋白perilipi。其后，一些研究人員陸續(xù)克隆和報道了其它脂滴蛋白，如ADRP、Tip47、S3-12OXPAT/PAT1等。目前在中科院生物物理所工作的劉平生研究員最早在2004年就建立了脂滴的純化方法，在過去的0多年里，劉平生及其領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了很多提取和純化脂滴的技術(shù)方法，同時通過質(zhì)譜技術(shù)，鑒定脂滴蛋白、并研究其功能和作用機(jī)理。通過系統(tǒng)地研究不同生物物種（從細(xì)菌、酵母、秀麗線蟲到哺乳動物）以及不同組織器官中的脂滴蛋白組，劉平生團(tuán)隊(duì)和其他實(shí)驗(yàn)室報道了一些可以作為脂滴標(biāo)記（Markers）的蛋白，如細(xì)菌脂滴的MLDSDHS-3MDT-28(Plin-1)等。這些高豐度的脂滴蛋白不僅可以作為脂滴標(biāo)記蛋白，而且功能上它們也調(diào)控脂滴的動態(tài)變化。因此，尋找和確定更多脂滴蛋白，特別是特定物種、特定器官和組織、甚至同種細(xì)胞不同脂滴的重要蛋白是一項(xiàng)重要的、系統(tǒng)的工作。3.線蟲體內(nèi)的脂滴（供圖：劉平生）通過這些實(shí)驗(yàn)室的開創(chuàng)性研究工作，目前我們初步知道，脂滴膜上大約有300-500個脂滴蛋白。有些可能是脂滴的結(jié)構(gòu)蛋白、或者調(diào)控蛋白，如前面提到的PLIN家族蛋白、以及DHS-3等。當(dāng)然，由于脂滴是脂類代謝和儲存的重要場所，其脂滴蛋白中包含大量和脂肪、膽固醇合成或者分解相關(guān)的代謝酶就不足為奇了。如水解甘油三酯的甘油三酯水解酶（Adiposetriglyeridelipase,ATGL，以及合成甘油三酯的酶如脂酰輔酶合成酶Acyl-CoAsynthetaselong-chainfamily,ACSL）和二?；视王；D(zhuǎn)移酶（Diacylglycerolacyltransferase,DGAT2。還有一些其它蛋白，如Rab家族蛋白在很多組織和器官中的脂滴中都存在，但它們的功能我們還知之甚少。雖然脂滴蛋白質(zhì)組學(xué)為我們了解脂滴的發(fā)生、發(fā)展，以及動態(tài)調(diào)控奠定了很好的基礎(chǔ)，但我們對很多脂滴蛋白的生物學(xué)功能還缺乏認(rèn)識。因此，未來需要通過基因敲除和過表達(dá)技術(shù)，研究這些脂滴蛋白在正常、或者其它生理、病理?xiàng)l件下的功能和作用機(jī)理。有了單層磷脂膜、脂滴蛋白，那么脂滴內(nèi)部核心的就是脂類分子了。脂滴的重要功能是動態(tài)地響應(yīng)細(xì)胞能量代謝需求，調(diào)控其儲存的脂類分子——甘油三酯、膽固醇酯、甚至醚酯的代謝。簡單點(diǎn)說，脂滴也可以根據(jù)其儲存的脂類分子的種類分為兩大類。第一類脂滴主要儲存甘油三酯。在脂肪細(xì)胞（白色、棕色脂肪和米色、大多數(shù)非脂肪細(xì)胞如肌肉、心臟細(xì)胞等等，脂滴儲存的脂類分子主要是甘油三酯。我們知道，甘油三酯是主要的能量儲存分子，這些組織器官是能量代謝的重要組織器官，其脂滴儲存的脂類分子是甘油三酯就不足為奇了。另外一類脂滴主要儲存膽固醇酯，存在于腎上腺、卵巢、附睪等組織中，其脂滴的脂類分子主要是膽固醇酯，這些膽固醇酯是合成各種激素（腎上腺素、雄激素、雌激素等）的底物。然而，這兩類儲存不同脂類分子的脂滴是如何形成的？我們對此幾乎一無所知！另外，在各種生理和病理狀況下，這兩類脂滴儲存的脂類分子是如何變化、調(diào)控的？這應(yīng)該也是脂滴生物學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域。4.從細(xì)胞里純化的脂滴（供圖：劉平生）談了脂滴是一種細(xì)胞器，其磷脂單層膜和脂滴蛋白、以及儲存的脂類分子，接下來要問的是，脂滴是如何發(fā)生、發(fā)展的。目前，脂滴的起源說法不一，但相對流行的說法是脂滴起源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，可能采用類似出芽方式。支持此學(xué)說的主要證據(jù)是，脂類合成的很多關(guān)鍵酶存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，脂類合成主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。如參與脂肪酸合成的重要代謝酶——硬脂酰輔酶去飽和酶（Stearoyl-CoA，SC）和DGAT1內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。脂滴是單層膜，脂滴蛋白組揭示Rab家族蛋白很多，這就帶來問題，脂滴和其它細(xì)胞器起源可能完全不一樣。另外，少數(shù)幾個實(shí)驗(yàn)室還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核中還存在脂滴。這些研究暗示，脂滴可能具有更古老的功能，是否和合成，或者特殊情況下的功能有關(guān)嗎？這些問題，有待深入研究。脂滴形成后，又是如何增長（growtorexpand、分裂（fissio、融合（fusion、縮小（shrink）/水解的？特別是在不同病理、生理?xiàng)l件下，如肥胖和肥胖相關(guān)疾病，脂滴是如何主動和被動調(diào)控的？毫無疑問，很多參與脂類合成的代謝酶都會影響這些過程，如與脂肪合成相關(guān)的DGAT，與脂肪分解相關(guān)的ATGL，PLIN蛋白家族HSD家族蛋白等。另外，在不同的組織器官中，脂滴大小和數(shù)目是不一樣的。白色脂肪細(xì)胞作為能量儲存的主要組織，其細(xì)胞主要被一個脂滴占領(lǐng)，其它細(xì)胞器的空間都被脂滴占領(lǐng)。這說明，在白色脂肪細(xì)胞中，脂滴是要融合的fusion，不要搞分裂（fission肪組織，如肝臟、心臟和肌肉，也包括以儲存膽固醇酯為主的腎上腺、附睪、卵巢等組織中，甚至是燃燒或者分解脂肪、提供能量的棕色或者米色脂肪組織，其細(xì)胞中有未知數(shù)目、大小不一的脂滴。這表明在這些組織里，脂滴要避免被融合。因此，研究促進(jìn)或者防止脂滴融合或者分裂的調(diào)控機(jī)制是一個核心的研究方向。清華大學(xué)的李蓬院士在脂肪細(xì)胞脂滴的融合方面做出了突出的、系統(tǒng)性研究。除了白色脂肪組織的細(xì)胞只有一個超大脂滴外，其它細(xì)胞到底有多少脂滴（numbers，或者說有無某個物種、某種組織，其脂滴數(shù)目是固定的，我們不知道。至少，現(xiàn)在的研究還沒有發(fā)現(xiàn)（除了白色脂肪外）哪一種細(xì)胞的脂滴數(shù)目是固定的。在某些生理或者病理?xiàng)l件下，脂滴數(shù)目是如何變化的？因此，研究脂滴數(shù)目，估計(jì)是一個非常有挑戰(zhàn)的工作。5.脂滴與線粒體（供圖：劉平生）還有一個重要的問題是，作為細(xì)胞中的一種細(xì)胞器，脂滴和其它細(xì)胞器是如何相互作用的？既然脂滴是動態(tài)儲存脂肪（甘油三酯、膽固醇酯和維生素等）的細(xì)胞器，它必然和合成脂類分子的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、能量動力車間線粒體等細(xì)胞器有著密切的聯(lián)系。如前面提到，脂滴可能是起源于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，暗示脂滴和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)會有聯(lián)系。在腎上腺素、雄激素和雌激素等激素合成中，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，這些脂滴中的膽固醇酯首先被脂滴膜上激素敏感性脂肪酶（Hormone-sensitivelipase,HSL）水解，自由膽固醇隨后被運(yùn)送到線粒體，參與激素合成的酶在線粒體中發(fā)揮功能，逐步合成各種激素。然而，我們最近的一些研究可能暗示，參與激素合成的一些酶就在脂滴上，線粒體和脂滴緊密結(jié)合參與此過程。另外，棕色脂肪細(xì)胞含有大量的線粒體和脂滴，脂滴和線粒體的緊密聯(lián)系很可能有助于脂肪的高效分解。當(dāng)然，脂滴如何和胞內(nèi)的其它細(xì)胞器交換或者轉(zhuǎn)運(yùn)脂類分子等，以及這些細(xì)胞器如何影響或者調(diào)控脂滴等，很多是未知的研究領(lǐng)域。以上是對脂滴基礎(chǔ)生物學(xué)的一些簡要介紹，主要是基于動物細(xì)胞和組織器官的研究。脂滴的正常功能對維持細(xì)胞和生物有機(jī)體至關(guān)重要。當(dāng)能量過多時，脂滴把多余的能量用脂肪（主要是甘油三酯和膽固醇酯）的形式儲存起來；當(dāng)細(xì)胞需要能量和脂類分子時，脂肪把儲存的脂肪和脂類釋放出來，為細(xì)胞正常生命活動利用。然而，過多的能量儲存，往往導(dǎo)致脂滴的擴(kuò)大和數(shù)目的增多，伴隨脂肪組織的增加和脂滴在非脂肪組織（如肝臟、心臟和肌肉等）中大量沉積，導(dǎo)致肥胖和肥胖相關(guān)性代謝性疾病，如糖尿病、脂肪肝、動脈粥樣硬化、