2021年11月，奧地利格拉茨大學(xué)的相關(guān)研究人員在《Nature Metabolism》上發(fā)表了題為“Lipolysis: cellular mechanisms for lipid mobilization from fat stores”的長篇綜述，總結(jié)了細(xì)胞內(nèi)脂解如何影響多器官中脂質(zhì)介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)、代謝調(diào)節(jié)和能量穩(wěn)態(tài)，并探究了這些過程如何影響發(fā)病機(jī)制，以及脂解如何有針對性地預(yù)防或治療各種疾病。（本文通訊作者Rudolf Zechner教授為第四屆LipidALL脂代謝會議的特邀報告嘉賓）

脂肪酸（FAs）是所有生物體必不可少的生物分子。它們的氧化產(chǎn)生的ATP或所有常見能量底物的熱量產(chǎn)量最高。它們是膜脂質(zhì)不可或缺的組成部分，F(xiàn)A錨定使外周膜蛋白與生物膜相連。此外，特異性FAs作為高度生物活性的信號分子或作為其前體。除了這些重要功能外，當(dāng)脂肪酸在細(xì)胞內(nèi)和/或細(xì)胞外的濃度超過生理水平時，也會產(chǎn)生毒性（“脂毒性”）。脂肪毒性源于FAs作為洗滌劑的能力，影響酸堿平衡并產(chǎn)生高度生物活性的脂質(zhì)，如神經(jīng)酰胺和二甘油脂（DGs）。這些過程共同導(dǎo)致細(xì)胞應(yīng)激和功能障礙，導(dǎo)致各種形式的細(xì)胞死亡。

為了在細(xì)胞和組織中高效、安全地儲存大量的脂肪酸，它們被共價酯化為三價醇甘油，生成三酰甘油，通常稱為甘油三酯（TGs）或“脂肪”?；旧?，每種細(xì)胞類型都能在細(xì)胞內(nèi)稱為脂滴（LDs）的細(xì)胞器中儲存TGs。在哺乳動物和許多其他脊椎動物中，TGs的大部分沉積在脂肪組織的脂肪細(xì)胞中。TGs是一種高效、惰性的FAs儲存和運(yùn)輸形式，但不能穿過細(xì)胞膜。因此，TG進(jìn)出細(xì)胞要么需要水解分解為FAs和甘油，要么需要特殊的囊泡介導(dǎo)的跨細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)。后一個過程包括分泌和攝取富含TG的脂蛋白或通過細(xì)胞外囊泡（EV）轉(zhuǎn)運(yùn)TG。TGs的水解由脂肪酶催化，這一過程稱為脂解。胃腸道和血管系統(tǒng)中的細(xì)胞外脂解作用降解TGs，向下面的實(shí)質(zhì)組織提供FAs和單輻射基甘油（單甘油酯，MGs）。相反，細(xì)胞內(nèi)脂解從細(xì)胞質(zhì)中的LD相關(guān)TGs或溶酶體中的脂蛋白相關(guān)TGs釋放FAs。消化道和血管系統(tǒng)的細(xì)胞外脂肪酶大多屬于胰腺脂肪酶基因家族。細(xì)胞內(nèi)脂肪酶在結(jié)構(gòu)上與該家族無關(guān)，已被亞分類為（1）最適pH值約為7的脂肪酶（“中性脂肪酶”），負(fù)責(zé)降解細(xì)胞溶質(zhì)LDs；和（2）最適pH值約為5的脂肪酶（“酸性脂肪酶”），定位于溶酶體。因此，負(fù)責(zé)TG降解的兩種細(xì)胞內(nèi)典型途徑被稱為中性和酸性脂肪分解（圖1）。根據(jù)脂肪酶的基本功能，它們的功能障礙或缺乏通常會導(dǎo)致嚴(yán)重的病理學(xué)，包括脂質(zhì)代謝紊亂和脂質(zhì)儲存疾病。更間接地說，脂肪酶活性和脂解過程影響體內(nèi)平衡的許多方面，并與肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝（NAFLD）、癌癥、心臟病、惡病質(zhì)、傳染病和其他疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。

中性脂肪分解的典型酶學(xué)

早在20世紀(jì)，人們就認(rèn)識到酶催化的TG水解必須先于膜通道，然而，鑒定和表征第一個參與該過程的細(xì)胞內(nèi)TG水解酶花了50多年的時間。知道1964年才有學(xué)者將激素敏感脂肪酶（HSL）描述為TGs和DGs降解過程中的關(guān)鍵水解酶，以及單甘酯脂肪酶（MGL）在脂肪細(xì)胞MG水解過程中的作用。在隨后的四十年中，HSL被認(rèn)為是TG水解的速率限制，但觀察到HSL缺乏的小鼠在脂肪組織中維持激素誘導(dǎo)的FA釋放，缺乏肥胖和累積DGs，最終論證了TG水解中的替代酶和機(jī)制的參與。對這些替代酶的廣泛搜索導(dǎo)致了一種新酶的發(fā)現(xiàn)，稱為脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL），及其輔激活子，命名為α/β水解酶域-5（ABHD-5；也稱為比較基因鑒定-58，CGI-58）。表1和圖1總結(jié)了ATGL、HSL和MGL的生化特性和酶活性。

圖1、典型的脂肪分解途徑

 典型脂肪分解的復(fù)雜調(diào)節(jié) 

食物缺乏期間的能量底物需求是脂解（“誘導(dǎo)脂解”）的主要驅(qū)動因素。隨后從白色脂肪組織中釋放FAs，在許多耗能組織中誘導(dǎo)從葡萄糖到FA利用的代謝轉(zhuǎn)換。同時，肝臟糖異生和葡萄糖分泌的上調(diào)為葡萄糖依賴性細(xì)胞和組織提供葡萄糖。相反，喂食狀態(tài)下的低脂肪分解率（“基礎(chǔ)脂肪分解”）導(dǎo)致高能量需求和脂肪組織中脂肪沉積的組織中FA降低和葡萄糖利用率增加。細(xì)胞和器官在不同能量底物（如FAs和葡萄糖）之間切換的能力決定了它們的“代謝靈活性”。許多內(nèi)分泌、旁分泌和自分泌因子，包括激素、細(xì)胞因子和神經(jīng)遞質(zhì)，通過在多個水平上調(diào)節(jié)主要脂解酶ATGL和HSL，包括基因轉(zhuǎn)錄、翻譯后蛋白質(zhì)修飾，以及在ATGL的情況下，通過酶輔激活劑和抑制劑進(jìn)行調(diào)節(jié)。脂肪細(xì)胞的經(jīng)典激活途徑涉及兒茶酚胺，兒茶酚胺通過激素（腎上腺素）或交感神經(jīng)（去甲腎上腺素）刺激激活A(yù)TGL和HSL酶。其他激活激素和細(xì)胞因子包括糖皮質(zhì)激素、甲狀腺激素、類二十烷酸、心鈉素、生長激素、白細(xì)胞介素、腫瘤壞死因子α、瘦素等。胰島素代表ATGL和HSL的經(jīng)典抑制激素。

圖2、典型中性脂肪分解的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

圖3、典型中性脂肪分解的翻譯后調(diào)節(jié)

酸脂解的典型酶學(xué)

已知唯一在酸性條件下在溶酶體中具有活性的中性脂質(zhì)水解酶是LAL，在溶酶體攝取后，負(fù)責(zé)降解脂蛋白和自噬體中的CEs、TGs、DGs和視黃酯。LAL由Lipa基因編碼，高度糖基化且廣泛表達(dá)，在肝細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中觀察到最高水平。LAL活性的調(diào)節(jié)不如中性脂肪酶復(fù)雜，主要涉及轉(zhuǎn)錄機(jī)制。已建立的激活LAL表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子包括PPAR、FOXO1和轉(zhuǎn)錄因子TFEB和TFE3。

幾十年前，人們就認(rèn)識到溶酶體在降解各種內(nèi)吞脂蛋白中的作用。2009年，脂肪吞噬被確定為一種獨(dú)特的自噬形式，是肝細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中TGs和CEs水解的定量相關(guān)機(jī)制，這一功能得到了擴(kuò)展。三種類型的自噬途徑有助于TG降解：巨噬脂、微噬脂和伴侶介導(dǎo)的自噬（CMA）。在巨噬脂過程中，自噬體隔離并吞噬LDs的一部分，隨后與溶酶體融合形成自噬體。相反，微脂吞噬不涉及自噬體內(nèi)LD成分的封閉。在溶酶體短暫對接到LDs的過程中，脂質(zhì)直接流動。ATGL在CMA中也起著重要作用，其中圍脂滴蛋白的自噬體降解使ATGL進(jìn)入LDs表面，從而刺激脂肪分解。熱休克蛋白70（HSP70）通過識別五肽基序直接與LDs上的圍脂滴蛋白-2和圍脂滴蛋白-3相互作用。隨后，它將其輸送至溶酶體，并通過溶酶體相關(guān)膜2促進(jìn)其攝取和降解。

圖4、自噬和酸脂解

非標(biāo)準(zhǔn)酶與TG動員機(jī)制

典型脂肪酶ATGL、HSL、MGL和LAL是細(xì)胞質(zhì)TG庫水解方面最具特征的酶。在脂肪組織中，ATGL和HSL占TG水解的90%以上，因此不太可能存在其他主要脂肪酶。然而，在非脂肪組織中，即使沒有ATGL和HSL，也可以觀察到大量TG水解酶活性。除了酸脂解的重要作用外，過去十年中，多種蛋白質(zhì)家族的幾種替代性中性脂肪酶與TG分解代謝有關(guān)（總結(jié)見表1）。

盡管ATGL在脂肪分解中的關(guān)鍵作用是無可爭議的，但其最密切相關(guān)的家族成員PNPLA1、PNPLA3、PNPLA4和PNPLA5的不同生化功能仍不明確。α/β水解酶折疊和活性位點(diǎn)絲氨酸嵌入GXSXG共有序列的催化二元結(jié)構(gòu)為這些蛋白質(zhì)提供了作為脂質(zhì)水解酶的結(jié)構(gòu)先決條件。雖然其主要生理底物的明確分配仍然缺失，但其中一些酶直接參與疾病的發(fā)展。

哺乳動物羧酸酯酶（CESs）屬于一個多基因α/β-水解酶折疊超家族，編碼6個人類和20個小鼠副同源基因。它們催化多種內(nèi)源性底物和外源性物質(zhì)的水解。表現(xiàn)出中性TG水解酶活性的CES家族成員包括人類CES1（也稱為人類膽固醇酯水解酶-1，hCEH）和CES2，以及小鼠Ces1d（也稱為Ces3或TG水解酶-1）、Ces1g（也稱為CES1或酯酶-X）和Ces1c。

脂滴相關(guān)水解酶（LDAH）是α/β水解酶超家族的另一成員，具有預(yù)測的脂肪酶活性，但功能尚不清楚。這種假定的酶主要在動脈粥樣硬化病變的BAT、WAT、肝臟、心臟和巨噬細(xì)胞中表達(dá)。LDAH含有一個位于α/β-水解酶折疊內(nèi)的GXSXG脂肪酶基序和一個將蛋白質(zhì)錨定到細(xì)胞溶質(zhì)LDs的疏水基序。雖然LDAH定位于LDs在多種細(xì)胞模型中是無可爭議的，但該蛋白質(zhì)的酶活性和生物學(xué)功能仍然未知。

含DDH結(jié)構(gòu)域的蛋白2（DDHD2，又稱KIAA0725或iPLA1γ）屬于哺乳動物細(xì)胞內(nèi)磷脂酶A1（iPLA1）家族，由DDHD1、DDHD2和SEC23IP三個旁基因組成。所有成員共享一個保守的GXSXG脂肪酶基序和一個DDHD結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域以該結(jié)構(gòu)域內(nèi)的特征氨基酸特征命名。DDHD2表現(xiàn)出DG和TG水解酶活性，小鼠缺乏DDHD2會導(dǎo)致TG在大腦中積累。人類DDHD2基因編碼711個氨基酸的蛋白質(zhì)，分子量為81 kDa。該蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)、高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。在人類中，DDHD2的功能缺失突變會導(dǎo)致遺傳性痙攣性截癱，這是一種與腦內(nèi)脂質(zhì)積聚相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病，以下肢痙攣為特征。

芳基乙胺脫乙?；福ˋADAC）是一種45kDa的酯酶，含有典型的GXSXG基序，在其假定的活性位點(diǎn)與HSL具有相當(dāng)大的序列同源性。AADAC定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，主要表達(dá)于肝臟和腸道，腎上腺和胰腺的表達(dá)較低。AADAC優(yōu)選在TGs上水解乙酸膽固醇酯和DGs。AADAC在體內(nèi)脂質(zhì)代謝中的作用尚不清楚。

細(xì)胞外囊泡（EVs）是最近發(fā)現(xiàn)的利用TG儲存的機(jī)制。與脂肪分解和脂肪吞噬相比，EV介導(dǎo)的TG利用不涉及TG水解和隨后的FA分布。相反，LDs直接從EVs的細(xì)胞中釋放。EV一詞包括兩種主要類型的囊泡，其大小和起源不同：（1）外泌體，直徑為30-150 nm，起源于內(nèi)質(zhì)體系統(tǒng)的腔內(nèi)囊泡；（2）微囊泡，為100-1000 nm結(jié)構(gòu)，從質(zhì)膜上起泡。釋放后，EV被其他細(xì)胞內(nèi)化，使貨物能夠從供體細(xì)胞水平轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞。他們貨物的性質(zhì)是多種多樣的，包括蛋白質(zhì)、核酸、各種代謝物，甚至完整的細(xì)胞器。因此，EV具有多種生物學(xué)功能，從免疫調(diào)節(jié)到組織分化和癌癥發(fā)展。

有報道指出，脂肪細(xì)胞來源的EV能夠?qū)Gs轉(zhuǎn)運(yùn)到脂肪組織中的巨噬細(xì)胞。與所有EV類似，含有TG的外泌體被源自EV產(chǎn)生細(xì)胞質(zhì)膜的磷脂雙層包圍。此外，磷脂單層吞噬封閉LDs的疏水核心。體外實(shí)驗(yàn)表明，TGs通過外泌體的動員占每天細(xì)胞脂質(zhì)釋放的2%，獨(dú)立于脂肪分解的典型FA動員。脂肪細(xì)胞來源的外質(zhì)體幾乎完全被巨噬細(xì)胞吸收，因此可能是脂肪組織中局部細(xì)胞間脂質(zhì)分布的另一種途徑。通過這個過程，巨噬細(xì)胞可以適應(yīng)其局部脂肪組織環(huán)境，這與其他組織中的類似發(fā)現(xiàn)一致。脂肪細(xì)胞來源的EV是否能將TG轉(zhuǎn)運(yùn)到巨噬細(xì)胞以外的細(xì)胞和組織中仍有待闡明。

圖5、外泌體介導(dǎo)的TG動員

抑制脂肪分解的治療潛力

考慮到脂解酶在全身和組織特異性能量穩(wěn)態(tài)中的重要作用，抑制脂解可能為各種代謝性疾病甚至傳染病提供潛在的治療機(jī)會。

2型糖尿病是一個嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題，影響生活質(zhì)量和預(yù)期壽命。肥胖是2型糖尿病的主要危險因素。眾所周知，從肥大脂肪組織到胰島素敏感組織的FA流量增加會導(dǎo)致胰島素抵抗和葡萄糖不耐受。因此，在ATGL、HSL或LAL整體或脂肪細(xì)胞特異性缺失的小鼠中，脂肪組織的FA動員減少，導(dǎo)致糖耐量顯著增加，胰島素敏感性提高。有趣的是，人類HSL缺乏導(dǎo)致胰島素抵抗，這說明HSL在控制碳水化合物代謝中的作用存在著相當(dāng)大的物種特異性差異。特異性操縱脂肪細(xì)胞脂解可能是改善胰島素敏感性和糖耐量的潛在藥理學(xué)方法。

NAFLD影響全球約25%的人口。在大約10%的病例中，NAFLD從相對良性的肝脂肪變性發(fā)展為非酒精性脂肪性肝炎（NASH），進(jìn)而發(fā)展為肝硬化和肝細(xì)胞癌（HCC）。肥胖相關(guān)的NAFLD是由于肝臟中新發(fā)TG合成增加或脂肪組織到肝臟的FAs流量增加，或兩者兼而有之。因此，脂肪細(xì)胞中 FA 動員減少可改善脂肪細(xì)胞特異性 ATGL 缺乏或 CGI-58 缺乏或已接受ATGL抑制劑治療的高脂肪飲食喂養(yǎng)小鼠的肝臟脂肪變性、炎癥和纖維化。

慢性心力衰竭（HF）是一種常見疾病，由心室充盈或排出血液的結(jié)構(gòu)或功能損害引起。健康的心臟表現(xiàn)出高度的靈活性，可以使用FA、葡萄糖和酮體作為能量底物。在心力衰竭期間，代謝靈活性降低，心臟越來越多地使用葡萄糖作為能量燃料。然而，交感神經(jīng)系統(tǒng)的慢性激活和利鈉肽的增加會增加脂肪FA的動員，從而與葡萄糖利用競爭，并加劇HF期間的氧化應(yīng)激。因此，脂肪細(xì)胞特異性ATGL缺乏或ATGL抑制劑治療可保護(hù)小鼠免于壓力誘導(dǎo)的心肌肥厚和心肌纖維化。同樣，在兒茶酚胺誘導(dǎo)的小鼠心臟損傷模型中，ATGL抑制促進(jìn)了心臟保護(hù)作用。

惡病質(zhì)是一種嚴(yán)重的消耗性疾病，伴隨各種疾病的晚期，如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、慢性阻塞性肺病、燒傷所致創(chuàng)傷或癌癥。惡病質(zhì)是一種高代謝性疾病，其特征是全身炎癥和由于脂肪組織和骨骼肌質(zhì)量的減少而導(dǎo)致的體重意外下降，而增加營養(yǎng)攝入是無法逆轉(zhuǎn)的。到目前為止，引起惡病質(zhì)的多因素機(jī)制還沒有得到充分的理解，也沒有有效的治療方法。通過對ATGL的藥理學(xué)或遺傳抑制，或通過靶向錯誤的脯氨酸多聚體信號（如β3-腎上腺素能信號或AMPK–CIDEA軸）來減少脂肪分解，可防止燒傷所致創(chuàng)傷或癌癥的小鼠惡病質(zhì)模型中的脂肪組織丟失。惡病質(zhì)中腫瘤-脂肪組織-肌肉串?dāng)_的潛在機(jī)制以及脂解抑制是否影響人類惡病質(zhì)的問題有待進(jìn)一步澄清。

在過去二十年中的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)將細(xì)胞內(nèi)TG分解代謝從HSL的一個相對簡單的單酶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€復(fù)雜的、高度調(diào)節(jié)的途徑，該途徑在多個水平上影響能量穩(wěn)態(tài)。雖然到目前為止，細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)庫的典型脂解已經(jīng)得到了比較好的表征，但非標(biāo)準(zhǔn)酶的貢獻(xiàn)以及溶酶體酸脂解在細(xì)胞質(zhì)LD降解中的作用需要全面的表征。盡管有令人信服的證據(jù)表明它們在疾病發(fā)展中的相關(guān)性，在許多情況下，這些蛋白質(zhì)的酶功能以及它們在脂質(zhì)代謝和生理學(xué)中的位置仍然不清楚。未來研究的主題將涉及脂解酶治療代謝紊亂的治療潛力。例如，抑制ATGL（可能還有HSL）治療或預(yù)防2型糖尿病、脂肪肝、致命性心力衰竭或惡病質(zhì)。雖然在小鼠身上進(jìn)行的臨床前實(shí)驗(yàn)很有希望，但它們在人類身上的潛力仍然完全未知。未來對這些主題的關(guān)注可能為代謝性疾病的治療提供預(yù)防和治療機(jī)會。

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網(wǎng)址: Nature Metabolism：脂肪分解：從脂肪儲存中動員脂質(zhì)的細(xì)胞機(jī)制 http://www.u1s5d6.cn/newsview534246.html