脂滴最终获得少量R-E-S-P-E-C-T

摘要

脂滴（LD）长期以来被视为惰性脂肪颗粒，但细胞生物学家基本上忽视了它。然而，最近，LD被越来越多地认为是代表细胞生物学前沿的动态细胞器。

这些普遍存在的细胞器存在于大多数真核细胞中(图1; 请参阅快照，本期）。它们的大小变化很大（直径<1–100μm），每一种都由磷脂单层组成，包裹中性脂质核心，如甾醇酯或三酰甘油。许多蛋白质装饰着它们的表面，其中许多在LD生物学中起着功能性作用。因此，LD在结构上与血浆脂蛋白相似，后者由细胞分泌，并通过水循环将脂质输送到身体的不同区域。

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图1

脂滴的解剖学

（上图）培养肝癌细胞中脂滴的电子显微照片。脂滴周围可见膜单层，与线粒体和内质网膜密切相关。（下图）脂滴的结构特征。所示为单层的极性表面脂质（例如磷脂和甾醇）、核心的非极性脂质（例如甾醇酯和三酰甘油）以及装饰液滴表面的各种蛋白质。这些蛋白质包括DGAT2、Rab18、紫苏素和CCT（CTP：磷酸胆碱胞苷基转移酶；磷脂酰胆碱合成中的速率限制酶）。显示了蛋白质如何与脂滴相互作用的几个假设机制，包括两亲性α螺旋、疏水区域直接嵌入液滴和脂锚。（电子显微照片由S.Stone和J.Wong提供；图像转载自Biochim.Biophys.Acta1791,T.C.Walter和R.V.Farese，Jr.（2009）经爱思唯尔许可。）

我们才刚刚开始了解LD生物发生、分解代谢和细胞功能活动的基本方面。LD细胞生物学知识的增加与人类健康和生物燃料领域的应用科学相关。

脂滴作为器官的R识别

脂滴最早的描述可以追溯到19世纪^第个世纪。理查德·奥尔特曼和E.B.威尔逊都描述了细胞中的脂肪滴，并推测了它们的来源(阿尔特曼，1890年;威尔逊，1896年). 早期，LDs的高衍射特性有助于通过光学显微镜进行鉴定。20世纪初，随着它们被认为是大多数细胞的组成部分，这种细胞器有了一个体面的名称：脂质体。然而，在20世纪60年代末，人们发明了人工脂质体，并很快篡夺了这个名称。从那时起，细胞器被称为许多名称，包括脂滴、脂体、脂肪体、脂滴和脂肪体。在植物中，它们通常被称为油体。随着该领域的迅速发展，它似乎已被定名为“脂滴”

除了形态学研究外，几十年来，LD很少受到关注。1991年，发现了一种与脂肪细胞LD相关的磷酸化蛋白紫苏素，这使细胞器受到了新的关注(Greenberg等人，1991年). 自那时以来，关于LD的论文数量急剧增加。这可能反映了许多因素，包括与肥胖和石油生产有关的基础研究、LD生物学在其中发挥突出作用的领域，以及对细胞生物学几乎尚未开发的前沿的认识。

对细胞功能作用的新兴认识

对于许多细胞和生物体来说，环境中的能量供应在过剩和饥饿之间波动，而储存能量的能力可能会提供竞争性的进化优势。细胞能量主要以三酰甘油的形式储存，三酰甘油是一种疏水、高度还原和浓缩的分子，用于储存能量。在细胞内，能量储存被划分为LD。事实上，参与这一过程的最高度专业化的细胞是脂肪细胞，其中LD通常占据细胞质的大部分。在哺乳动物中，LD的能量储存和分解代谢受到激素和信号通路的高度调节。

LD也是生物膜构建块（如磷脂和甾醇）的储存库。必要时，这些脂质可以通过LD中脂质的分解代谢和动员产生。在酵母中，三酰甘油的这种水解与细胞周期有关，并与快速的膜膨胀相结合(Kurat等人，2009年).

LDs通过划分脂质，缓冲细胞免受过量脂质的毒性作用。例如，巨噬细胞可以吸收大量胆固醇，从而引发内质网（ER）应激，并最终通过凋亡或坏死导致细胞死亡(Maxfield和Tabas，2005年). 然而，过量的甾醇可以通过转化为甾醇酯并储存在LD中来解毒，从而保护细胞免受毒性。通过酯化和分配成LD的类似缓冲可以保护细胞免受其他脂质或可能过量有毒的亲脂物质（例如脂肪酸或视黄醇）的伤害。

LDs参与细胞内蛋白质代谢。例如，在果蝇的发育过程中果蝇属组蛋白积聚在LD的表面，直到它们并入快速分裂的细胞核(Cermelli等人，2006年). 丙型肝炎病毒的核心蛋白在肝细胞中病毒复制期间也定位于LDs(Miyanari等人，2007年). LDs在功能上也与剪接体和蛋白酶体相连(Cho等人，2007年;郭等，2008;Ohsaki等人，2006年). 在蛋白酶体中，LD可能作为一些蛋白质沉积和降解的平台。

S-合成用于生长脂滴的脂质

LD的生长需要在液滴表面添加极性脂质和在疏水核内添加中性脂质。极性脂质主要包括磷脂和甾醇。磷脂可以通过从头合成或甘油脂质的转化而获得，例如从三酰甘油水解中获得的二酰甘油。虽然数据有限，但LD中的主要磷脂是磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺。这两种磷脂的生物合成主要发生在内质网中。尚不清楚生长的LD是如何感觉到磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺合成的需要，以及这些磷脂是如何添加到LD表面的。在因CTP丢失而导致磷脂酰胆碱合成受限的细胞中：磷脂酰胆碱胞苷酰转移酶（速率限制酶），LD比正常细胞大，部分可能是因为LD表面的磷脂酰胆碱有限，从而促进LD的融合(郭等，2008).

LD的生长可能涉及向其核心添加大量三酰甘油，这意味着三酰甘油的合成必须与LD的增长相协调。细胞内三酰甘油的合成主要来自甘油磷酸途径，其中脂肪酸部分依次添加到甘油主链。在三酰甘油合成的最后一步，在酰基辅酶a：二酰甘油酰基转移酶（DGAT）催化的反应中，二酰甘油和脂肪酰辅酶a转化为三酰甘油(Yen等人，2008年). 三酰甘油合成途径中的许多酶，包括DGAT酶，存在于内质网和线粒体或线粒体相关膜中，并以多种亚型形式存在(科尔曼和李，2004年;Yen等人，2008年).

新合成的三酰甘油是如何输送到新生LD核心的尚不清楚。主流模型假设三酰甘油在内质网内合成，并在双层膜的小叶之间释放。当三酰甘油积累超过某一阈值时，人们认为在双层中形成脂肪透镜，并通过出芽过程膨胀到细胞质中。三酰甘油是如何被引导到出芽区域的，出芽是如何机械地发生的，以及出芽的方向性是如何实现的，目前还不清楚。事实上，很少有实验证据支持萌芽模型，并且已经提出了替代模型（参见Walther和Farese，2009年). 例如，我们提出的一个推测模型是“囊泡萌芽”，其中新形成的脂质可能填充现有膜囊泡的双层，有效地用中性脂质填充囊泡(Walther和Farese，2009年). 在该模型的变体中，内质网双层充满中性脂质，由此产生的隆起不会从内质网分离。在这种情况下，LD将构成一个特殊的内质网结构域，该结构域仍与内质网双分子层相连。这将允许ER和LD在合成和动员期间快速交换脂质。然而，当LD生长时，颈部膜的高曲率（形式上类似于半融合中间产物）可能需要稳定蛋白质。

LD核心中添加三酰甘油也可能通过LD表面或与液滴相邻的ER膜中三酰甘油的局部合成发生。最近的两项研究表明，三酰甘油在隔离液滴中合成，并将其与激活和酯化脂肪酸的酶（例如，酰基辅酶A合成酶和DGAT2）的存在联系起来(Fujimoto等人，2007年;Kuerschner等人，2008年).

许多LD还含有大量甾醇酯。例如，甾醇酯约占酵母LD中性脂质的一半。在哺乳动物细胞中，甾醇酯是动脉粥样硬化病变中肾上腺皮质细胞和巨噬细胞泡沫细胞LDs中的主要中性脂质。甾醇和脂肪酰基辅酶A在甾醇催化的反应中合成甾醇酯-O（运行）-酰基转移酶。这些酶，如DGAT，定位于内质网，其产物如何被引导至LD核心尚不清楚。

LD也可能通过将较小的LD融合为较大的LD而“生长”，但这在大多数细胞类型中可能是罕见的事件。虽然一些研究表明，延时图像中的LD明显融合(Boström等人，2007年;Guo等人，2008年)，这一机制缺乏确凿的数据。如果发生融合，一种可能的机制是通过简单的相聚结。事实上，我们推测覆盖LD表面的特定蛋白质可能会阻止它们结合。模型植物种子中的数据支持了这一推测拟南芥其中主要结构LD蛋白油素的缺乏导致LD的明显融合(Siloto等人，2006年). 另一种可能性是SNARE蛋白介导LD融合(Boström等人，2007年)，类似于它们在囊泡双层融合中的作用，尽管支持这一推测的证据有限。

P-蛋白靶向脂滴

LDs的代谢功能可能部分由结合在其表面的蛋白质介导。蛋白质如何特异性靶向LDs尚不清楚。LDs的分子“邮政编码”，如将蛋白质导向内质网或线粒体的序列，尚未确定。几种不同的机制可能介导蛋白质靶向LDs。

与某些载脂蛋白与脂蛋白的结合类似，一些蛋白质与LD表面的结合涉及两亲性α螺旋。也许研究得最好的例子是Tip47，它是LD-binding PAT蛋白家族中的一个成员（紫苏素、ADRP/亲脂蛋白、Tip47和相关蛋白）。Tip47片段的晶体结构显示出与载脂蛋白E的结构相似性(Hickenbottom等人，2004年)，具有包含两亲性α螺旋的四螺旋束。通过类比载脂蛋白E与脂蛋白的结合，Tip47的四螺旋束可以打开，以促进内部疏水螺旋与LD表面的结合。通过两亲性α螺旋结合可能是靶向LD表面的其他蛋白质的一种机制。这种蛋白质如何区分LD表面单层和其他细胞器表面的双层尚不清楚。一种可能性是，LD特异性可能是通过特定表面脂质和结合并修饰它们的蛋白质之间的动态相互作用实现的。

蛋白质也可能通过嵌入LD表面的疏水结构域靶向LD。该结构域可能位于N或C末端，或者位于蛋白质的内部区域，这将导致蛋白质周围的亲水区域从液滴表面凸出。后者的例子包括DGAT2、丙型肝炎病毒核心蛋白和小窝蛋白(Boulant等人，2006年;Martin和Parton，2006年;Ostermeyer等人，2004年;Thiele和Spandl，2008年). 这样的拓扑结构将使蛋白质能够从双层膜移动到单层LD表面。例如，小窝蛋白通常通过嵌入在膜双层中的长疏水拉伸物位于特定的质膜域中。当细胞与脂肪酸孵育时，小窝蛋白的很大一部分定位于LD(Robenek等人，2004年). 对于DGAT2，提出了涉及ER双层和LDs的类似机制(Stone等人，2009年;Thiele和Spandl，2008年). 通过脂质修饰将蛋白质靶向LD，类似于将蛋白质靶向膜双层的机制，似乎也很可能，尽管目前还没有直接证据表明这种机制。

这种蛋白质如何从双层膜动态地改变其定位为LD单层尚不清楚。在重新定位期间，似乎不太可能从膜中提取出长的脂质嵌入结构域。如果LD与膜（如ER）保持相邻，则蛋白质可能直接从双层扩散到LD。或者，膜泡交通可能连接质膜或ER与LD。有两条证据支持这种可能性。首先，生物化学方法从酵母微粒体中重建体外囊泡形成，从而鉴定出可能连接ER和LD的囊泡群(武田和中野，2008年). 其次，两个独立的RNAi筛选确定了Arf1/COPI囊泡转运机制在LD形态和脂肪分解中的关键功能(Beller等人，2008年;郭等，2008). 缺乏Arf1/COPI组分的细胞中的脂肪分解缺陷可能至少部分是由于脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL）（主要的甘油三酸酯脂肪酶）被贩运到LDs(Beller等人，2008年;Soni等人，2009年). 鉴于Arf1/COPI蛋白在高尔基体的囊泡生成中具有典型功能，它们也可能在囊泡向LDs的转运中发挥作用。然而，这个模型提出了一个拓扑问题。双层膜包围的囊泡如何与LD周围的单层融合？外囊泡双层与LD表面单层的膜半融合将为脂质或蛋白质的转移提供一种解决方案，但这种想法是高度推测性的。

使大多数蛋白质定位数据的解释复杂化的是，在乳酸脱氢酶中观察到的一些蛋白质实际上可能定位在靠近乳酸脱氢酶的膜上。许多电子显微照片显示ER膜紧邻LD表面，而光学显微镜方法缺乏足够的分辨率来区分LD表面和相邻膜之间蛋白质的准确定位。例如，当细胞用脂肪酸处理时，内质网酶DGAT2定位于LD，但尚不清楚这是否反映了靶向LD表面或相邻内质网双层室(Kuerschner等人，2008年;Stone等人，2009年). 同样，ADRP/亲脂蛋白被光学显微镜研究认为是一种“经典”LD表面蛋白，在LD并列ER膜中有一个重要的池(Robenek等人，2006年). 缺乏跨膜结构域但具有疏水结构域的蛋白质可以通过扩散或穿梭机制在两个隔室之间交换。

E-内质网：LD生物发生的场所？

尽管缺乏正式证据，但LD生物发生的当前模型假定细胞器来自内质网。这是合乎逻辑的，因为为LD核心合成中性脂质的酶（例如DGAT和ACAT）主要定位于内质网，内质网膜通常靠近LD（例如，参见Blanchette-Mackie等人，1995年). 此外，最近的一项冷冻断裂研究表明，大部分LD被ER膜包围，类似于盛鸡蛋的鸡蛋杯(Robenek等人，2006年). 在酵母中，新生的LD几乎普遍存在于ER膜附近（N.Krahmer、P.Mardones和T.C.W.，未发表的数据；古德曼，2008).

LD和ER之间的接触点可以提供多种功能。我们可以设想一种模型，在该模型中，内质网中膨胀的LD与内质网保持物理连接，而内质网可以通过一组特殊的蛋白质来稳定。这种连接可以促进隔间间的蛋白质或脂质交换。例如，在脂解过程中，生成的二酰甘油和脂肪酸可以直接转移到内质网进行磷脂合成。同样，LDs表面发现的固醇转移蛋白可以介导释放的固醇返回内质网的转运(Hynynen等人，2009年).

此外，LD可能在功能上与其他细胞器结合。例如，在缺乏内质网的细菌中，证据表明乳酸脱氢酶来源于质膜(瓦尔特曼等人，2005年). 其他研究表明，LD与过氧化物酶体膜、线粒体或细胞内寄生虫的复制液泡相互作用（参见古德曼，2008;Walther和Farese，2009年).

很少有蛋白质被确定为对LD形成至关重要。全基因组筛查果蝇属细胞鉴定出许多功能丧失导致脂滴减少或缩小的基因(Beller等人，2008年;郭等，2008). 酵母中类似的筛选表明seipin（由FLD1（飞行高度层1）基因）参与(Fei等人，2008年;Szymanski等人，2007年)，但缺乏机械洞察力。Tip47也与LD的生物发生有关(Bulankina等人，2009年).

脂滴的C分解代谢

当细胞需要脂类产生能量或合成膜时，脂解被激活以动员这些底物。在三酰甘油的脂解过程中，单个脂肪酰基链从甘油主链上依次断裂。在哺乳动物脂肪组织中，脂肪分解在禁食或运动期间受到儿茶酚胺的高度调节和诱导(Zechner等人，2009年). 儿茶酚胺与G蛋白偶联受体结合，通过腺苷酸环化酶的激活以及蛋白激酶a（PKA）的激活，导致细胞内cAMP的增加。反过来，PKA磷酸化许多蛋白质，包括激素敏感脂肪酶和紫苏素(Brasaemle等人，2009年). 紫苏素的磷酸化触发ATGL辅活化因子CGI-58的释放。随后，ATGL被招募到LD中，在LD中复合物催化从三酰甘油中去除第一个酰基链。激素敏感脂肪酶的磷酸化激活了该酶，导致其重新定位到LD表面，在LD表面裂解第二个酰基链，生成单酰基甘油。最后一个酰基链被单酰基甘油脂肪酶除去，甘油被释放。在这个过程中，不同的脂肪酶直接靶向LD的表面，与它们各自的底物相互作用。但是，例如，ATGL如何穿透LD排除单层并访问位于核心的三酰甘油尚不清楚。我们推测，脂肪酶或与脂肪酶有关的蛋白质复合物与LD表面结合，并有效分割表面磷脂单层，从而使核心中的中性脂质进入上覆脂肪酶的催化部位。来自培养细胞的一些证据表明，在最大程度的脂解刺激下，LD可能会分解为较小的LD，从而为脂肪酶提供更多的表面积。这是否发生在正常生理学中尚不清楚。这种过程可以通过使膜变形并开始发芽的蛋白质来促进，例如coatamer蛋白质(郭等，2008). LDs也可能通过自噬降解(Singh等人，2009年)，但该途径对脂肪分解的相对贡献尚不清楚。与从细胞中释放脂质的选择性更强、激素诱导的脂解机制相比，自噬可以为脂质的大量循环提供一种机制，以供细胞利用。

翻译关联与未来研究

LDs在三酰甘油储存过多的疾病中起着重要作用，例如肥胖和代谢综合征，这些疾病经常导致心血管并发症和2型糖尿病的发展。事实上，许多疾病，如肥胖、糖尿病和脂肪肝，可以被称为“过多LDs疾病”。脂肪细胞、肌肉细胞、肝细胞和心肌细胞中的LDs可能保护细胞免受过多脂肪的影响。然而，在许多情况下，过多的脂质沉积可能会超过细胞的能力，导致功能障碍，称为脂毒性（综述于Schaffer，2003年). 这就提出了一个有趣的问题，即是什么决定了细胞储存脂肪的能力，这个问题迄今尚未得到解答。一些研究表明，在某些情况下，增加细胞或组织中三酰甘油的合成能力是有保护作用的(Yen等人，2008年). 有趣的是，蛋白质Fsp27/CIDEC调节脂肪细胞中的脂肪储存(Gong等人，2009年)也可以调节LD的存储容量(Keller等人，2008年). 此外，罕见的遗传疾病会导致组织中LDs过多：ATGL或CGI-58纯合缺陷会导致中性脂质沉积病，并分别与肌病或皮肤鱼鳞病相关(Schweiger等人，2009年).

LDs在动脉粥样硬化中也起主要作用。在动脉粥样硬化动脉中，胆固醇酯积聚在巨噬细胞的LD中，形成“泡沫细胞”，这是动脉粥样硬化病变的标志。在泡沫细胞中，LD可能起到缓冲细胞免受过量非酯化甾醇毒性的作用。如果巨噬细胞被过量的脂质淹没，它们可能会发生凋亡和坏死细胞死亡，导致病变不稳定，最终导致中风和心脏病发作(Maxfield和Tabas，2005年). 除了代谢性疾病外，LDs还参与多种传染源的细胞内复制，包括衣原体和丙型肝炎病毒(Boulant等人，2007年;Cocchiaro等人，2008年;小川等人，2009年)为这些感染提供了新的治疗角度。

除了疾病之外，低密度脂蛋白还引发了对用于营养或生物燃料目的的石油生产应用科学的深入研究。长期以来，通过繁殖产生的动物或作物的脂质产量发生了变化或最大化，并且可能会随着基因工程的发展而增加。此外，在藻类或细菌中工业化生产LD作为生物燃料提供能源的努力正在迅速增加(服务，2009). 传统上，储存在脂质体（植物中LD的功能等效物）中的植物油是以如下物种生产的：甘蓝型油菜并加工成生物柴油。目前，藻类等光合微生物的工程有望将石油的工业规模生产带到一个新的领域。

结论

我们已经触及了与LD有关的大多数尚未解决的基本问题，例如与LD的功能、形成、生长和分解代谢有关的问题。另一个问题是，现在被称为LD的所有细胞器是否真的是等价的，或者只是彼此相似。例如，巨噬细胞泡沫细胞中富含甾醇的液滴在蛋白质组成上与富含三酰甘油的脂肪细胞中的脂滴相似吗？不同类型的LD可能通过不同的机制产生吗？至少对于细菌中形成的LD，其机制与真核生物中的不同已经很清楚了。

这些问题提供了丰富的研究机会，从生物物理学到细胞生物学，再到多细胞生物中的脂质和能量代谢。必须解决的一些挑战是方法学，这些领域的进展将极大地服务于该领域。例如，高分辨率光学显微镜技术的应用可能提供对LD与其他细胞器（如ER）关系的见解。纯化LD亚群的生化技术，类似于分离血浆脂蛋白类的技术，可能非常有价值。开发类似双层脂质体的人工LD生成方法，将能够对LD融合或蛋白质靶向等现象进行详细的生化和生物物理研究。

LD生物学领域正处于信息时代的尖端。LD正从相对模糊的状态发展成为一种动态结构，具有复杂有趣的生物学特性，与细胞生物学的其他方面高度融合。深入了解LD生物学的分子方面将提供有关生理学和疾病的新信息，并将为应用科学提供新的线索。LD终于获得了他们应得的尊重。

致谢

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