宋保亮教授全面总结胆固醇代谢平衡的机制与调控

胆固醇(cholesterol )是哺乳动物体内含量最丰富的甾醇类分子,是细胞膜的基本组分之一,能与邻近脂类分子作用调节膜的刚性、流动性和渗透性,或与跨膜蛋白结合维持或改变后者的构象。胆固醇也是氧化甾醇和甾醇类激素的必备合成前体。此外,胆固醇还能共价修饰Hedgehog及其下游的Smoothened蛋白(宋保亮组发现新型胆固醇共价修饰蛋白【1】,确保胚胎正常发育。胆固醇代谢平衡对维持细胞和机体的生命活动至关重要,胆固醇代谢异常与心脑血管疾病、神经退行性疾病及肿瘤等的发生密切相关。
 
胆固醇代谢包括内源合成、外源摄取、外排和酯化等四个主要部分。胆固醇合成主要发生在肝脏,通过近30步酶促反应将乙酰辅酶A转化为胆固醇分子;其中3-羟基-3-甲羟基戊二酰辅酶A还原酶(HMGCR)和鲨烯单加氧酶(SM)是内源合成途径的两个限速酶。新产生的胆固醇与甘油三酯组装成极低密度脂蛋白(VLDLs)分泌到血液中或以脂滴的形式在细胞内储存。饮食中的胆固醇可被小肠细胞表面的NPC1L1介导内吞【2,3】,继而和酯化的胆固醇组装成乳糜微粒分泌。VLDL在血液中转变为低密度脂蛋白(LDLs),被外周组织细胞表面的LDL受体(LDLR)结合并内吞。LDL然后被分选进溶酶体,水解释放出游离的胆固醇。这些胆固醇通过溶酶体-过氧化物酶体膜接触等机制被继续运输到其它细胞器或质膜发挥其生物学功能【4,5】。在大部分组织的细胞中,多余的胆固醇能通过ATP结合盒(ABC)转运蛋白家族蛋白ABCA1与ABCG1 外排至血液,与载脂蛋白apoA-I形成高密度脂蛋白(HDLs)。在肝、肠细胞中,胆固醇可通过ABCG5与ABCG8外排到胆汁或肠腔,被循环利用或排出体外。过量的胆固醇还可被胆固醇酯化酶(ACAT)转变成胆固醇酯储存在脂滴中,或包裹进到上述脂蛋白颗粒中心,再被释放至血液。这些复杂的过程在多重水平上受严密严格调控,细胞有多种机制能感知并响应代谢状态以维持胆固醇代谢平衡稳态。
 
2019年12月17日,武汉大学生命科学学院宋保亮教授在Nature Reviews Molecular Cell Biology在线发表了题为Mechanisms and regulation of cholesterol homeostasis 的综述论文,全面总结了目前有关胆固醇合成、吸收、外排和酯化的最新进展,对各个过程及核心调控机制进行了详细的介绍,指出了胆固醇代谢与各相关疾病直接的关系和潜在治疗靶点,绘制了一幅详尽的胆固醇代谢调控网络图。
 

胆固醇合成调控

 

几乎所有的动物细胞都能合成胆固醇。肝脏合成的胆固醇约占总合成量的一半。胆固醇生物合成需要消耗大量的能量和营养物质,例如ATP、乙酰辅酶A及还原剂NADPH等。甾醇调节元件结合蛋白2(SREBP2),以及两种限速酶HMGCR和SM是胆固醇合成的关键调控因子。
 
1.1 SREBP2
 
SREBP2首先在内质网上被合成为一个N端含有“碱性螺旋-环-螺旋-亮氨酸拉链”结构域,C端与SCAP结合的两次跨膜蛋白。在内质网胆固醇浓度被耗尽时,SCAP蛋白构象处于“关闭”状态,使得其MELADL序列被COPII囊泡识别,SCAP-SREBP复合体因此从内质网易位至高尔基体,并在那里经过S1P和S2P两步剪切,释放出具有转录活性的N端入核(nSREBP2),从而激活一系列下游基因的表达(图1a)。当内质网胆固醇浓度高于膜总脂量的5%时,胆固醇结合SCAP并使之结合另一内质网蛋白INSIG,阻止 COPII的招募,SCAP因此滞留在内质网无法被激活(图1b)。氧化甾醇能直接结合INSIG并促使它与SCAP-SREBP复合体结合。INSIG-SCAP-SREBP蛋白复合体的形成也稳定了INSIG,避免其被泛素化降解。除了INSIG外,其它调控SREBP2通路的因子还包括内质网脂筏蛋白ERLINs、泛素连接酶TRC8与RNF145、AKT、PAQR3以及HSP90等。
 
mTORC1可通过磷酸化lipin1并阻止其入核从而上调nSREBP2蛋白表达量。相反,ChREBP能以某种未知的机制促进nSREBP2泛素化降解。FBW7可介导被GSK3磷酸化的nSREBP2的降解。此外,nSREBP2的转录活性受其乙酰化、磷酸化和SUMO化调控(图1c)
 
1.2 HMGCR
 
HMGCR定位于ER,其N端是一个八次跨膜结构域,C端是一个伸向胞质的催化结构域,负责将3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原成甲羟戊酸 。作为胆固醇合成途径的限速酶,HMGCR在转录、翻译与翻译后水平上均受调控。它在甾醇缺乏的条件下比较稳定。氧化甾醇(25-羟基胆固醇,27-羟基胆固醇)、甲基化甾醇(羊毛固醇、24,25二氢羊毛固醇),以及维生素E家族成员均能诱导其降解。相比之下,胆固醇诱导HMGCR降解的能力比较弱。
 
INSIG对甾醇诱导的HMGCR降解至关重要。当氧化甾醇和羊毛固醇在细胞内积累时,INSIG1及其结合的泛素连接酶gp78、TRC8和RNF145会与HMGCR跨膜区结合,泛素化该蛋白导致其通过内质网相关蛋白降解途径降解。泛素融合降解蛋白UFD1 及香叶基香叶醇geranylgeraniol都能促进HMGCR降解。施耐德角膜营养不良症相关的异戊烯转移酶UBIAD1突变体因为滞留在内质网上,竞争性抑制INSIG介导的HMGCR降解,从而增加角膜胆固醇合成,导致角膜病变。
 
HMGCR的磷酸化会抑制其酶活。在肝脏中,HMGCR主要被AMPK磷酸化。因此,抑制AMPK活性能激活HMGCR,增加胆固醇合成。

1.3 SM

SM是胆固醇合成途径的另一个限速酶,其拓扑学结构目前依然未知,目前认为N端前100个氨基酸和 C端两个螺旋结构域都可能将SM锚定在内质网上。与HMGCR类似,SQLE基因的表达可被SREBP2 上调。胆固醇能诱导其降解,这一过程涉及N端前100个氨基酸里的一段两性螺旋与膜的解离,泛素连接酶MARCH6的招募,以及两性螺旋两侧的丝氨酸的泛素化,但不需要INSIG的参与。

图1:胆固醇合成调控

 

 

胆固醇吸收调控

 

除了内源合成,NPC1L1介导的小肠胆固醇吸收和 LDLR介导的LDL摄取对维持胆固醇稳态也非常重要。
 
2.1 NPC1L1介导的小肠胆固醇吸收
 
NPC1L1是一个高度糖基化的13次跨膜蛋白,定位于肠细胞面向肠腔的一面或人肝细胞面向胆管的一面。其N端结构域能选择性结合胆固醇和氧化甾醇;胞外第二个大环是胆固醇吸收抑制剂依折麦布(ezetimibe)的作用位点。与SCAP及HMGCR一样,它的跨膜区域也包含一个甾醇感受区域。NPC1L1的C端结构域还有内吞的信号序列YVNxxF及QKR序列,分别被NUMB及LIMA1识别介导其内吞或上膜【2,3】
 
NPC1L1 的亚细胞定位受细胞内胆固醇水平调控(图2)。在正常培养条件下,NPC1L1 大部分定位于胞内内吞循环体(ERC)。胆固醇饥饿时,NPC1L1会由ERC转运到质膜;再递送胆固醇使 NPC1L1 再次被内吞,同时携带大量胆固醇进入细胞【6】。从分子机制上说,胆固醇与NPC1L1相互作用促使形成富含胆固醇、脂筏蛋白flotillins和神经节苷脂的膜微结构域【7】,导致NPC1L1的C端与质膜解离,暴露出YVNxxF序列被NUMB识别,继而招募网格蛋白起始内吞【2】。NPC1L1从ERC回到质膜则需要LIMA1,小GTPase CDC42,肌球蛋白Vb和微丝【3,8,9】。胆固醇饥饿使得CDC42结合GTP而活化,与NPC1L1的结合增加。CDC42和激活的下游N-WASP和Arp2/3复合物进一步促进微丝聚合;而NPC1L1通过LIMA1 与肌球蛋白Vb作用,沿微丝回到质膜表面。这种NPC1L1通过囊泡内吞介导饮食胆固醇吸收的分子模型得到了许多体内结果的支持。给小鼠喂食胆固醇可诱导NPC1L1和胆固醇从小肠刷状缘处内吞,且此过程可以被依折麦布阻断【10】。小肠特异性Numb敲除和Lima1敲除小鼠的小肠胆固醇吸收减少,可抵抗饮食诱导的高血脂症。人体中NUMB、LIMA1及NPC1L1突变也能减少小肠胆固醇吸收与血液LDL胆固醇(LDL-C)水平,降低心脑血管疾病发生率。
 
2.2 LDLR血液LDL-C内吞
 
LDLR是一个多结构域单次跨膜蛋白,其胞外段有一个apoB/apoE结合区域,一个表皮生长因子(EGF)前体同源结构域(包含EGF-A,EGF-B,六叶β螺旋和 EGF-C),一个O-连接的富含低聚糖的结构域;胞内段有一个相对较短的C端尾部,包含高度保守的NPxY内吞序列。
 
LDLR首先被合成为一个120 kDa的前体,在分泌转运途径中被糖基化,最终转变为160 kDa的成熟蛋白定位在质膜上。在极性细胞(如肝细胞和肠细胞)中,LDLR位于与NPC1L1 相反的一面。LDLR的胞外段可以结合LDL,胞内段招募内吞配体ARH和DAB2,使得LDL被包裹在网格蛋白小泡中被内吞 (图2)。在酸性内体中,LDLR发生构象变化,并与LDL解离。LDLR随后被COMMD-CCDC22-CCDC93内体循环复合物递送回质膜再次利用;或进入溶酶体降解。PCSK9 和泛素连接酶IDOL均可介导LDLR的降解。另一方面,LDL携带的胆固醇酯被溶酶体水解酶水解成游离胆固醇,然后通过NPC2、NPC1和溶酶体相关糖蛋白LAMP2协同作用转运到溶酶体膜表面。NPC1或NPC2突变会导致胆固醇在溶酶体异常堆积,引起 C型尼曼匹克病。溶酶体表面的胆固醇可以继续传递给其他细胞器,主要是内质网和质膜。溶酶体—过氧化物酶体—内质网之间的膜接触参与了胆固醇从溶酶体向内质网的运输【4,11】。胆固醇也可能被固醇转移蛋白ORP1L和ORP5转运到内质网。此外,溶酶体胆固醇可先通过ORP2转运到质膜,再从质膜转运到内质网。

图2:胆固醇吸收调控

 

胆固醇外排调控

 

尽管所有哺乳动物细胞都能产生胆固醇,但大多数细胞(肝细胞、肾上腺细胞和性腺细胞除外)不能分解胆固醇。由于其脂毒性,多余的胆固醇需要被排放到细胞或转化成胆固醇酯储存在脂滴中(图3)。目前已知四个 ABC转运蛋白超家族成员——ABC亚家族A成员1(ABCA1)和ABC亚家族G(ABCG)成员1,5和8——负责在特定细胞中负责胆固醇的外排。
 
3.1 ABCA1介导的外排
 
ABCA1由两个包含六个跨膜段和一个大的糖基化胞外结构域的单元串联组成。它在全身广泛表达,在巨噬细胞中有特别重要的作用,能帮助清除多余胆固醇,防止它们转化成泡沫细胞,因而具有保护动脉粥样硬化的功能。人ABCA1基因突变会引起Tangier病。其特征为:血清中HDLs几乎完全缺失,很多组织,特别是巨噬细胞丰富的组织中有大量胆固醇酯累积。
 
载脂蛋白apoA-I 接受由ABCA1外排的胆固醇,产生新的HDLs。这些脂蛋白颗粒在卵磷脂:胆固醇酰基转移酶(LCAT)的作用下成熟,继而接受由ABCG1外排的胆固醇。ABCA1可以直接把磷脂运输或翻转过脂质双分子层,然而ABCA1介导胆固醇外排至载脂蛋白apoA-I的机制并不清楚。
 
3.2 ABCG1介导的外排
 
ABCG1也在巨噬细胞和许多其他类型的细胞大量表达,但在肝细胞中含量低,在肠细胞中不表达。它是一个半转运体,与另一个ABCG1或ABCG4分子一起构成有功能的转运体。虽然已知ABCG1能介导胆固醇的外排,但是有关它如何在动脉粥样硬化中发挥作用并未达成一致。在小鼠中敲除Abca1和Abcg1能诱导脂质在富含巨噬细胞的组织堆积。在巨噬细胞中敲除Abca1和Abcg1可以加速Ldlr敲除小鼠的动脉粥样硬化。这些结果说明ABCA1和ABCG1介导的胆固醇外排能预防动脉粥样硬化。
 
ABCG1介导胆固醇外排到多种细胞外受体,包括:HDL,LDL,血清蛋白,甲基-β-环糊精和脂质体等,但不包括到apoA-I。除胆固醇外,氧化甾醇及胆碱磷脂也是ABCG1的转运底物。到目前为止,ABCG1介导胆固醇外排的机制尚不清楚。关于ABCG1的亚细胞定位也有不同观点。
 
3.3 ABCG5和ABCG8介导的外排
 
ABCG5和ABCG8特异性表达在肝细胞和肠细胞的表面,它们形成一个异二聚体介导植物固醇和胆固醇外排至胆汁和肠腔。人ABCG5和ABCG8的单一或联合突变会导致谷甾醇血症,其特征是血浆中植物甾醇水平升高。在小鼠中,肝脏ABCG5和ABCG8直接促进外排胆固醇进入胆汁,而肠道ABCG5和ABCG8将来自血液脂蛋白的胆固醇排入肠腔。
 
目前认为,ABCG5和ABCG8能将膜内叶的胆固醇翻转至膜外叶,再交给胆酸盐。磷脂可通过增加胆固醇在胆酸盐中的溶解度大大促进胆汁胆固醇分泌。除了直接翻转,ABCG5和ABCG8可以将胆固醇一部分推入水相,提供给被胆盐-磷脂酰胆碱吸收。

 

图3:胆固醇外排与酯化调控

胆固醇酯化调控

 

胆固醇酯的形成是防止游离胆固醇积聚的另一重要的方式。在细胞内,由ACATs介导形成的胆固醇酯可被储存或分泌(图3)。酯化也可帮助小肠胆固醇吸收,及游离胆固醇的和胆固醇酯之间的平衡。

哺乳动物有ACAT1和ACAT2两种同工酶。他们都是跨膜蛋白,预测ACAT1有9个跨膜结构域,ACAT2有2-5个域。ACAT1 的前140个氨基酸位于细胞质中,介导由两个同二聚体组成的四聚体的形成。ACAT2是否以聚合形式存在未知。
 
4.1 ACAT1介导的酯化
 
ACAT1广泛表达于全身多种细胞,在巨噬细胞、上皮细胞和类固醇激素产生细胞的表达尤为丰富。人动脉粥样硬化的巨噬细胞中有大量ACAT1。然而,ACAT1在 动脉粥样硬化中的作用存在争议。另外,在小鼠中阻断ACAT1介导的胆固醇酯化可改善阿尔茨海默病和阻止胰腺癌和前列腺癌肿瘤的生长。在CD8+T细胞中抑制ACAT1能增加质膜胆固醇,促进T细胞受体聚集和免疫突触形成,最终增强这些细胞的抗肿瘤活性,说明了ACAT1可作为治疗癌症的新靶点。
 
ACAT1的活性受变构调节,胆固醇是ACAT1 的激活剂和底物。激活后的ACAT1可以利用包含3-β羟基的甾醇或甾醇类似物作底物,包括7-酮胆固醇、谷甾醇、孕烯醇酮等。
 
4.2 ACAT2介导的酯化
 
ACAT2主要表达在肠上皮细胞,一部分也存在于肝细胞中。ACAT2介导的胆固醇酯化能增加小肠胆固醇吸收。在小鼠中全身敲除Acat2能大大降低胆固醇的吸收,防止血浆胆固醇升高与避免饮食诱导肝胆固醇累积。在高脂血症背景的小鼠中敲除或抑制ACAT2能延缓动脉粥样硬化的发生。
 
ACAT2可被胆固醇激活,继而催化各种包含3-β羟基的甾醇或甾醇类似物的酯化。与ACAT1相比,它在酯化25-羟基胆固醇和胆汁酸衍生物的效率较胆固醇更高。再加上NPC1L1对胆固醇的高选择性,以及ABCG5和ABCG8对谷甾醇等的选择性外排,有效保证了小肠细胞对胆固醇的高效吸收和对胆固醇的重吸收。

 

胆固醇调控通路的互作

 

为了达到胆固醇代谢平衡,其内源合成、外源吸收、外排与酯化必须严格被调控。当内质网上羊毛固醇、胆固醇及其衍生物累积时,HMGCR和SM被快速降解。高水平胆固醇也能诱导SCAP与INSIG结合, 抑制SREBP通路激活,从而阻止了一系列参与胆固醇合成(如:HMGCR和NADPH)和摄取(如:LDLR和NPC1L1)基因的表达。ABCA1的负调节因子miR-33的表达也能被胆固醇下调。氧化甾醇和链甾醇能激活LXR通路并上调ABCA1、ABCG1、ABCG5和ABCG8的转录,增加胆固醇外排。LXR激活能通过MeXis促进ABCA1的表达,也能通过LeXis抑制SREBP2的表达。LXR还能上调IDOL和RNF145的表达,前者介导LDLR的降解,后者介导SCAP的降解。此外,ACAT1和ACAT2可被过量的胆固醇变构激活,再连同LXR介导SREBP1c激活生成的脂肪酸,将胆固醇转化为毒性较小的胆固醇酯储存(表1)

 

表1:胆固醇代谢通路的互作

结  论

 

虽然在过去的一个世纪里胆固醇代谢稳态已被广泛研究,但有越来越多的证据表明,胆固醇代谢紊乱与心脑血管疾病疾病和其他疾病,例如过氧化物酶体紊乱疾病、阿尔茨海默病、甚至某些癌症密切相关。过去的研究加深了对生理及病理条件下胆固醇代谢的理解,也为胆固醇相关疾病的治疗提供的新靶点和策略。
 
目前,HMGCR抑制剂—他汀类药物—已被广泛用于治疗心血管疾病。然而,他汀类药物的疗效受HMGCR蛋白代偿性增加的限制。依折麦布和PCSK9抑制剂可以进一步降低服用他汀类药物高脂血症患者的LDL-C水平。受羊毛固醇诱导HMGCR降解启发,与羊毛固醇结构类似的化合物最近被被证明能抵抗他汀诱导的HMGCR升高,防止动脉粥样硬化斑块的形成 (Jiang et al., 2018)【12】除心血管疾病外,降低胆固醇也是治疗癌症和尼曼匹克病的有效手段。然而,将来还需要进一步减少副作用及寻找更有效、更安全的方法。
 
亟需解决的关键问题包括:大脑中的胆固醇代谢是否与外周组织类似?其它细胞(如:干细胞、免疫细胞、神经元等)中胆固醇代谢是怎样的?胆固醇代谢如何响应除脂质以外的其他信号?胆固醇及甾醇中间体的新功能又是什么?

 

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41580-019-0190-7
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