動物脂滴結構及功能研究進展

羅 強，閆 峻，李 寧，穆淑琴，孫 超*

(1.西北農林科技大學 動物科技學院，陜西 楊凌 712100; 2.天津市農業科學院 畜牧獸醫研究所，天津 300381;3.天津市畜禽健康養殖工程技術中心, 天津 300381)

長期以來，脂滴被認作一種單純儲存中性脂質的惰性亞細胞結構，隨著研究的深入，脂滴的生物學功能逐漸被發現，其作為一種活躍的細胞器引發人們廣泛的興趣。研究發現，脂滴不僅參與脂質的儲存、代謝和運輸等生理過程，還與動物體許多代謝性疾病相關，具有非常重要的研究價值。但是，脂滴與畜禽肉品質之間的關系研究較少。本文綜述了近年來國內外脂滴相關研究進展，并對脂滴的生物學結構、脂蛋白分類、與脂滴有關的代謝疾病和功能研究等進行了歸納，以期為改善畜禽胴體性狀與肉品質提供一定的參考意見。

1 脂滴

有關脂滴(lipid droplets，LDs)的研究最早可追溯到19世紀，Wilson和Altmann發現細胞中存在脂肪小滴，并推測脂肪小滴的來源。起初稱其為脂質體，20世紀60年代，伴隨著人造脂質體的發明，這種細胞器的名稱不斷改變，包括脂質體、脂體及脂滴。隨著對它的不斷深入研究，學術界最終將它定名為“脂滴”。脂滴是在動物脂肪組織中廣泛存在的一種非靜態細胞器，主要由一些位于中心位置的中性脂質和外周包裹的磷脂單分子層構成。中性脂質一般包括甘油三酯、膽固醇酯等。同時，在磷脂分子層中鑲嵌著許多功能性蛋白，如PLIN(Perilipin)等脂滴蛋白(見圖1)。

圖1 脂滴的基本結構[6]Fig.1 The basic structure of lipid droplets

脂滴可調節控制體脂貯存，參與調控脂質代謝和運輸、信號轉導及細胞骨架形成等多個生理過程，比如參與調節甘油三酯的合成與降解、膽固醇代謝和花生四烯酸代謝。真核細胞的細胞類型、饑餓狀態以及生理條件等因素決定了宿主利用脂滴中脂質的方式，主要包括脂解和脂滴自噬這兩種途徑。在哺乳動物脂肪細胞中，細胞內能量和激素水平的變化激活脂解作用，引發激素敏感性脂肪酶 、甘油三酯脂肪酶和單酰甘油脂肪酶這3種脂肪分解酶的瞬時活化，從而協調三酰甘油 (triacylglycerols, TAGs)水解產生能量。脂滴包被蛋白定位于脂滴表面并保護TAG免受細胞質脂肪酶的降解，當機體處于饑餓狀態時，脂滴包被蛋白會通過自噬作用促進脂質降解。營養缺乏、病毒感染和甾醇消耗等因素，均可引發自噬從而導致脂滴降解。

2 脂滴的形成

脂滴核心形成機制到目前為止還不完全清楚。目前比較經典的模型是內質網出芽模型。該模型認為：新合成的中性脂質在內質網磷脂雙分子層中積累，逐漸積累的中性脂質促使內質網膜芽包狀結構形成，通過蛋白間的相互作用啟動出芽過程，從而與內質網膜表面分離、脫落，最終形成細胞內游離的脂滴。此外，還有其他2種脂滴起源模型同樣引起人們關注。其中一種模型提出脂滴來源于內質網上雙分子膜切除，新合成的中性脂質積累引起內質網膜的膨脹，隨后整個脂滴被蛋白酶體切除，在內質網膜上留下一個瞬態孔，內質網內物質可能通過這個孔泄露到細胞質中。另外一種模型稱為水泡式出芽，脂滴最初利用機械分泌囊泡的途徑在內質網上形成一個小雙分子層囊泡。這個過程發生在內質網的特殊區域，新生的小泡隨后綁定在內質網膜上，在相關酶的作用下，中性脂質填充到膜內空間，形成完整的脂滴結構。

3 脂滴蛋白分類

伴隨著脂滴分離純化技術的逐漸成熟和定量蛋白質組學以及比較蛋白質組學的快速發展，研究者發現脂滴表層鑲嵌覆蓋著許多脂滴蛋白，如PLIN蛋白，Rab蛋白等。盡管在不同的物種中所發現的脂滴蛋白于種類和數量上不盡相同，但這些蛋白在功能上具有較為統一的分類學一致性，大體可以分為以下幾類：第1類為脂滴結構的維持蛋白，特定物種在缺少某些蛋白的情況下，脂滴會出現不穩定的狀態，例如高等動物細胞中的PLIN家族蛋白及Oleosin類蛋白等。目前已經發現許多維持細胞結構穩定的骨架蛋白都與脂滴相關，例如肌動蛋白，微管蛋白和肌球蛋白等，同時還有一些蛋白質可能支持脂滴的運動，例如哺乳動物細胞以及果蠅胚胎中的脂滴能表現出一定的運動性，它能驅動動力馬達蛋白沿著微管移動；第2類主要為脂質合成代謝酶類，例如DGAT (Diacylglycerol Acyltransferase)酶類和ATGL(Adipose triglyceride Lipase)酶類，它們分別與甘油三酯合成和脂質水解相關；第3類主要為膜轉運類蛋白以及與動態變化相關的蛋白，這些蛋白表明脂滴可能通過分裂或融合的機制來改變自身的大小，并可進一步與其它細胞器相互作用，調控細胞內囊泡出芽、轉運和融合等過程, 這些蛋白包括有Rab (small GTP-binding protein)類等；第4類主要為信號分子類蛋白，這些酶類的發現證明脂滴有可能起到某些信號傳遞的功能，例如RalA (Ras-like-small GTPases)、RAP (Ras-Proximate)和其它幾種蛋白激酶類；第5類主要為蛋白降解的酶類，預示脂滴有可能負責部分蛋白的降解工作，例如UBXD(Ubiquitin-like-domain)系列和AUP (Ancient Ubiquitous Protein)系列蛋白；第6類主要為核糖體蛋白，許多蛋白質組學研究發現了核糖體的脂滴定位蛋白質，這表明脂滴可能與蛋白質翻譯有關。

4 脂滴重塑

脂滴在感受營養、信號、應激以及活性代謝產物的動態變化中，其單層磷脂膜結構、膜表面調節脂滴發育和脂質代謝的關鍵酶組成會發生變化，從而調節脂滴代謝，促進脂滴融合或分解，從而使脂滴在數量、大小以及脂滴內容物的組成上發生變化，稱之為脂滴重塑。

4.1 脂滴融合

在脂肪細胞分化過程中，許多小脂滴會結合形成一個大脂滴，占據脂肪細胞大部分體積。脂滴有2種融合機制。一種融合機制為脂質通過擴散從小脂滴轉移到較大脂滴，這個過程需要兩脂滴緊密結合，這時DNA斷裂因子相似蛋白(cell-death-inducing DNA-fragmentation-factor-like effector,CIDE)家族便發揮了重要作用，包括CIDEC/Fsp27。另外一種機制為兩脂滴直接融合，而沒有從小脂滴向大脂滴轉移的現象。通常，脂滴表面上的磷脂表面活性劑會阻止脂滴的融合，如果磷脂成分發生變化，表面張力減小，脂滴會自發融合。當前第一種融合機制為一大研究熱點。脂滴在脂滴接觸位點(LDCS)募集CIDE和Rab8a形成穩定蛋白復合物，通過PLIN1的調節出現穩定的融合孔，從而使脂質從較小LD轉移到較大LD，最終完成脂滴的融合，該過程受多種因素影響，如內部壓力等。

Gong等研究發現，CIDE蛋白在脂滴接觸位點富集，該靶向作用取決于其C端附近的疏水區域(aa 136-217)。Rab蛋白作為一種膜動力學的重要調節劑，在CIDE介導的脂滴融合過程中起到正調節作用，Rab8a與酶激活蛋白形成調節電路，動態控制CIDE介導的脂滴融合及生長。Sun等研究表明，PLIN1是增強CIDE活性的調節因子，PLIN1可以通過擴大孔徑或增加脂滴的表面張力來促進CIDE介導的脂滴融合，他們發現，PLIN1與CIDE的相互協同會提高脂質轉移和脂滴融合的效率，而敲除脂肪細胞中PLIN1基因的表達，則導致脂滴融合和生長速率的顯著降低。

CIDE介導的脂質轉移和脂滴融合在細胞中是一個獨特的過程，它不同于其他類型的膜融合，例如囊泡融合，內質網融合和線粒體融合等。囊泡融合是一種脂質雙層膜結構快速融合的過程，它會在短時間內形成臨時融合孔，并較快地混合兩個囊泡的內容物。然而，CIDE介導的脂滴融合過程較慢，該過程取決于脂滴的尺寸大小和融合孔徑。融合過程中孔徑是由CIDE、Rab8a及PLIN1共同調節的(圖2)。脂質轉移的方向是從小脂滴到大脂滴，該過程取決于內部壓力差，內部壓力差受脂滴大小和彼此接觸的兩個脂滴間的表面張力控制。

圖2 CIDE介導的脂滴融合模型[32]Fig.2 CIDE-mediated lipid droplets fusion model

4.2 脂滴分解

Nagy等研究指出，脂滴在分解過程中會變成“啞鈴”形，該形態可能是脂滴分解的一種過渡形態。脂滴分解最初是在3T3-L1脂肪細胞PKA激活/脂解反應中提出，隨后研究發現，脂滴分解過程中“微脂滴”的出現意味著脂肪酸從大脂滴中釋放出來，從而形成小脂滴。脂肪細胞中小脂滴的形成取決于DGAT1，并且在保護內質網免受脂毒性應激的影響。脂滴重塑對脂質代謝有重要影響，但缺乏直接證據證明在哺乳動物細胞中是否發生真正的脂滴分解。

5 脂滴與細胞器作用

脂滴可以與其他多種細胞器緊密接觸，膜接觸部位是細胞器之間交流和代謝物交換的關鍵部位，具有十分復雜的形態結構(圖3)。最近國外研究者通過使用多維光譜成像研究發現，在標記后的5種細胞器(內質網、線粒體、高爾基體、過氧化物酶體和溶酶體)中存在脂滴移動現象。當追蹤脂滴并繪制其與5種細胞器接觸時間變化過程中，一些脂滴僅需要5 min就可以碰到其他每個做標記的細胞器，而有些脂滴5 min內僅與一個或者兩個細胞器接觸。目前尚不清楚這些差異是否和脂滴的成熟階段有關。對于脂滴與其他細胞器接觸部位存在什么類型的蛋白質或脂質交換，有待進一步研究。

圖3 脂滴與細胞器接觸空間結構圖[37]圖像顯示為脂滴(藍色)與內質網(黃色)、線粒體(綠色)、高爾基體(紅色)、溶酶體(品紅色)和過氧化物酶體(青色)之間的接觸。標尺為2 μmFig.3 Structure diagram of the contact space between lipid droplets and organelles Images shown are contacts between LDs (blue) and ER (yellow), mitochondria (green),golgi (red), lysosomes (magenta), or peroxisomes (cyan). Scale bar=2 μm

6 脂滴在動物組織中的功能

近期研究表明，脂滴不僅存在于脂肪組織，它在動物機體各個器官組織中均有表達，Yan等已經從不同的組織、細胞中分離純化出了脂滴，并對脂滴進行蛋白組學研究，到目前為止，已發現的哺乳動物脂滴蛋白有120多種，并且其中一些蛋白已經被證明與脂滴的重塑有關，這表明脂滴可以調節體內的脂質平衡，在動物組織中發揮不同的功能。

6.1 脂滴在動物脂肪組織中的功能

脂滴在動物脂肪組織中的主要功能是以甘油三酯(TGs)的形式儲存脂肪，提供能量。機體脂肪組織中存在白色脂肪和棕色脂肪，動物機體會根據其所需要來提供脂肪酸，然后脂肪酸在內質網小葉表面合成TG，從而進入內質網小葉內部，隨著TG量的積累，內質網小葉從盤狀逐漸形成球狀，積累到一定程度，與內質網完全脫離，成為新生脂滴。新生小脂滴逐漸聚集成大脂滴，使得細胞的大部分空間達到充盈狀態，這時形成的單室脂肪細胞便為成熟的脂肪細胞。

6.2 脂滴在肝臟組織中的功能

動物體內脂肪的合成主要在肝臟，肝臟細胞內充滿大小不等的脂滴。當動物體肝臟中脂肪合成速率與脂肪消耗速率不等時，會發生肝臟脂肪代謝紊亂，倘若脂肪合成速率大于脂肪消耗速率，會導致肝臟脂肪發生變性反應，產生脂肪肝。甘油三酯在細胞內的大量積聚，會導致代謝障礙的發生。肝臟中甘油三酯的累積，也就是肝脂肪變性，是動物機體發生脂肪性肝病的第一階段。更有甚者，在一定條件下，脂肪變性與炎癥反應相互作用，可導致肝硬化以及肝癌的發生。

6.3 脂滴在肌肉組織中的功能

在肌肉組織中，脂肪同樣大量存在。脂滴作為脂肪的儲存器官，大量充斥在肌內脂肪和肌間脂肪中。隨著對脂滴蛋白基因的不斷深入了解，有研究者通過分子生物學方法對肌肉組織脂蛋白中的PLIN蛋白展開生物學特性研究。Elmowafy等研究發現，PLIN基因對豬胴體性能及肉品質有顯著影響，通過對豬進行PLIN基因的單核酸多態性位點篩選，發現PLIN2基因位于QTL(quantitative trait locus，數量性狀基因組)區域內，該基因與豬胴體瘦肉率及脂肪含量有密切關系，通過記錄試驗豬生產數據及胴體數據，結果表明PLIN基因對豬肌肉的生長發育有直接影響。Alejandra等研究表明，PLIN基因的表達變化與小鼠體內肌內脂肪含量密切相關，PLIN基因在脂肪沉積和分解中發揮重要作用。

6.4 脂滴在生殖器官中的功能

脂滴在動物機體性腺細胞中廣泛存在，一般直徑較小，在胞漿內不均勻分布，同時脂滴會為性腺細胞中甾體激素合成提供原料。甾體激素是一種脂溶性激素，是性激素的前體物質。在雌性動物體中，最終會通過一系列合成反應生成雌激素，以膽固醇為原料通過縮短側鏈，生成孕酮或孕烯醇酮，繼續縮短側鏈后衍變為雄激素，再通過A環芳香化生成最終產物雌激素。

7 脂滴與肉品質

當今，肉類成為人類的主要飲食。肉的品質高度依賴于脂肪含量和分布，脂肪細胞中脂滴數量水平與脂肪含量相互關聯，畜禽外周組織的脂滴變化與肉品質直接相關。近年來，人們對如何調控肉類的脂肪酸組成越來越感興趣。由于肉類是人們攝入脂肪、尤其是飽和脂肪酸的主要來源，而飽和脂肪酸與人類健康密切相關，容易引發各種癌癥及冠心病等疾病。因此提高肉品質中的不飽和脂肪酸含量，是一大研究熱點。同時，不飽和脂肪酸與肉品質也密切相關，肉食在烹飪過程中，脂肪酸氧化產物與磷脂發生美拉德反應，產生具有揮發性的物質，從而產生風味，這一反應通過降低含硫化合物的含量及產生揮發性物質從而改善肉品質，提高風味。而且，脂滴是由磷脂和中性脂質構成，而磷脂就富含多不飽和脂肪酸，如亞麻酸、花生四烯酸等，而且中性脂質與肉品質的嫩度和多汁又有關系，因此，通過營養及生理手段調節畜禽肌肉及脂肪組織中的脂滴變化，使得脂滴在大小或數量上有一個改變，從而影響畜禽胴體性能及肉品質。

8 總結與展望

本實驗室先前已經做了許多脂滴相關試驗，成功分離與純化了豬骨骼肌內脂滴，并獲得形態完整且純度較高的肌內脂滴，為進一步研究不同品種肥育豬不同組織內脂滴蛋白質組和脂質組差異化關聯分析奠定基礎。研究中還發現飼料中添加40 mg/kg肉桂醛(中草藥提取物)，飼喂60 d后，顯微鏡觀察豬皮下脂肪組織抹片，肉桂醛處理組皮脂脂滴較小，對照組皮脂中存在較多類似“出芽的馬鈴薯”的大脂滴結構，大脂滴上清晰可見正在融合的小脂滴，由此初步推測肉桂醛可能通過某種機制抑制小脂滴的融合，從而影響大脂滴的生成，最終導致體脂的降低，接下來本實驗室會在分子水平下對脂滴重塑進行研究，探究其具體的分子機制。

未來關于脂滴代謝調控畜禽胴體性狀及肉品質的研究將會成為一個熱點話題。脂滴重塑在細胞脂質動態平衡的維持發揮重要作用，脂滴蛋白作為影響脂滴代謝的分子開關，其表達水平可調控脂滴的形態大小及數量，改變脂肪細胞內部結構。脂滴蛋白可成為脂肪代謝調控的潛在靶點，為優化體脂沉積提供新途徑。通過分子育種、營養生理調控等手段調節肌肉及脂肪組織中脂滴蛋白的表達，進而改善畜禽胴體性能及肉品質，為生產優質動物畜產品，提高動物產品附加值提供廣闊的商業應用前景。