Cell Metabolism：从餐桌到血管：揭秘反式不饱和脂肪酸加速动脉粥样硬化的新机制

2024年11月，美国索尔克研究所等单位的研究人员在《Cell Metabolism》（IF: 27.7）上发表了题为“Altered sphingolipid biosynthetic flux and lipoprotein trafficking contribute to trans-fat-induced atherosclerosis”的研究论文，揭示了反式脂肪酸通过影响鞘脂生物合成和脂蛋白影响心血管健康，为预防和治疗动脉粥样硬化性心血管疾病（ASCVD）提供了新的思路。

亮点概述：

鞘氨醇磷酸酶（SPT）优先选择反式不饱和脂肪酸（TFAs）而不是顺式不饱和脂肪酸（CFAs）来合成长链鞘氨醇类化合物。
反式脂肪衍生的鞘磷脂在细胞中高度分泌。
富含TFAs的高脂肪饮食（HFD）促进肝脏SPT活性、极低密度脂蛋白（VLDLs）分泌和动脉粥样硬化。
SPT抑制可降低低密度脂蛋白受体缺陷（Ldlr^-/-）小鼠的循环VLDLs和动脉粥样硬化。、

研究背景：

鞘脂是一类多样的生物活性脂类，由长链碱基（LCB）组成，并可进一步修饰，包括添加酰基链或各种头部基团以构建更为复杂的种类。它们在膜生物学和信号传导中发挥着多种作用，并与许多疾病相关，其中就包括ASCVD。鞘脂生物合成的初始限速酶—SPT，通常将丝氨酸和棕榈酰辅酶A缩合，以合成鞘脂的LCB。

膳食脂肪通过乳糜微粒和VLDLs被肠道和肝脏吸收并分布到全身。在许多情况下，脂肪酸会被细胞酶特异性代谢，从而影响其命运。TFAs至少含有一个处于反式构型的双键，这导致它们具有类似于饱和脂肪酸（SFAs）的直链结构，而不同于CFAs的弯曲结构。反式脂肪一度广泛存在于食品供应中，并导致人群中ASCVD的显著增加。本研究通过鞘脂生物合成途径全面追踪脂肪酸的命运和多样性，以强调SPT与TFAs的结合如何促进脂蛋白分泌和ASCVD。

SPT复合体催化LCBs的合成，许多研究强调了该酶对氨基酸和酰基辅酶A底物使用的广泛性。尽管饱和酰基辅酶A主要被作为SPT的替代底物进行研究，但是单不饱和脂肪酸（MUFAs）在饮食和组织中却非常丰富。为检验MUFAs掺入LCBs及其后续代谢的程度，研究人员使用与白蛋白结合的100 mM脂肪酸培养Huh7细胞48小时，并通过定量水解鞘脂测量SPT活性，以检测油酸或反式油酸衍生出的LCBs。结果表明反式油酸掺入鞘氨醇d20:1（SA d20:1）和鞘氨醇d20:2（SO d20:2）的LCBs的水平分别是油酸的8倍和15倍。这证明TFAs优先被SPT掺入到鞘脂代谢中。

TFAs比CFAs更容易被SPT代谢

接着，研究人员使用特定的多反应监测（MRMs）方法评估了MUFAs掺入完整的细胞鞘脂中的情况，发现双键构型会影响不同阶段鞘脂生物合成的通量，即TFAs在结构上与典型的饱和SPT底物相似，所以更倾向于被掺入LCBs中；而CFAs则通过N-酰化作用进入神经酰胺池（Cer）。接下来，通过定量Huh7细胞中油酸-d9和反式油酸-d17进入磷脂和中性脂质，探究了这些CFAs和TFAs处理对整体脂质组的影响。结果显示油酸优先用于磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）合成，而反式油酸则更多地富集于溶血磷脂中。

鞘磷脂（SM）是血液中最丰富的鞘脂，主要存在于脂蛋白中，其在血浆中的含量与ASCVD呈正相关。因此，研究人员定量检测了不同脂肪酸（包括油酸-d9和反油酸-d17）处理下Huh7细胞向培养基中分泌的SM。结果表明，与顺式异构体油酸或饱和棕榈酸和硬脂酸相比，反式油酸诱导Huh7细胞的SM总分泌通量最高。这一趋势仅限于鞘脂类，因为含有油酸的PCs分泌量要多于含有反式油酸的PCs。这种选择性分泌反式油酸衍生的SM进一步强调了TFAs在鞘脂生物合成途径中的独特代谢特征。

TFAs驱动鞘磷脂分泌

鉴于上述发现以及循环Cer、SM和胆固醇与ASCVD的强相关性，研究人员假设抑制鞘脂生物合成可以调节脂蛋白代谢和减少TFAs诱导的主动脉斑块沉积。为了在体内验证这一点，使用Ldlr^-/-小鼠来模拟对高脂血症和动脉粥样硬化的影响，并设计了具有相同宏量营养素组成的HFDs，这些饮食在MUFAs种类上存在明显差异。结果发现与顺式高脂饮食（Cis HFD）喂养的小鼠相比，反式高脂饮食（Trans HFD）喂养的小鼠表现出更严重的肝脂肪变性且肝脏重量和Col1a1（纤维化标志物）的表达增加。

为了理解这些饮食如何影响脂质组中的分子丰度，对肝脏进行了脂质组学检测。发现与Cis HFD相比，Trans HFD可导致甘油二酯（DGs）和总脂肪酸水平升高，而这些物质以及中性脂质甘油三酯（TGs）和胆固醇酯（CEs）可被多球壳菌素（myriocin，SPT抑制剂）降低；PC、PE、溶血磷脂酰胆碱（LPC）和溶血磷脂酰乙醇胺（LPE）水平在Trans HFD组中上升，但在myriocin作用下进一步增加。这表明myriocin是通过将脂肪酸从鞘脂池转向磷脂，而不是整体减少脂质摄取来重塑脂质代谢。

SPT抑制剂可减轻反式脂肪驱动的肝脂质代谢失调

接下来，为了评估每种饮食对肝脏鞘脂的影响，研究人员对循环中的鞘脂进行定量，观察到Trans HFD组血浆中的二氢神经酰胺（DHCer）和脱氧二氢神经酰胺（doxDHCer）总体水平显著增加，1-磷酸-鞘氨醇（S1P d18:1）水平略有降低。此外，研究人员在喂食不同饮食的Ldlr^-/-小鼠中测量了肝脏VLDLs的分泌情况，因为胆固醇、TGs、鞘脂和其他脂类都是由肝脏将其纳入VLDLs中的。通过给小鼠注射泰洛沙泊（tyloxapol，脂蛋白酶抑制因子）并随时间量化循环中的TGs水平（代表了分泌的VLDLs）。结果表明与Cis HFD相比，Trans HFD显著加速了肝脏VLDLs的分泌。因此研究人员进一步假设SPT活性支持由肝脏组装和分泌到血液中。将myriocin掺入饮食中显著降低了Trans HFD诱导的VLDLs分泌，突出了膳食TFAs、鞘脂生物合成和导致动脉粥样硬化的VLDLs之间的功能联系。

膳食反式脂肪诱导肝脏中鞘脂和VLDL分泌

有研究表明，与富含SFA、CFA或多不饱和脂肪酸（PUFA）的饮食相比，膳食中的TFAs在Ldlr^-/-小鼠和人群中加速了动脉粥样硬化的进程。因此，接下来研究人员通过测量主动脉根部瓣膜上的动脉粥样硬化病变，来探究SPT活性和TFAs如何影响ASCVD的进展。结果与预期一致：与Cis HFD发现的脂肪条纹相比，Trans HFD显著增加了主动脉根部内的动脉粥样硬化病变面积。同样地，与喂食Cis HFD的小鼠相比，喂食Trans HFD的小鼠的血浆脂蛋白谱发生了变化，VLDL-胆固醇（VLDL-C）、VLDL-TG和VLDL-SM增加，这些现象都在myriocin作用下得到了减轻。此外，血浆脂质组检测和体外稳定同位素示踪均表明TFAs驱动的SPT通量促进了Ldlr^-/-小鼠的肝脏脂蛋白分泌和动脉粥样硬化的发展。最后，人类肝脏的转录分析揭示了SPTLC2与SPTLC3亚基的表达存在明显不同的调控，这与ASCVD中的人类遗传相关性一致，进一步确立了在特定膳食脂肪的影响下，鞘脂代谢是介导ASCVD进展的关键节点。