Journal of Cell Biology：王立堃团队揭示神经酰胺传递内质网应激信号新机制

2025年3月，中国科学院生物物理研究所的相关研究人员在《Journal of Cell Biology》上发表了题为“Ceramide mediates cell-to-cell ER stress transmission by modulating membrane fluidity”的研究论文，揭示了神经酰胺（Cer）在细胞间内质网应激信号传递中发挥的重要作用。

 研究背景：

内质网在细胞中承担着蛋白质折叠和运输的重任。当这些过程受到干扰，错误折叠的蛋白质就会在其内部堆积，触发内质网应激（ERS）。此时，细胞会启动未折叠蛋白反应（UPR），就像拉响了警报，激活 IRE1α、PERK 和 ATF6 三条信号通路，帮助蛋白质正确折叠和分泌，维持内质网的稳定状态。

越来越多的证据表明，ERS 的影响不止局限于单个细胞，它还能 “跨界” 影响其他细胞或组织。比如，在神经元与肠道细胞、肿瘤细胞与免疫细胞之间，都能观察到 ERS 引发的 UPR 信号传递。在一些情况下，神经元中的 XBP1 信号通路被认为是细胞间 UPR 传播的 “源头”；还有研究发现，线虫的中间神经元会分泌酪胺，引发肠道细胞的 UPR；哺乳动物的研究则表明，棕榈酸刺激的肌管能分泌长链神经酰胺，激活未受应激的肌管中的 UPR。但这种机制是否具有普遍性，还需要进一步研究。

同时，ERS 与代谢疾病也有着千丝万缕的联系。在肥胖、糖尿病等代谢疾病中，脂肪组织、肝脏、胰岛等多个组织的内质网应激标记物会显著增加，而敲除 UPR 相关基因会影响 β 细胞功能和肝脏脂质代谢平衡。因此，深入研究 ERS 背景下的细胞间通讯，有助于我们更好地理解这些疾病的发病机制。

为了探究细胞非自主 UPR 的作用机制，研究人员用诱导内质网应激的毒胡萝卜素（Tg）处理分化的小鼠脂肪细胞 3T3-L1，收集条件培养基（CM），再将 CM 加入到小鼠肝细胞 AML12 中。结果发现，与对照组相比，CM 处理的 AML12 细胞中 Xbp1 剪接显著增加，这是 UPR 激活的标志；同时，UPR 相关的多个标记物，如 Bip、Chop 等基因的 mRNA 水平，以及磷酸化的 IRE1α 和 PERK 蛋白水平都明显上调。转录组分析和 KEGG 富集分析也表明，CM 处理的 AML12 细胞中，内质网中蛋白质加工相关基因显著富集。

研究人员还利用其他细胞系，如巨噬细胞 RAW267.4、肝癌细胞 NCTC1469 等作为受体细胞，得到了类似的结果，证明了内质网应激细胞来源的 CM 能在不同类型细胞中引发 UPR。进一步研究发现，这种信号传递的关键物质是脂质，去除脂质的 CM 无法诱导 Xbp1 剪接，而提取的脂质则能完全重现 CM 的作用。

经历ERS的脂肪细胞释放功能分子部分以诱导肝细胞中的UPR

既然脂质在细胞间 UPR 传递中至关重要，那么具体是哪种脂质在发挥作用呢？研究人员对 CM 提取的脂质进行分离和分析，发现中性脂质中的 e 部分能够有效诱导 Xbp1 剪接和 UPR 相关蛋白表达。脂质组学质谱分析显示，与对照组相比，CM 的 e 部分中神经酰胺（Cer）含量显著增加。添加不同种类的 Cer 到细胞培养基中，也能诱导多种细胞发生 UPR，而用抗 Cer 抗体去除 CM 中的 Cer，或用酸神经酰胺酶（ASAH1）预处理，都会显著削弱 CM 诱导 UPR 的能力，这表明 Cer 是 CM 中诱导受体细胞 UPR 的关键因子。

那么，ERS 是如何刺激 Cer 释放的呢？研究人员发现，ERS 刺激 Cer 释放的过程不依赖于 UPR，阻断供体细胞中的三条 UPR 通路，都不会影响 CM 诱导 UPR 的能力。而且，Cer 合成相关基因的表达水平与受体细胞中 Xbp1 剪接水平没有明显关联，用 Cer 合成抑制剂处理供体细胞，也不影响 CM 诱导的 Xbp1 剪接。这说明，ERS 刺激 Cer 释放是一个转录后快速反应过程。

进一步研究发现，ERS 能通过激活酸性鞘磷脂酶（ASM），促使细胞快速释放 Cer。抑制溶酶体质子泵 V-ATPase、ASM 活性或破坏溶酶体分泌，都会降低 CM 中 ASM 的活性和蛋白含量，同时减弱 CM 诱导 UPR 的能力。这表明，ERS 诱导的 Cer 快速释放可能是通过分泌型 ASM 介导的。

接受ERS的脂肪细胞释放Cer以诱导肝细胞中的UPR

Cer 是一种高度疏水的分子，无法在水溶液中自由扩散。研究人员发现，Cer 在细胞间传递时，并不是通过小细胞外囊泡（sEV），而是与脂蛋白结合。通过尺寸排阻色谱（SEC）和超速离心等方法分离 CM 中的成分，发现 sEV 不能诱导 Xbp1 剪接，而 SEC 中 sEV 之后的洗脱液，即含有脂蛋白的部分，能够激活 Xbp1 剪接。

在脂蛋白中，高密度脂蛋白（HDL）在 Cer 传递和 UPR 诱导中发挥着重要作用。HDL 能诱导 Xbp1 剪接、IRE1α 磷酸化以及 XBP1s 和 BiP 的表达，而低密度脂蛋白（LDL）的效果相对较弱。从胎牛血清中分离出 VLDL/LDL、HDL 和脂蛋白缺失的 FBS（DFBS）进行实验，结果显示，用 DFBS 培养 3T3-L1 细胞产生的 CM，诱导 XBP1s 表达的能力几乎完全丧失，添加 HDL 则能恢复这种能力。此外，蛋白质在 Cer 传递中也不可或缺，用蛋白酶 K 消化 CM 会导致蛋白质大量损失，同时完全丧失诱导 UPR 的能力。这表明，HDL 中的蛋白质为分泌型 Cer 提供了载体，使其能够发挥作用。

Cer通过脂蛋白在细胞间传递

在受体细胞中，神经酰胺是如何激活 UPR 的呢？研究人员发现，通过抑制内吞作用的实验表明，内吞作用对于 Cer 诱导的细胞非自主 UPR 并不重要，只有 MβCD（一种能增加膜流动性的物质）能够抑制 CM 诱导的 UPR。进一步研究发现，CM 处理会显著降低细胞膜流动性，而 MβCD 能拮抗这种作用。免疫荧光染色显示，CM 处理后，Cer 会在受体细胞中积累，且主要分布在 ER，导致 ER 膜上的 Cer 含量增加。

CM 处理还会导致受体细胞中多种 Cer 合成相关基因的转录水平升高，促进 Cer 在 ER 中的合成和积累。抑制 Cer 合成会减少 IRE1α 磷酸化和 BiP 表达，而增强 ER 到高尔基体的 Cer 运输则会降低细胞中 Cer 含量，消除 CM 诱导的 UPR。此外，Cer 积累会破坏 ER 钙稳态，抑制 SERCA 活性，导致 ER 中钙离子储存减少。这些结果表明，神经酰胺通过破坏 ER 膜流动性和钙稳态，激活受体细胞中的 UPR。

ERS导致依赖ASM的Cer快速释放

鞘磷脂（SM）与神经酰胺在细胞膜上共同存在，且具有不同的结构和功能。研究发现，添加 SM 能够降低 UPR 信号强度，恢复细胞膜流动性，提高 SERCA 活性，增加 ER 钙离子含量，同时减少 CM 处理细胞中的 Cer 含量。虽然目前还不清楚 SM 降低 Cer 含量和增加膜流动性的具体机制，但这表明 SM 能够与 Cer 相互制衡，共同调节细胞膜流动性和内质网稳态。

研究发现，细胞非自主 UPR 可能是一种早期的防御反应，在 Cer 积累初期，激活 IRE1α-XBP1 通路有利于肝细胞的存活。但长时间的 CM 处理会导致 UPR 减弱，这可能是因为持续的 Cer 过量会损伤 UPR 相关成分。这说明 ERS 的持续时间和强度在单细胞和多细胞水平上都起着关键作用，是一把 “双刃剑”。

SM恢复膜流动性并抑制Cer诱导的UPR

这项研究揭示了神经酰胺在细胞间内质网应激信号传递中的重要作用，内质网应激信号的传递研究不仅加深了我们对细胞间通讯机制的理解，更为相关疾病的治疗提供了潜在的靶点和新的思路。