Nature Metabolism：脂肪分解：从脂肪储存中动员脂质的细胞机制
2021年11月，奥地利格拉茨大学的相关研究人员在《Nature Metabolism》上发表了题为“Lipolysis: cellular mechanisms for lipid mobilization from fat stores”的长篇综述，总结了细胞内脂解如何影响多器官中脂质介导的信号传导、代谢调节和能量稳态，并探究了这些过程如何影响发病机制，以及脂解如何有针对性地预防或治疗各种疾病。（本文通讯作者Rudolf Zechner教授为第四届LipidALL脂代谢会议的特邀报告嘉宾）
脂肪酸（FAs）是所有生物体必不可少的生物分子。它们的氧化产生的ATP或所有常见能量底物的热量产量最高。它们是膜脂质不可或缺的组成部分，FA锚定使外周膜蛋白与生物膜相连。此外，特异性FAs作为高度生物活性的信号分子或作为其前体。除了这些重要功能外，当脂肪酸在细胞内和/或细胞外的浓度超过生理水平时，也会产生毒性（“脂毒性”）。脂肪毒性源于FAs作为洗涤剂的能力，影响酸碱平衡并产生高度生物活性的脂质，如神经酰胺和二甘油脂（DGs）。这些过程共同导致细胞应激和功能障碍，导致各种形式的细胞死亡。
为了在细胞和组织中高效、安全地储存大量的脂肪酸，它们被共价酯化为三价醇甘油，生成三酰甘油，通常称为甘油三酯（TGs）或“脂肪”。基本上，每种细胞类型都能在细胞内称为脂滴（LDs）的细胞器中储存TGs。在哺乳动物和许多其他脊椎动物中，TGs的大部分沉积在脂肪组织的脂肪细胞中。TGs是一种高效、惰性的FAs储存和运输形式，但不能穿过细胞膜。因此，TG进出细胞要么需要水解分解为FAs和甘油，要么需要特殊的囊泡介导的跨细胞膜转运。后一个过程包括分泌和摄取富含TG的脂蛋白或通过细胞外囊泡（EV）转运TG。TGs的水解由脂肪酶催化，这一过程称为脂解。胃肠道和血管系统中的细胞外脂解作用降解TGs，向下面的实质组织提供FAs和单辐射基甘油（单甘油酯，MGs）。相反，细胞内脂解从细胞质中的LD相关TGs或溶酶体中的脂蛋白相关TGs释放FAs。消化道和血管系统的细胞外脂肪酶大多属于胰腺脂肪酶基因家族。细胞内脂肪酶在结构上与该家族无关，已被亚分类为（1）最适pH值约为7的脂肪酶（“中性脂肪酶”），负责降解细胞溶质LDs；和（2）最适pH值约为5的脂肪酶（“酸性脂肪酶”），定位于溶酶体。因此，负责TG降解的两种细胞内典型途径被称为中性和酸性脂肪分解（图1）。根据脂肪酶的基本功能，它们的功能障碍或缺乏通常会导致严重的病理学，包括脂质代谢紊乱和脂质储存疾病。更间接地说，脂肪酶活性和脂解过程影响体内平衡的许多方面，并与肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝（NAFLD）、癌症、心脏病、恶病质、传染病和其他疾病的发病机制有关。
中性脂肪分解的典型酶学
早在20世纪，人们就认识到酶催化的TG水解必须先于膜通道，然而，鉴定和表征第一个参与该过程的细胞内TG水解酶花了50多年的时间。知道1964年才有学者将激素敏感脂肪酶（HSL）描述为TGs和DGs降解过程中的关键水解酶，以及单甘酯脂肪酶（MGL）在脂肪细胞MG水解过程中的作用。在随后的四十年中，HSL被认为是TG水解的速率限制，但观察到HSL缺乏的小鼠在脂肪组织中维持激素诱导的FA释放，缺乏肥胖和累积DGs，最终论证了TG水解中的替代酶和机制的参与。对这些替代酶的广泛搜索导致了一种新酶的发现，称为脂肪甘油三酯脂肪酶（ATGL），及其辅激活子，命名为α/β水解酶域-5（ABHD-5；也称为比较基因鉴定-58，CGI-58）。表1和图1总结了ATGL、HSL和MGL的生化特性和酶活性。
图1、典型的脂肪分解途径
典型脂肪分解的复杂调节
食物缺乏期间的能量底物需求是脂解（“诱导脂解”）的主要驱动因素。随后从白色脂肪组织中释放FAs，在许多耗能组织中诱导从葡萄糖到FA利用的代谢转换。同时，肝脏糖异生和葡萄糖分泌的上调为葡萄糖依赖性细胞和组织提供葡萄糖。相反，喂食状态下的低脂肪分解率（“基础脂肪分解”）导致高能量需求和脂肪组织中脂肪沉积的组织中FA降低和葡萄糖利用率增加。细胞和器官在不同能量底物（如FAs和葡萄糖）之间切换的能力决定了它们的“代谢灵活性”。许多内分泌、旁分泌和自分泌因子，包括激素、细胞因子和神经递质，通过在多个水平上调节主要脂解酶ATGL和HSL，包括基因转录、翻译后蛋白质修饰，以及在ATGL的情况下，通过酶辅激活剂和抑制剂进行调节。脂肪细胞的经典激活途径涉及儿茶酚胺，儿茶酚胺通过激素（肾上腺素）或交感神经（去甲肾上腺素）刺激激活ATGL和HSL酶。其他激活激素和细胞因子包括糖皮质激素、甲状腺激素、类二十烷酸、心钠素、生长激素、白细胞介素、肿瘤坏死因子α、瘦素等。胰岛素代表ATGL和HSL的经典抑制激素。 图2、典型中性脂肪分解的转录调控 图3、典型中性脂肪分解的翻译后调节 酸脂解的典型酶学 已知唯一在酸性条件下在溶酶体中具有活性的中性脂质水解酶是LAL，在溶酶体摄取后，负责降解脂蛋白和自噬体中的CEs、TGs、DGs和视黄酯。LAL由Lipa基因编码，高度糖基化且广泛表达，在肝细胞和巨噬细胞中观察到最高水平。LAL活性的调节不如中性脂肪酶复杂，主要涉及转录机制。已建立的激活LAL表达的转录因子包括PPAR、FOXO1和转录因子TFEB和TFE3。 几十年前，人们就认识到溶酶体在降解各种内吞脂蛋白中的作用。2009年，脂肪吞噬被确定为一种独特的自噬形式，是肝细胞和巨噬细胞中TGs和CEs水解的定量相关机制，这一功能得到了扩展。三种类型的自噬途径有助于TG降解：巨噬脂、微噬脂和伴侣介导的自噬（CMA）。在巨噬脂过程中，自噬体隔离并吞噬LDs的一部分，随后与溶酶体融合形成自噬体。相反，微脂吞噬不涉及自噬体内LD成分的封闭。在溶酶体短暂对接到LDs的过程中，脂质直接流动。ATGL在CMA中也起着重要作用，其中围脂滴蛋白的自噬体降解使ATGL进入LDs表面，从而刺激脂肪分解。热休克蛋白70（HSP70）通过识别五肽基序直接与LDs上的围脂滴蛋白-2和围脂滴蛋白-3相互作用。随后，它将其输送至溶酶体，并通过溶酶体相关膜2促进其摄取和降解。 图4、自噬和酸脂解 非标准酶与TG动员机制 典型脂肪酶ATGL、HSL、MGL和LAL是细胞质TG库水解方面最具特征的酶。在脂肪组织中，ATGL和HSL占TG水解的90%以上，因此不太可能存在其他主要脂肪酶。然而，在非脂肪组织中，即使没有ATGL和HSL，也可以观察到大量TG水解酶活性。除了酸脂解的重要作用外，过去十年中，多种蛋白质家族的几种替代性中性脂肪酶与TG分解代谢有关（总结见表1）。 尽管ATGL在脂肪分解中的关键作用是无可争议的，但其最密切相关的家族成员PNPLA1、PNPLA3、PNPLA4和PNPLA5的不同生化功能仍不明确。α/β水解酶折叠和活性位点丝氨酸嵌入GXSXG共有序列的催化二元结构为这些蛋白质提供了作为脂质水解酶的结构先决条件。虽然其主要生理底物的明确分配仍然缺失，但其中一些酶直接参与疾病的发展。 哺乳动物羧酸酯酶（CESs）属于一个多基因α/β-水解酶折叠超家族，编码6个人类和20个小鼠副同源基因。它们催化多种内源性底物和外源性物质的水解。表现出中性TG水解酶活性的CES家族成员包括人类CES1（也称为人类胆固醇酯水解酶-1，hCEH）和CES2，以及小鼠Ces1d（也称为Ces3或TG水解酶-1）、Ces1g（也称为CES1或酯酶-X）和Ces1c。 脂滴相关水解酶（LDAH）是α/β水解酶超家族的另一成员，具有预测的脂肪酶活性，但功能尚不清楚。这种假定的酶主要在动脉粥样硬化病变的BAT、WAT、肝脏、心脏和巨噬细胞中表达。LDAH含有一个位于α/β-水解酶折叠内的GXSXG脂肪酶基序和一个将蛋白质锚定到细胞溶质LDs的疏水基序。虽然LDAH定位于LDs在多种细胞模型中是无可争议的，但该蛋白质的酶活性和生物学功能仍然未知。 含DDH结构域的蛋白2（DDHD2，又称KIAA0725或iPLA1γ）属于哺乳动物细胞内磷脂酶A1（iPLA1）家族，由DDHD1、DDHD2和SEC23IP三个旁基因组成。所有成员共享一个保守的GXSXG脂肪酶基序和一个DDHD结构域，该结构域以该结构域内的特征氨基酸特征命名。DDHD2表现出DG和TG水解酶活性，小鼠缺乏DDHD2会导致TG在大脑中积累。人类DDHD2基因编码711个氨基酸的蛋白质，分子量为81 kDa。该蛋白定位于细胞质、高尔基体和内质网。在人类中，DDHD2的功能缺失突变会导致遗传性痉挛性截瘫，这是一种与脑内脂质积聚相关的神经退行性疾病，以下肢痉挛为特征。 芳基乙胺脱乙酰基酶（AADAC）是一种45kDa的酯酶，含有典型的GXSXG基序，在其假定的活性位点与HSL具有相当大的序列同源性。AADAC定位于内质网，主要表达于肝脏和肠道，肾上腺和胰腺的表达较低。AADAC优选在TGs上水解乙酸胆固醇酯和DGs。AADAC在体内脂质代谢中的作用尚不清楚。 细胞外囊泡（EVs）是最近发现的利用TG储存的机制。与脂肪分解和脂肪吞噬相比，EV介导的TG利用不涉及TG水解和随后的FA分布。相反，LDs直接从EVs的细胞中释放。EV一词包括两种主要类型的囊泡，其大小和起源不同：（1）外泌体，直径为30-150 nm，起源于内质体系统的腔内囊泡；（2）微囊泡，为100-1000 nm结构，从质膜上起泡。释放后，EV被其他细胞内化，使货物能够从供体细胞水平转移到受体细胞。他们货物的性质是多种多样的，包括蛋白质、核酸、各种代谢物，甚至完整的细胞器。因此，EV具有多种生物学功能，从免疫调节到组织分化和癌症发展。 有报道指出，脂肪细胞来源的EV能够将TGs转运到脂肪组织中的巨噬细胞。与所有EV类似，含有TG的外泌体被源自EV产生细胞质膜的磷脂双层包围。此外，磷脂单层吞噬封闭LDs的疏水核心。体外实验表明，TGs通过外泌体的动员占每天细胞脂质释放的2%，独立于脂肪分解的典型FA动员。脂肪细胞来源的外质体几乎完全被巨噬细胞吸收，因此可能是脂肪组织中局部细胞间脂质分布的另一种途径。通过这个过程，巨噬细胞可以适应其局部脂肪组织环境，这与其他组织中的类似发现一致。脂肪细胞来源的EV是否能将TG转运到巨噬细胞以外的细胞和组织中仍有待阐明。 图5、外泌体介导的TG动员 抑制脂肪分解的治疗潜力 考虑到脂解酶在全身和组织特异性能量稳态中的重要作用，抑制脂解可能为各种代谢性疾病甚至传染病提供潜在的治疗机会。 2型糖尿病是一个严重的公共卫生问题，影响生活质量和预期寿命。肥胖是2型糖尿病的主要危险因素。众所周知，从肥大脂肪组织到胰岛素敏感组织的FA流量增加会导致胰岛素抵抗和葡萄糖不耐受。因此，在ATGL、HSL或LAL整体或脂肪细胞特异性缺失的小鼠中，脂肪组织的FA动员减少，导致糖耐量显著增加，胰岛素敏感性提高。有趣的是，人类HSL缺乏导致胰岛素抵抗，这说明HSL在控制碳水化合物代谢中的作用存在着相当大的物种特异性差异。特异性操纵脂肪细胞脂解可能是改善胰岛素敏感性和糖耐量的潜在药理学方法。 NAFLD影响全球约25%的人口。在大约10%的病例中，NAFLD从相对良性的肝脂肪变性发展为非酒精性脂肪性肝炎（NASH），进而发展为肝硬化和肝细胞癌（HCC）。肥胖相关的NAFLD是由于肝脏中新发TG合成增加或脂肪组织到肝脏的FAs流量增加，或两者兼而有之。因此，脂肪细胞中 FA 动员减少可改善脂肪细胞特异性 ATGL 缺乏或 CGI-58 缺乏或已接受ATGL抑制剂治疗的高脂肪饮食喂养小鼠的肝脏脂肪变性、炎症和纤维化。 慢性心力衰竭（HF）是一种常见疾病，由心室充盈或排出血液的结构或功能损害引起。健康的心脏表现出高度的灵活性，可以使用FA、葡萄糖和酮体作为能量底物。在心力衰竭期间，代谢灵活性降低，心脏越来越多地使用葡萄糖作为能量燃料。然而，交感神经系统的慢性激活和利钠肽的增加会增加脂肪FA的动员，从而与葡萄糖利用竞争，并加剧HF期间的氧化应激。因此，脂肪细胞特异性ATGL缺乏或ATGL抑制剂治疗可保护小鼠免于压力诱导的心肌肥厚和心肌纤维化。同样，在儿茶酚胺诱导的小鼠心脏损伤模型中，ATGL抑制促进了心脏保护作用。 恶病质是一种严重的消耗性疾病，伴随各种疾病的晚期，如类风湿性关节炎、慢性阻塞性肺病、烧伤所致创伤或癌症。恶病质是一种高代谢性疾病，其特征是全身炎症和由于脂肪组织和骨骼肌质量的减少而导致的体重意外下降，而增加营养摄入是无法逆转的。到目前为止，引起恶病质的多因素机制还没有得到充分的理解，也没有有效的治疗方法。通过对ATGL的药理学或遗传抑制，或通过靶向错误的脯氨酸多聚体信号（如β3-肾上腺素能信号或AMPK–CIDEA轴）来减少脂肪分解，可防止烧伤所致创伤或癌症的小鼠恶病质模型中的脂肪组织丢失。恶病质中肿瘤-脂肪组织-肌肉串扰的潜在机制以及脂解抑制是否影响人类恶病质的问题有待进一步澄清。 在过去二十年中的发现已经将细胞内TG分解代谢从HSL的一个相对简单的单酶反应转变为一个复杂的、高度调节的途径，该途径在多个水平上影响能量稳态。虽然到目前为止，细胞内脂质库的典型脂解已经得到了比较好的表征，但非标准酶的贡献以及溶酶体酸脂解在细胞质LD降解中的作用需要全面的表征。尽管有令人信服的证据表明它们在疾病发展中的相关性，在许多情况下，这些蛋白质的酶功能以及它们在脂质代谢和生理学中的位置仍然不清楚。未来研究的主题将涉及脂解酶治疗代谢紊乱的治疗潜力。例如，抑制ATGL（可能还有HSL）治疗或预防2型糖尿病、脂肪肝、致命性心力衰竭或恶病质。虽然在小鼠身上进行的临床前实验很有希望，但它们在人类身上的潜力仍然完全未知。未来对这些主题的关注可能为代谢性疾病的治疗提供预防和治疗机会。
