脂筏結構在細胞內蛋白質運輸中的作用

劉衛霞，祝 賀，邢艷霞

（1.山東中醫藥大學附屬醫院核醫學科，山東 濟南 250011；2.山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

·綜 述·

脂筏結構在細胞內蛋白質運輸中的作用

劉衛霞1，祝 賀2，邢艷霞2

（1.山東中醫藥大學附屬醫院核醫學科，山東 濟南 250011；2.山東農業工程學院，山東 濟南 250100）

在細胞膜中存在由膽固醇、鞘糖脂以及蛋白質等成分組成的液態有序的結構，叫做脂筏。從內質網到高爾基體再到細胞質膜，脂筏結構在細胞膜中所占的比例越來越高。脂筏在高爾基體到細胞質膜的物質轉運以及細胞內吞、再循環過程中發揮著重要的作用。本文將就脂筏結構在物質從高爾基體到質膜的轉運和細胞內吞過程中的作用及其分子機制做一綜述。

脂筏；蛋白質運輸；內質網；高爾基體；內吞

大多數真核細胞的細胞器膜由多種脂質和蛋白質構成，這個膜將細胞器與胞漿隔離開來。由于這些膜是細胞器與胞漿的隔離面，所以這個膜中的蛋白質和脂質等成分的分子組成和排序對于該細胞器功能的完成非常重要。

大家都知道，在細胞內的物質運輸中，囊泡發揮著重要的作用。關于轉運囊泡產生的機制，通常認為“外殼蛋白”(Coat protein)會產生多個直徑小于100 nm的泡狀中間體。這些泡狀物能夠對蛋白質進行分類和運輸，如COPⅠ和COPⅡ(Coat protein complexes)介導的內質網和早期高爾基體之間的物質運輸、分泌的囊泡形成以及內吞過程。另一個囊泡產生的裝置是ESCRT，它不利用外被中間體(Coated intermediate)，但也在囊泡裂解過程中發揮作用，如內吞、病毒出芽和膜修復[1]。這些機制對于轉運囊泡的產生是必不可少的。而囊泡正確地定位到細胞器并與相應的膜融合需要其他因素的幫助。這些功能有一部分是由SNAREs蛋白復合體完成的。這一蛋白復合體決定轉運囊泡什么時候在什么位置與膜融合[2]。除了SNAREs蛋白復合體這一關鍵機制外，很多的輔助蛋白如適配蛋白(Adaptor protein)選擇性地將特殊蛋白帶到轉運囊泡[3]，而Rab GTP酶為多種細胞器充當“地址標記”，以利于囊泡的定位[4]。

我們對蛋白質在細胞器的運輸機制研究和了解的比較多，而對于脂質在細胞膜中的分布了解的比較少。在脂質分選中發揮重要作用的是有不同組成的膜上的結構域，這些結構域中典型的例子是脂筏結構。脂筏是由幾種特異的脂質包括膽固醇、鞘糖脂、飽和脂質與蛋白質相互作用形成的組合體，這個組合體是一種液態有序的結構，它與周圍流動性的液態結構不同。長久以來盛行的觀點認為脂筏是一種大的穩定的結構是不正確的，現在認為脂筏是高度變化的[5]。關于脂筏的特征、組成等有不同的認識，最近通過液-液相分離技術在顯微鏡下觀察到在細胞膜上確實存在脂筏結構，這些脂筏結構的直徑在幾百納米以上，它們能夠使脂質和蛋白質藏在其中，這使得脂筏結構在膜的轉運中能夠發揮分選的作用。

1 脂筏假說的由來

早期對上皮細胞的生物學觀察發現其質膜頂端蛋白質和脂質的組成與側面和基底面不同，比如質膜頂端脂質中含有豐富的鞘糖脂、膽固醇，但缺乏甘油磷脂。人們發現糖基化蛋白和脂質從高爾基體的反轉面(TGN)到質膜的運輸是同時進行的，表明這是一個TGN介導的過程。后來人們發現從TGN產生不同的囊泡類型，這些不同類型的囊泡包含不同的貨物(蛋白質)運往質膜的頂端或側面和基底面。基于神經鞘脂能夠通過氫鍵相互作用，有人推測神經鞘脂和蛋白質分離到一個結構域中，最終一起運輸到質膜的頂端或側面和基底面。后來人們發現在細胞膜上存在對非離子型去污劑相對有抵抗力的微結構域，我們把這種從TGN到質膜運輸蛋白質的由特異的脂質成分組成的結構叫做脂筏[6]。

2 脂筏在上皮細胞向質膜頂端進行物質運輸中的作用

實驗發現抑制膽固醇和鞘脂的合成都會抑制脂筏對蛋白質的轉運，已經發現蛋白質的糖基化和脂化都有利于蛋白質被脂筏向質膜頂端的運輸。這些修飾包括N-糖基化、O-糖基化和S-酰化(如棕櫚?；?[7]，然而后來有人發現對于脂筏結構在蛋白質向質膜頂端轉運中發揮的中心作用提出了質疑。比如不是所有的糖磷脂酰肌醇(GPI)錨定蛋白都被運輸到質膜頂端，即使它是脂筏運載的[8]。而且破壞脂筏結構并不總是導致蛋白質運輸錯誤。為了解釋這些現象，人們提出了新的假設：小的動態的脂筏結構可以在蛋白質的作用下形成大的聚合體。后來發現有證據證明這一假設。有作者發現在上皮細胞質膜頂端的GPI錨定蛋白呈聚合狀態，而這些蛋白在質膜的基底面和側面都呈單體[8]。這些聚合體好像一到達質膜就分散成單體或二聚體。

看起來脂筏結構是蛋白質向質膜頂端運輸的一個主要介導結構，所以我們推測細胞膜是一個富含脂筏的結構。已經有實驗證實上皮細胞質膜頂端是一個脂筏結構的連續體，這個連續體被少量的非脂筏結構打破[9]。而非極性細胞與之不同。非極性細胞的質膜是一種連續的非脂筏狀態，在其中有少量的脂筏。但是關于脂筏結構在兩類細胞中的含量尚無定論。

現在越來越多的發現表明脂筏樣的結構可能在內質網中就形成了。內質網中的膽固醇含量比較低(小于5 mol%)，但從內質網到高爾基體再到質膜，膽固醇的含量越來越高，到質膜達到40～50 mol%。同樣鞘脂的糖基化也是如此。這些變化導致從內質網到質膜厚度越來越厚，越來越容易檢測到脂筏樣結構的存在[10]。

3 脂筏在細胞內吞過程中的作用

細胞內膜的運輸人為地分為向外分泌和內吞。事實上生物合成途徑和內吞體/溶酶體之間可以互換。即內吞的成分也可以回到高爾基體，重新回到質膜。網格蛋白(Clathrin)介導的內吞和囊泡形成是真核細胞最重要的特征，因此網格蛋白介導的內吞過程是研究的最完整的細胞過程[11]。后來發現細胞內還存在脂筏介導的內吞過程。這兩個過程是相互排斥的(盡管有例外)。脂筏介導的內吞對于質膜膽固醇的減少敏感，而網格蛋白介導的內吞過程對膽固醇的減少不敏感。所以推測可以簡單地把質膜內吞的過程分兩種：網格蛋白介導的非脂筏結構的內吞和脂筏介導的內吞。

在脂筏介導的內吞過程中起重要作用的是胞膜穴樣凹陷(Caveolae)[12]，它是脂筏介導的內吞途徑的中間體。除此之外，還發現細胞內存在不依賴網格蛋白的非Caveolae介導的內吞途徑，最突出的例子是CLIC/GEEC系統(Clathrin-independent carriers，CLIC/GPI-enriched endocytic compartments，GEEC)。這一途徑可以介導GPI-錨定蛋白和鞘糖脂-結合毒素的內吞。這個過程不依賴Caveolae和網格蛋白[13]。許多證據已經證明CLIC-GEEC途徑與脂筏有關，然而它的具體過程尚不清楚[14]。另外發現小分子蛋白Arf6也介導脂筏相關的貨物從內吞體向質膜的再循環[15]。最近的研究還發現一種內吞過程叫做大規模內吞(Massive endocytosis，MEND)。這一內吞過程是由細胞內瞬時的鈣離子濃度升高引起的，在大約幾分鐘之內50%的質膜就被內吞，推測這種內吞是由于脂筏結構的聚集引起的[16]。

4 脂筏在內體降解和內體再循環中的作用

質膜內吞之后，內體有兩個去處：一是到溶酶體被降解；二是再循環到質膜。在這個過程中脂筏主要參與初級內體的形成。初級內體的結構包含類似再循環內體的網狀小管和類似于次級內體的多泡狀結構。初級內體和再循環內體都富含膽固醇、鞘磷脂和磷脂酰絲氨酸以及Caveolin。但是這些成分在次級內體中含量很少[17]。所以人們推測脂筏介導初級內體-再循環內體-質膜 的再循環過程。最近Diaz-Rohrer等的實驗證實了這一點，將質膜上的一種跨膜蛋白造成一系列的突變，使其對脂筏有不同程度的親和力，即從“不與脂筏結合”到“在脂筏中聚集”等一系列的狀態。結果發現該蛋白質在質膜上的定位與其對脂筏的結合程度有很大關系。所有與脂筏結合的蛋白質突變體都在質膜中聚集，而失去脂筏結合特性的蛋白質突變體都聚集在次級內體和溶酶體中。對此，Diaz-Dohrer等[18]的解釋是所有的質膜蛋白都被內吞，如果該蛋白質能夠與脂筏緊密結合，它將通過再循環內吞體再循環到質膜，如果該蛋白質不在脂筏中富集，它將通過次級內體和溶酶體被降解。此外Mobius等[19]發現在次級內體和溶酶體的多泡狀結構的腔面小泡是富含膽固醇的。但是脂筏結構在次級內體的腔面聚集導致溶酶體代謝功能異常。表現為溶酶體的增殖、肥大和嚴重的神經元功能障礙。比如鞘脂代謝障礙性疾病Fabry病、尼曼-匹克病和Tay-Sachs病。經常發現在這些患者的細胞中脂筏成分(神經鞘脂、糖脂、膽固醇)在溶酶體中聚集，在這些患者的細胞內發現大量溶酶體的聚集[20]。

5 脂筏介導的物質運輸的分子機制

在脂筏介導的運輸中，小分子蛋白質成分起著重要的作用，包括Caveolin、Flotillin、Caveolae以及Arf6等[18]，這些小分子蛋白都參與細胞的內吞過程。

5.1 小分子蛋白Caveolin、Flotillin在脂筏運輸中的作用 與脂筏介導的運輸關系最密切的是Caveolin。最初發現這種蛋白是v-Src的磷酸化底物，因而與腫瘤的發生有關，后來發現這一蛋白是膜內陷小泡(Caveolae)的重要組成成分，在上皮細胞向質膜頂端的運輸中發揮重要的作用[21]。Caveolin與膽固醇直接結合，而且它的功能受膽固醇存在與否的影響，也就是說，消除膽固醇會影響Caveolin的功能。Caveolin多聚化后僅與富含脂筏的膜結構結合，這暗示出Caveolin的多聚化可能與脂筏的聚集和發揮功能有關[22]。在脂筏聚集中另一個起重要作用的蛋白是Flotillin。與Caveolin不同，這種蛋白不是膜內在蛋白，它需要脂質修飾才能與膜結合。但與Caveolin相似，Flotillin能夠相互聚合，從而參與內吞過程[23]。已經發現上皮細胞中GPI-錨定蛋白和霍亂毒素的內吞過程中需要Flotillin的參與[24]。

5.2 小分子蛋白Arf6在脂筏運輸中的作用 除了上述Caveolin和Flotillin蛋白外，有許多輔助因子在脂筏對目的膜區的識別和融合中發揮重要作用，其中研究的最清楚的是屬于Ras家族的小GTP酶Arf6。GTP的水解在細胞骨架和細胞膜的動態變化中發揮重要作用。在脂筏介導的運輸中，Arf家族的許多成員盡管不能作為包被蛋白直接發揮作用，但是它能夠與網格蛋白和其他連接蛋白(Adaptor protein)結合，從而發揮包被蛋白的作用。與其他Arf蛋白不同，Arf6位于質膜和初級內體，參與脂筏介導的內吞和再循環，在這個過程中Arf6參與的是非網格蛋白/非內陷小泡介導的GPI-錨定蛋白的內吞過程[25]。Arf6的這一作用對淀粉樣蛋白前體(APP)的加工過程非常重要。而Alzhimer病的突出表現就是淀粉樣蛋白的聚積[25]。 除了以上這幾種小分子蛋白外，SNAREs蛋白復合體在脂筏小泡與膜的融合中發揮重要的作用。

總之，脂筏結構在細胞膜內蛋白質從內質網到高爾基體再到細胞質膜的運輸過程中發揮著重要的作用，在細胞內吞、再循環和進入溶酶體的過程中也發揮著重要的作用。但具體的機制仍不清楚。希望能通過對功能性膜蛋白的重建的研究和對脂筏結構認識的深入對脂筏介導的運輸機制有更深一步的認識。

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Function of lipid raft in protein transport.

LIU Wei-xia1,ZHU He2,XING Yan-xia2.1.Department of Nuclear Medicne,Affiliated Hospital of Shandong University of Tranditional Chinese Medicine,Jinan 250011,Shandong,CHINA; 2.Shandong Agriculture and Engineering University,Jinan 250100,Shandong,CHINA

The ordered liquid structure composed of cholesterol,glycosphingolipid and protein in cell membrane is called lipid raft.The proportion of lipid raft in cell membrane becomes higher from endoplasmic reticulum to Golgi apparatus and then to plasma membrane.Lipid raft plays an important role in the protein transport from Golgi apparatus to plasma membrane,in endocytosis and recycling.This review will focus on the function and molecular mechanism of lipid raft in the protein transport from Golgi apparatus to plasma membrane and endocytosis.

Lipid raft;Protein transport;Endoplasmic reticulum;Golgi apparatus;Endocytosis

R329.2+7

A

1003—6350（2015）21—3179—04

2015-05-27)

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.21.1156

國家自然科學基金(編號：31171088)

劉衛霞。E-mail：pumcwx@yahoo.com