葡萄糖神經酰胺及其代謝酶與肝臟疾病的關系

魏喜生，甘建，毛小榮，李俊峰

(1.蘭州大學第一臨床醫學院，蘭州 730000； 2.蘭州大學第一醫院a.傳染病研究室，b.感染科，蘭州 730000)

與蛋白質和核酸一樣，脂質是細胞膜的主要成分之一。由于脂質在膜中的分布并不均勻，使得細胞膜及細胞器膜各區域形成相對獨立的膜室系統，并行使自己的獨特功能[1]。細胞內的細胞器(如內質網、高爾基體)以及溶酶體間有膜分隔，蛋白質和其他物質需被包裝成與脂類結合的囊泡，才能實現在細胞器間不斷的流通與交換[2-3]。細胞膜及細胞器膜不僅具有屏障作用，還是溝通細胞與外界環境的橋梁，并參與細胞分化、增殖、凋亡、物質運輸和信號轉導等諸多病理生理過程[4-5]。而鞘脂[如神經酰胺(ceramide，Cer)]是細胞膜的主要結構，與膽固醇一樣，其參與了細胞膜流動性的形成和細胞亞區結構的維持，同時也賦予了細胞膜多種功能[6]。如鞘脂連接糖類基團后可生成糖鞘脂，Cer連接葡萄糖基團形成葡萄糖神經酰胺(glucosylceramide，GC)。同時，糖基化作用也可以顯著改變鞘脂的原本特性，甚至產生完全相反的作用，如Cer導致細胞增殖阻滯、細胞凋亡或自噬；然而，Cer糖基化能迅速消除Cer，從而促進腫瘤細胞增殖[7]。此外，糖鞘脂在肝臟疾病中可產生多效性的信號通路，參與肝損傷過程中肝細胞凋亡和壞死的病理機制[5]。Cer生成GC這一過程受葡萄糖神經酰胺合成酶(glucosylceramide synthase，GCS)的調控，GCS是Cer糖基化的關鍵酶，其活性直接決定著細胞內Cer/GC的平衡，進而影響細胞功能狀態。近年來，鞘脂組學成為研究熱點，對GC和GCS的進一步研究不僅有助于理解相關肝臟疾病的發病機制，也為下一步研究膜脂質生物學奠定基礎?，F就GC和GCS與肝臟疾病的關系予以綜述。

1 GC及其代謝酶的結構與功能

1.1GC Cer在細胞中可以被糖基化，在產生糖基化物種的第一步中，葡萄糖連接到Cer的1-羥基位上，生成GC。Cer作為構成鞘脂的基本組成單位，位于鞘脂合成代謝的中心位置。Cer的生成有3條途徑：①在內質網發生的依賴絲氨酸和棕櫚酸酯的從頭合成途徑；②通過激活Toll樣受體4的炎癥通路合成；③通過破壞復雜的糖鞘脂類化合物作為挽救合成途徑。Cer合成后需要運輸到高爾基體進行下一步反應，其運輸除了囊泡運輸外也可以通過Cer轉移酶的轉移作用實現。Cer轉移酶是一種細胞質蛋白，其將Cer從內質網轉移到高爾基體并修飾成鞘磷脂，也可能是GC，因為鞘磷脂合成酶和GCS均在高爾基體膜上。鞘磷脂的基本結構由頭部、鞘氨醇骨架和脂肪酸尾三部分構成，不同的頭部基團和骨架基團構成的排列影響脂質的形狀和潛在的鍵合模式。鞘脂的命名是基于化學結構，其頭部通過不同的分子基團修飾定義了不同種類的鞘磷脂，并具備相應的生理功能，鞘氨基醇骨架與脂肪酸尾則組成了Cer，其經過糖基化修飾后生成GC。研究認為，GC和其他糖鞘脂在疾病的過程中扮演了重要角色，如GC是癌癥進展過程中的重要生物分子，以及癌癥治療結果的關鍵調節劑[8]。GC除了參與維持細胞膜的結構完整性外，還在調節細胞信號轉導和基因表達中發揮關鍵作用，以此影響細胞功能的各個方面，特別是細胞凋亡、增殖、炎癥和耐藥[9-10]。

1.2GCS GC的合成發生在高爾基體，由GCS催化葡萄糖連接到Cer上而生成[7]。該酶是由尿苷二磷酸葡萄糖神經酰胺葡萄糖基轉移酶基因編碼的一種長度為394個氨基酸組成的糖蛋白，幾乎表達于所有真核細胞膜。人GCS基因定位于第9號染色體長臂，全長32 kbp，包含9個外顯子和8個內含子，其C端為酶催化活性域，N端為信號錨定區，GCS通常與高爾基體膜緊密結合并作為其常駐酶[11]。目前研究顯示，GCS在細胞增殖、凋亡等方面扮演重要角色[7,12]，表明GC及其相關代謝酶可能成為疾病治療的有效靶點[13]。GCS作為鞘脂糖基化的關鍵酶，其能通過控制糖基化鞘脂與未糖基化鞘脂水平來調節細胞的功能狀態，而GCS的失衡將導致相關疾病的發生[14-15]。GCS可通過參與多效性信號通路介導疾病的生物學過程，促進相關疾病的發生發展。近年來發現，GC與肝臟疾病(肝臟炎癥和纖維化等)密切相關，而GCS作為糖鞘脂代謝的關鍵酶，對細胞生理活動和執行相應的功能也起到了重要作用。

2 GC和GCS與免疫性肝損傷的關系

體內免疫應答介導的肝損傷是眾多肝臟疾病發生發展的主要原因之一，尤其在免疫性肝炎和乙型肝炎的發病過程中，引起肝細胞損傷的直接因素是T細胞介導的免疫反應。因此，對免疫性肝損傷機制的深入研究能夠為阻止慢性肝臟疾病進展提供更多的理論基礎和藥物作用靶點。近年來，利用鞘脂組學研究鞘脂與疾病之間的關系成為醫學領域研究的熱點之一。然而，目前對于GC和GCS在免疫介導的肝損傷中的作用機制報道較少。

2.1肝臟獨特的免疫環境 肝臟既是中心代謝器官又是重要的免疫器官，其內聚集著T淋巴細胞、B淋巴細胞、自然殺傷細胞、自然殺傷T細胞(natural killer T cell，NKT細胞)和γδT細胞等眾多免疫細胞，共同參與肝臟的免疫調節[16]。物理、化學、藥物和酒精等因素均可引起慢性肝細胞損傷，激活肝臟免疫反應并誘發肝細胞凋亡、壞死，導致病毒性肝炎、自身免疫性肝病、酒精性肝病和藥物性肝損傷等肝臟疾病[16-17]。眾所周知，免疫介導的肝損傷涉及多種免疫細胞和細胞因子，如NKT細胞，它們在肝臟中特別富集，尤其在嚙齒類動物身上表現更為明顯[18]。NKT細胞在肝臟的動態免疫平衡中起著監視作用，這種作用一是可以通過細胞與細胞接觸而實現[18]；二是通過識別由CD1d分子提呈的糖脂類抗原，NKT細胞在受到糖脂類抗原刺激后迅速活化并產生一系列細胞因子參與調節固有免疫和適應性免疫[19]。從構造上來看，肝臟具有高度血管化的肝竇結構、豐富的血流和高通透性的內皮細胞，使得肝臟內的各種細胞可以有效地與血液中的各種成分進行接觸，并易受到抗原性物質的激活，從而引發免疫應答反應。

2.2GC和GCS介導免疫性肝損傷的結局 肝臟先天免疫細胞構成的屏障是抵抗病毒、細菌和真菌等病原體入侵的重要防線。研究表明，許多病毒、細菌和細菌毒素均能與宿主細胞表面上的糖鞘脂的碳水化合物組分相結合，糖鞘脂可作為微生物和細菌毒素的功能受體，并協助其完成入侵機體的過程[20-21]。脂質在細胞膜表面往往形成脂質筏，并在免疫應答中起重要作用；同時，糖鞘脂之間可以互相作用以調節機體的適應性免疫，這一過程是通過激活CD4+和CD8+T細胞受體的功能而實現；此外，GC還是NKT細胞的主要內源性配體，并對機體的免疫功能起調節作用。與GC不同，GCS通過控制Cer/GC的平衡調節細胞的生理活性。當GCS基因表達下調會引起內源性GC變化，并通過Bcl-2/Bcl-2相關X蛋白途徑影響肝細胞的凋亡[22]，而Bcl-2/Bcl-2相關X蛋白途徑是介導細胞凋亡的重要機制。因此，GC和GCS能通過直接或間接作用調節免疫細胞的免疫反應影響肝細胞凋亡，在一定程度上決定免疫性肝損傷的結局。然而，目前關于肝臟糖鞘脂與肝內免疫細胞生物學功能的研究較少，且淋巴細胞在肝臟中的確切發育分化過程及機制尚未闡明。

3 GC與病毒性肝炎和肝纖維化的關系

GC等糖鞘脂是一類結構多樣的生物活性分子，其在信號轉導以及各種疾病的發病機制中具有重要意義。在肝炎病毒感染期間，病原體能夠利用由鞘脂和其他物質組成的脂質筏進入其感染的宿主細胞，以完成侵入過程。而病毒性肝炎是導致肝纖維化的主要原因之一，因此，糖鞘脂可能成為肝纖維化的治療靶點。

3.1GC與病毒性肝炎 在慢性肝炎病毒感染者中存在明顯的脂質代謝紊亂，而血清鞘脂與慢性肝炎病毒感染所致的肝損傷密切相關，如機體對抗病毒治療的反應會伴隨血清鞘脂水平變化，故鞘脂可能成為慢性病毒性肝炎潛在的血清生物標志物[23-24]。如在丙型肝炎病毒(hepatitis C virus，HCV)感染期間，如果HCV脂筏上的非結構蛋白聚集被絲氨酸-棕櫚酰轉移酶的抑制打斷，那么HCV-RNA水平可能會顯著降低。脂質作為細胞膜的主要成分，是細胞膜結構和功能的基石，肝炎病毒從細胞內運輸、出胞和與宿主細胞膜融合的過程均離不開脂質的作用[25]。在肝炎病毒的感染過程中，脂質的信號通路能夠影響肝炎病毒的感染過程。即Cer能介導肝細胞內乙型肝炎病毒的傳播和輸出，同時還可參與調節HCV的復制和進入宿主細胞[26]，而Cer抑制劑能有效抑制肝炎病毒的復制[27]。此外，鞘脂還能通過與免疫細胞的相互作用促進免疫細胞有效識別，進而抑制病毒復制，如NKT細胞通過感知乙型肝炎病毒誘導的自身脂質來抑制體內乙型肝炎病毒復制[28]。進一步研究發現，糖鞘脂(如GC)也能通過激活NKT細胞增強機體的免疫功能，在抗病毒治療過程中GC還能作為佐劑發揮重要作用，從而為病毒性肝炎的臨床治療提供有效手段[29]。以上研究表明，肝內鞘脂可能與肝臟免疫細胞共同參與抗肝炎病毒的過程，但具體機制仍不明確。

3.2GC與肝纖維化 肝纖維化可由多種因素引起，其主要特點為細胞外基質在肝實質內過度沉積。肝星狀細胞活化被認為是肝纖維化發生的細胞學基礎，是各種病因導致肝纖維化發生的共同中心環節。活化后的肝星狀細胞失去維生素A脂質，變為肌成纖維細胞，并具有增殖、成纖維和收縮的能力。肝星狀細胞通過表達α平滑肌肌動蛋白和過量的細胞外基質蛋白引起膠原的沉積與降解失衡，因此肝星狀細胞被認為是肝纖維化發生的策劃者，可作為肝纖維化治療的重要潛在靶點[30]。鞘磷脂酶是參與鞘脂代謝反應的溶酶體酶，其能催化細胞膜上的鞘脂裂解產生Cer；同時，鞘磷脂酶還可促進肝星狀細胞活化，加速肝纖維化進程[31]。此外，學者還觀察到Cer參與非酒精性脂肪性肝病的發生發展過程，并可能作為肝纖維化的參考指標[32]。

可見，鞘脂家族衍生物可能成為病毒性肝炎感染和肝纖維化的潛在標志物，應進一步評估其作為非侵入性指標對病毒性肝炎和肝纖維化的預測作用。但目前關于GC/GCS與病毒性肝炎和肝纖維化的直接研究極少，以上研究表明，對鞘脂組學的深入研究有助于揭示病毒性肝炎和肝纖維化形成的調控機制，并可為未來治療肝纖維化提供一種切實可行的手段。

4 GCS與肝癌

葡萄糖是維持生命的關鍵能源，也是絕大多數生物體內最重要的供能形式。癌細胞是一類高代謝的細胞，需要消耗大量葡萄糖來獲得能量以維持其生長，因此葡萄糖成為腫瘤組織所需最重要的直接糖類。而GCS是調節Cer糖基化的關鍵酶，Cer與GC或與其他復雜糖鞘脂之間的失衡可以誘導細胞惡性生長，或將癌細胞恢復正常。Cer糖基化的限速酶，特別是GCS能促進癌細胞代謝，有利于癌組織生長。研究顯示，給予GCS抑制劑后，Cer向GC轉化減少，Cer積聚在細胞內可以通過與效應因子的相互作用直接調節細胞過程，如Cer誘導線粒體激活從而啟動細胞凋亡[33]。高活性GCS則加速Cer向糖基化轉變，從而使癌細胞凋亡減少并快速增殖[34]。因此，GCS可能是癌細胞增殖所需的蛋白質。

研究發現，肝癌患者體內樹突狀細胞存在一定的缺陷，不能有效誘導初次免疫應答和激活特異性T淋巴細胞，導致無法充分發揮抗腫瘤免疫反應[35]。研究表明，GCS是T淋巴細胞的激活劑，活化的T淋巴細胞通過高表達γ干擾素激活巨噬細胞，以發揮強大的抗腫瘤作用，當GCS缺乏時NKT細胞的激活則受到抑制[36]。另外，在肝癌化療過程中，長期暴露于索拉菲尼耐藥的肝癌細胞中GCS呈高表達，GCS促進Cer轉變成GC，導致細胞內GC增多而Cer減少。Cer的積累能增加細胞毒性，誘導細胞凋亡，而Cer的降解則會使細胞凋亡減少，產生耐藥性。因此，GCS能誘導肝癌細胞對索拉菲尼的耐藥；反之，GCS抑制劑能逆轉這一情況，一定程度上改善腫瘤患者的臨床結局[13]。

目前，在肝臟疾病以外的其他疾病中均發現有鞘脂及其代謝酶的參與，如GCS參與神經元分化，缺乏該酶可引起神經細胞功能障礙[37]；在大腸癌和乳腺癌中也發現GCS過表達并介導癌細胞多藥耐藥的現象[38-39]；此外，GCS被認為是胚胎發育所必需的基本物質，缺乏GCS的胚胎將不能存活[40]。

5 小 結

脂質分子是結構和功能上多樣化的生物分子，在細胞生物學中發揮關鍵作用。脂質是細胞膜以及所有基于膜的細胞器(高爾基復合體、內質網、線粒體和囊泡等)的主要成分。不同細胞的細胞膜及細胞器膜功能不盡相同，有的膜在生物體的生長溫度下能獲得最佳的膜性能，如機械強度或膜流動性，有的則是構成了物理屏障。因此，生物膜對于維持細胞和細胞器的完整性以及在細胞內的獨特空間必不可少。脂質代謝涉及眾多的化學反應，但目前關于脂質的研究仍不甚明確。脂質構成了細胞膜的基本結構，而細胞的存活和發揮正常功能均有賴于完整的膜結構，故鞘脂作為脂質家族成員和細胞膜的基本組成成分扮演重要角色。GCS作為糖鞘脂代謝的關鍵控制點，其對細胞命運起決定性作用。因此，開發干擾GC及其代謝酶的藥物將有助于肝臟疾病的治療。