“鞘磷脂变阻器”在细胞中的作用机制研究

[摘要] 鞘磷脂代谢产物在细胞中具有重要的生理学意义。其代谢产物中神经酰胺和鞘氨醇具有抑制细胞生长、促进细胞凋亡的作用。而1-磷酸鞘氨醇（S1P）则具有促进细胞增殖、分化的作用。鞘磷脂代谢产物的动态平衡决定着细胞的生存和死亡。据此有人提出了“鞘磷脂变阻器”的概念。深入探讨鞘磷脂代谢产物，不但能从分子层面去更多了解细胞的生存机制，而且能为临床提供疾病治疗的新靶点。

[关键词] 鞘磷脂；神经酰胺；鞘氨醇激酶；1-磷酸鞘氨醇；线粒体

[中图分类号] R34 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2013）09（a）-0014-03

鞘脂类是所有的真核脂双分子层和一些原核细胞膜的重要组成部分，分为鞘磷脂和鞘糖脂。鞘磷脂分子都有一个长的碳链骨架，而将鞘磷脂的1位磷酸胆碱头部换成糖分子，则为鞘糖脂。随着对鞘磷脂研究的不断深入，鞘磷脂代谢产物的作用也逐渐被人们所熟悉，许多代谢产物在细胞生物学功能中都发挥着重要的作用，如作为脂类第二信使参与到众多信号通路转导过程中，调节细胞的生长、增殖、分化、迁移、死亡等。因此，对鞘磷脂及其代谢产物的不断研究，有助于在一个新的分子领域去探索细胞的生存机制。

1 概述

1.1 “鞘磷脂变阻器”

鞘磷脂的代谢产物包括神经酰胺（ceramide，Cer）、鞘氨醇（sphingosine，Sph）、1-磷酸鞘氨醇（sphingosine-1-phosphate，S1P）。Cer和Sph向着S1P的方向转化，而S1P在一定条件作用下也可以向着相反方向转换。其中Cer和Sph是应激反应调控系统的重要组成部分，都具有抑制细胞生长和促凋亡的作用，而S1P则具有促进细胞生长和抑制死亡的作用。这些代谢产物的合成与分解构成了一个动态的平衡关系，这个动态平衡决定着细胞的生存和死亡。据此有人在将Cer、Sph和S1P构成的这个平衡关系形象地称为“鞘磷脂变阻器”[1]。

1.2 “鞘磷脂变阻器”的代谢

Cer是鞘磷脂代谢重要的中间环节，它有两种合成方式：从头合成，从头合成是Cer和一些重要的病理生理学，如脂毒性的基础合成方式；通过酸性鞘磷脂酶（acid sphingomyelinase，ASM）水解神经鞘磷脂而形成。从头合成开始是在内质网发生的。①在丝氨酸棕榈酰基转移酶的催化作用下促使丝氨酸和软酰胺COA缩合生成3-酮基鞘氨醇[2]；②酮基还原酶在辅酶Ⅰ的作用下还原3-酮基鞘氨醇，形成二氢神经鞘氨醇，二氢神经酰胺在神经酰胺合酶的N-乙酰化作用下，生成二羟基神经酰胺；③二羟基神经酰胺在脱氢酶的作用下形成Cer。随后，Cer分生三种代谢方法：①被转移酶分解代谢成半乳糖基神经酰胺，继而在胰岛素颗粒中转成硫酸体；②在神经酰胺激酶的作用下产生1-磷酸神经酰胺，此过程是可逆的；③在神经酰胺酶的作用下，Cer发生脱酰作用，生成Sph，并在神经酰胺转运蛋白的作用下转移到高尔基体中。在高尔基体中，神经酰胺在鞘磷脂合酶（1和2）和ASM的作用下与鞘磷脂发生可逆的反应。Sph和二氢神经鞘氨醇在体内不能从头合成，只能通过在酸性神经酰胺酶的作用下，神经酰胺发生脱酰作用，继而生成Sph。Sph在鞘氨醇激酶和磷刺激下生成S1P，S1P既可以在磷酸鞘氨醇磷酸酶的作用下发生脱磷酸，可逆地生成Sph，也可以在S1P裂解酶的作用下生成磷酸乙醇胺和十六烷基癸烯。

2 “鞘磷脂变阻器”在细胞中的作用机制

2.1 Cer

Cer水平的升高可引起细胞的凋亡，因为Cer参与了多种诱导细胞凋亡的信号通路。白细胞介素-3（interleukin-3，IL-3）、神经生长因子（nerve growth factor，NGF）、电离辐射等细胞外信号和受体会激活第二信使神经酰胺，促使神经酰胺的产生，产生的神经酰胺会继续激活不同的蛋白激酶和蛋白磷酸酶（JNK、PKC等），从而启动级联的信号通路，将细胞外的信息传递给细胞内，继而引起细胞凋亡[3]。产生神经酰胺的脂肪酸有14～26个碳原子，其中神经酰胺带16碳脂肪酸（C16）神经酰胺和18碳脂肪酸（C18）神经酰胺与细胞凋亡作用有关[4]。当细胞暴露在乙型跨膜糖蛋白和辐射下，线粒体内C16神经酰胺增加，线粒体质量降低最后死亡。C18神经酰胺与淀粉样蛋白介导的细胞凋亡有关。

Cer与浆膜介导的细胞凋亡有关。外在刺激在细胞膜结合一个配体来传递死亡信号，如FasL、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TNF-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL），它们在细胞膜表面各自结合死亡受体[5]。结合配体的受体稳定性增强，胞质域的构象改变，与细胞内信号分子的结和性加强。在ASM转移到细胞外膜，在胞外叶状器官中裂解胆碱磷酸头基，水解鞘磷脂，继而生成Cer。Cer活化caspase-8，引起ASM活化激活Fas使细胞凋亡。

在细胞内和细胞外引起凋亡的过程中，线粒体都扮演者重要的角色。Cer对线粒体引起的细胞死亡同样起至关重要的作用。Cer在线粒体膜形成神经酰胺通路来起到促使细胞凋亡的作用。神经酰胺通路是线粒体外膜神经酰胺富集的唯一通路。神经酰胺通路可以促抗凋亡蛋白（如Bcl-XL）分解。神经酰胺线粒体通路允许

2.2 S1P

2.2.1 S1P的作用机制 S1P主要存在于细胞和血浆中，S1P能促进细胞生长、迁移，抑制细胞凋亡、活化激酶、磷脂酶、促进钙离子的释放，是细胞内多种信号通路的重要组成部分。S1P对细胞的调节分为两种独立过程。①S1P在细胞外作为配体与G蛋白偶联受体结合（S1P1-5），发挥第一信使的作用。这些G蛋白偶联受体被称为内皮细胞分化基因表达受体（EDG），在不同的组织器官中发挥着不同的作用。S1P通过自分泌或者旁分泌的方式激活S1P受体。许多刺激物的下游效应可以反式激活一种或更多的S1P受体。②受体独立的作用于细胞内靶点，目前此种机制还尚不清楚[7]。

S1P信号通路通过S1P受体可以激活抗凋亡通路，如PI-3/Akt、ERK、MAP激酶。此外，转运蛋白ATP-结合盒家族，像胞外转运S1P，这是S1P介导细胞生存应答的必要机制之一[8]。在脊椎和非脊椎动物中S1P在应激作用中有明显差别，脊椎动物中是受体独立和受体介导共同起作用，而在非脊椎动物中只存在受体独立性的机制[9]。

2.2.2 S1P受体 S1P的许多重要生理功能都是通过结合S1P受体来完成，S1P1是通过孤儿受体鉴定出来的，参与内皮细胞的分化，如缺失S1P1的平滑肌细胞和血管周细胞无法迁移，影响新生内皮管包膜形成，导致血管的成熟不完全，最终导致出血致胚胎死亡[10]。此外，S1P1可连接S1P2和S1P3增加血管完整性，维持内皮和上皮细胞的屏障完整性。内皮屏障的破坏可增加血管的通透性，引起肿瘤和炎症。利用SinRNA低表达S1P1，通过跨内皮单层电阻抑制细胞壁的作用，低表达的S1P3抑制了血管的破坏[11]。说明下游的信号分子蛋白激酶B和Rac作为S1P1的感受器参与到保护血管完整性。

S1P受体在活性氧介导的损伤机制作用相对复杂，S1P2通路在肾小管细胞中降低SPK-1的表达，加重了缺血再灌注损伤。尽管S1P3在某些方面起到抵抗的作用，但在SPK-1转基因小鼠中，S1P3仍能增强活性氧对心脏纤维化的作用。S1P受体通路能够诱发细胞自噬。信号在前列腺癌细胞中，SinRNA抑制S1P5表达，可抑制胞外S1P引起的细胞自噬，但在S1P高浓度下，情况则相反[12]。

2.3 鞘氨醇激酶

2.3.1 SPK家族 SPK共有7种同工酶，其中SPK-1和SPK-2源于哺乳类动物，主要分布在细胞质基质内。而一些不同的有机生物体如酵母、黏菌类、蠕虫、苍蝇也同样含有SPK的这两种同工酶。SPK-1和SPK-2都属于二酰基甘油激酶。其中SPK-1有两种异构体SPK-1α（42.2 kDa）和SPK-1β（43.2 kDa），它们只是在氨基酸的氮端有些许的差别，说明它们同为选择性剪接的衍生物[13]。活性剂能刺激SPK-1而抑制SPK-2，在高盐下的刺激结果正好相反。SPK-1的高表达可以刺激外源性S1P的产生，继而促进细胞的生长和抗凋亡，而SPK-2的高表达则会抑制上述过程。

2.3.2 激活机制 细胞内SPK-1通过两种机制参与到细胞的生存过程中。①参与鞘脂的平衡代谢，调控Cer和Sph的水平，SPK-1高表达能够抑制Cer的产生，从而起到对细胞抗凋亡、促生长的作用；②与SPK-1易位到细胞质膜有关。SPK-1的激活与翻译后修饰机制有关，包括磷酸化、泛素化、棕榈酰化。由ERK2介导SPK-1的225位丝氨酸磷酸化，SPK-1由胞质迁移到血浆膜的过程。有研究证实，丙二醇甲醚醋酸酯（PMA）能够诱导蛋白激酶C对SPK-1的磷酸化，细胞周期蛋白依赖性激酶2增加SPK-1的活性，使SPK-1易位到细胞质膜，从而增加了促使S1P释放的介质，同时也激发自分泌/旁分泌信号[14]。

酸性磷脂，尤其是磷脂酰丝氨酸对SPK-1的增长具有剂量相关性，而中性磷脂却没有这种关系。这说明特定的磷脂酸与SPK-1相互作用需要易位到膜隔间。利用表面等离子体共振已经证实SPK-1选择性地通过阴离子磷脂结合磷脂酰丝氨酸，高度保守的Thr54和Asn89残基在假定膜与SPK-1表面结合，这一机制对于细胞内外脂质膜的选择性至关重要，在S225磷酸化增加了选择性膜结合和脂质蛋白的交互作用中，这一机制同样是不可或缺的[15]。

2.3.3 鞘氨醇激酶活化剂 SPK-1的活化和亚细胞定位与衔接蛋白的相互作用有关。与SPK-1相互作用的蛋白具有不同的分子结构，如RPK118、蛋白激酶A、锚定蛋白、氨基酰化酶1、血小板内皮细胞黏附分子-1等。这些蛋白都能与SPK-1发生免疫共沉淀反应，但与SPK-1相互作用的生理学意义目前尚不清楚[16]。性激素、生长因子、免疫球蛋白、趋化激素等都能激活SPK-1。

SPK-1的激活能促使TNF-α细胞的存活。SPK-1与TNF受体相关因子2（TRAF2）相互作用，可使SPK-1的活性增强，这是由于TRAF2介导NF-κB活性增强，而不是由于c-Jun氨基末端酶的活化引起[17]。这充分说明SPK-1可能是TNF受体和TRAF2下游信号转导途径的重要组成部分。

3 结语

“鞘磷脂变阻器”在细胞生存和死亡的过程中都起到重要作用。对它的深入研究不但在细胞生存分子机制的微观层面具有重要意义，上升到相关疾病治疗、营养干涉的宏观层面也同样为我们提供了新的研究靶点。

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（收稿日期：2013-04-19 本文编辑：林利利）