脂筏与人类疾病 关键字: 关键字:哺乳动物、胆固醇、鞘脂、信号转导、感染性疾病。 摘要: 大多数哺乳动物细胞质膜中具有富含胆固醇和鞘脂 (鞘磷脂和鞘糖脂) 的微区称为 “脂 摘要: 筏 ” 。这些富含鞘脂类和胆固醇的微区(现称为脂筏) 具有一定功能的筹结构漂浮于二维流 动的细胞质膜中,被人们形象地称之为"功能筏"。脂筏的组分和结构特点有利于蛋白质之间 相互作用和构象转化, 脂筏区主要参与信号转导和细胞蛋白转运。 脂筏曾经有过许多的名称, 如糖基磷脂酰肌醇脂微区,鞘糖脂富含微区,去垢剂不溶的糖脂富含复合物,低浓度 Triton 不溶复合物等等。一些感染性疾病,心血管疾病,肿瘤,肌营养不良症,阿尔茨海默症, HIV,朊病毒病等可能与脂筏功能紊乱有着密切的关系。 前言: 前言: 脂筏,对于一般的人来讲应该是比较陌生的,我们都知道生物膜膜脂主要分为磷脂,糖 脂和固醇类,其中,磷脂根据醇成分的不同分为甘油磷脂和鞘磷脂,糖脂根据醇的成分分为 甘油糖脂和鞘糖脂, 固醇类主要是指胆固醇。 脂筏是膜脂双层内含有特殊脂质和蛋白质的微 区。富含鞘磷脂,鞘糖脂,胆固醇,GPI-锚固蛋白, Src-kinase 等。脂筏不仅存在于质膜上, 而且还存在于高尔基体膜上。鞘磷脂和鞘糖脂(如神经节苷脂类)的饱和脂肪链紧密聚集, 饱和脂肪链之间的空隙填满了作为间隔分子的胆固醇,形成液态有序相(即脂筏),直径大 约在 50nm 左右。而不饱和脂肪链围绕在筏区的周围,形成非筏区,非筏区的主要成分是卵 磷脂,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰丝氨酸等,也含有胆固醇。因为鞘脂含有长链饱和脂肪链, Tm 较高,所以脂筏区与非筏区相比,流动性差,脂肪链伸展,而且粘稠。所以出现分相。 脂筏区比非筏区高大约 0.4-1nm 左右。质膜内外两层均含有脂筏,脂膜内层的脂筏除了知道 需要胆固醇来维持其整体性和缺少鞘脂之外, 脂筏的组成还是不清楚的。 到目前为止脂筏中 唯一的一种脂膜外层和内层都已经明确的是“质膜微囊” 。 自从 1972 年 S. Single 和 G. Nicolson 提出膜的流动镶嵌模型以来, 生物膜的研究有了飞 速的发展, 大量的科学家进入这一领域, 推动了膜生物学的发展; 1977 年, Jain 和 White 就 提出了生物膜结构的微区模型, 指出生物膜是由处于动态的微区组成;1992 年 Brown 和 Rose 过周密详实的实验提出了脂筏(lipid rafts) 的假设, 旨在说明这类脂锚定蛋白和信号激 酶可以进出的特殊微区而且脂筏已被证实是由大小为 10~100 nm 的膜片组成, 且可以作为 中介将与它相互作用的细胞蛋白和外周蛋白输送到细胞表面. 近几年来新发展起来的实验 手段,如扫描探针显微镜(SPM) 等已经可以观察到生物膜纳米尺度上的结构和动态特性, 从 而使在分子水平上阐述生物膜微结构和功能的物理化学机制成为可能. 脂筏的组分和结构特点有利于蛋白质之间相互作用和构象转化, 可以参与信号转导和蛋 白质(包括细菌和毒素)转运。病原体如病毒,细菌及其毒素等利用脂筏进入宿主细胞,利 用细胞表面的 GPI-锚固蛋白和筏脂作为主要的或补充的受体。 因此我觉得有必要研究脂筏 在疾病中的作用,以便了解疾病的机理,从而造福于人类。下面是列举的几种与脂筏相关的 人类疾病。 第一: 第一:脂筏与朊病毒病 朊病毒病是一种由朊病毒引起的神经退行性疾病。 包括人克雅氏综合症, 羊瘙痒症和牛海绵 样脑病,猫海绵状脑病等。朊病毒本质上是具有感染性的蛋白质。朊病毒病主要的特点是脑 内朊蛋白(PrPc)的异常形式(PrPSc)的聚集。PrPSc 是由正常的 PrPc 构象转换而成,两 者有同样的氨基酸序列,只是构象不同而已。PrPc 发生构象转换 PrPSc 是由α螺旋转换为 β片层结构。两者相比,PrPSc 溶解度低,且抗蛋白酶 K 酶切。PrPc 是结合在细胞膜外层, 带有 GPI 锚结构的糖蛋白,主要存在于脂筏中,胆固醇损耗降低了 PrPSc 的产生量,而鞘 脂损耗增加了 PrPSc 的产生量。发现感染性的朊病毒里存在有两种鞘脂,GalCer 和鞘磷脂。 所有这些证据都表明脂筏可能在 PrPc 构象转换中起着关键的作用。 Fantini, J. 等提出了一 种基于脂筏的 PrPSc 繁殖的可能机制: (1)感染的朊病毒(或者是单个的 PrPSc 分子,或者是富含 PrPSc 的小单层脂质体)从感 染细胞上脱落下来,PrPSc 插入未感染细胞的质膜。 (2) 内源的 PrPc 和感染的 PrP 蛋白都可能存在于一个脂筏中, 脂筏彼此靠近, 使得 PrP 和 PrP 紧密连接。 (3)在脂筏中发生 PrPc 向 PrPSc 的构象转换。 (4)产生的 PrPSc 继续去感染其他 PrPc,从而引起 PrPSc 大量的产生。 最新研究表明, 某些疾病如艾滋病的病原体——HIV 病毒、 疯牛病的病原体——朊病毒就是 借助于脂筏进入宿主细胞的。我觉得利用脂筏的特点,将某些物质经脂筏运载,导入人体细 胞,以期治疗某些疾病。例如可以利用脂筏运载干扰素到达癌细胞的聚集处释放,干扰肿瘤 细胞的无限增殖,更好的达到抑制肿瘤细胞传播的速度和广度,给病人减轻痛苦(例如射线 照成的生理和心理的痛苦) 。 第二: 第二:脂筏与阿尔茨海默症 阿尔茨海默症是一种大脑神经退行性疾病,其病理学特征有:细胞外的淀粉样斑,细胞内的 非正常 tau 蛋白螺旋丝形成的神经纤维缠结,神经元的缺失和多种神经递质系统的改变。其 中最显著的特征是细胞外大量的弥散性老年斑, 淀粉样斑由多种蛋白质组成, 其主要成分是 Aβ, 研究发现可溶性的, 非毒性的 Aβ转换为聚集的毒性的富含β-片层结构是阿尔茨海默 症发生的关键步骤。 Aβ是由前体蛋白 APP 剪切而来的分子质量为 4KD 的多肽,一般由 39-42 个氨基酸组成,具有两亲性,N 端亲水,C 端疏水。Aβ包括 Aβ40 和 Aβ42,其 中 Aβ42 是 APP 在内质网上被蛋白酶切产生的,在反式高尔基体网络中产生 Aβ40,也有 人认为都是在质膜表面蛋白酶切产生的。APP 经过两个连续的蛋白酶切过程产生 Aβ的, 涉及二个酶:β-分泌酶和γ-分泌酶, β-分泌酶将 APP 剪切为可溶的 sAPPβ和 C 端片断 CTF β,然后 CTFβ被 γ-分泌酶酶切掉形成 Aβ。因为 APP,β-分泌酶和γ-分泌酶都是存在于 脂筏中。因此 Aβ的产生和聚集主要发生在脂筏中。Cordy, J. M. 等为了研究脂筏在 APP 酶 切过程中的作用,将只存在于脂筏中的 GPI 锚取代β-分泌酶的 C 端和跨膜区,结果发现, 与野生型的β-分泌酶表达的 SH-SY5Y 细胞系相比,GPI-β-分泌酶表达的细胞系上调了 sAPPβ和 Aβ的分泌量。当脂筏被胆固醇水平损耗而引起脂筏紊乱后,这种影响得已逆转。 结果也表明 APP 酶切为 Aβ的过程主要发生在脂筏中,而且β-分泌酶是该过程的限速酶。 脂筏特别是质膜外层的脂筏容易与 Aβ多肽发生相互作用, 并是细胞功能紊乱和神经退化发 生的原因之一。两种筏脂(胆固醇和 GM1)与 Aβ的结合可能促进纤维化的形成。Kakio, A. 等提出了 Aβ与膜相互作用的模型,认为首先是 Aβ专一性的识别神经节苷脂簇,胆固醇的 存在有利于神经节苷脂簇的形成, 然后 Aβ在神经节苷脂簇的帮助下, 蛋白质密度增加到一 定高的程度后,Aβ构象发生转换,从α-螺旋构象转换为β-片层构象,β-片层构象的 Aβ 作为淀粉样纤维形成的种子在与膜结合之后立刻寡聚化, 同时与之竞争发生的是与膜结合的 β-片层构象的 Aβ作为一种膜活化的物质,转位至与可溶性 Aβ没有亲和性的膜区即非脂 筏区。 包含神经节苷脂簇的脂筏可能作为一个构象催化剂或者分子伴侣来辅助产生具有成熟 能力的 Aβ膜活化形式。 参考文献: 参考文献: 1. 陈岚, 许彩民, 袁建刚, 潘华珍; 脂筏的结构与功能[J]; 生物化学与生物物理进展; 2003 年 01 期; 2. 刘圣红,苟萍;鞘脂类的研究进展[J];生物技术;2009 年 02 期; 3. 王海龙;脂筏微区分子的分离与重组研究[D];陕西师范大学;2008 年; 4. 郝长春;脂筏结构拆离与重建的原子力显微镜研究[D];陕西师范大学。