葡萄糖神经酰胺及其代谢酶与肝脏疾病的关系

魏喜生，甘建，毛小荣，李俊峰

(1.兰州大学第一临床医学院，兰州 730000； 2.兰州大学第一医院a.传染病研究室，b.感染科，兰州 730000)

与蛋白质和核酸一样，脂质是细胞膜的主要成分之一。由于脂质在膜中的分布并不均匀，使得细胞膜及细胞器膜各区域形成相对独立的膜室系统，并行使自己的独特功能[1]。细胞内的细胞器(如内质网、高尔基体)以及溶酶体间有膜分隔，蛋白质和其他物质需被包装成与脂类结合的囊泡，才能实现在细胞器间不断的流通与交换[2-3]。细胞膜及细胞器膜不仅具有屏障作用，还是沟通细胞与外界环境的桥梁，并参与细胞分化、增殖、凋亡、物质运输和信号转导等诸多病理生理过程[4-5]。而鞘脂[如神经酰胺(ceramide，Cer)]是细胞膜的主要结构，与胆固醇一样，其参与了细胞膜流动性的形成和细胞亚区结构的维持，同时也赋予了细胞膜多种功能[6]。如鞘脂连接糖类基团后可生成糖鞘脂，Cer连接葡萄糖基团形成葡萄糖神经酰胺(glucosylceramide，GC)。同时，糖基化作用也可以显著改变鞘脂的原本特性，甚至产生完全相反的作用，如Cer导致细胞增殖阻滞、细胞凋亡或自噬；然而，Cer糖基化能迅速消除Cer，从而促进肿瘤细胞增殖[7]。此外，糖鞘脂在肝脏疾病中可产生多效性的信号通路，参与肝损伤过程中肝细胞凋亡和坏死的病理机制[5]。Cer生成GC这一过程受葡萄糖神经酰胺合成酶(glucosylceramide synthase，GCS)的调控，GCS是Cer糖基化的关键酶，其活性直接决定着细胞内Cer/GC的平衡，进而影响细胞功能状态。近年来，鞘脂组学成为研究热点，对GC和GCS的进一步研究不仅有助于理解相关肝脏疾病的发病机制，也为下一步研究膜脂质生物学奠定基础。现就GC和GCS与肝脏疾病的关系予以综述。

1 GC及其代谢酶的结构与功能

1.1GC Cer在细胞中可以被糖基化，在产生糖基化物种的第一步中，葡萄糖连接到Cer的1-羟基位上，生成GC。Cer作为构成鞘脂的基本组成单位，位于鞘脂合成代谢的中心位置。Cer的生成有3条途径：①在内质网发生的依赖丝氨酸和棕榈酸酯的从头合成途径；②通过激活Toll样受体4的炎症通路合成；③通过破坏复杂的糖鞘脂类化合物作为挽救合成途径。Cer合成后需要运输到高尔基体进行下一步反应，其运输除了囊泡运输外也可以通过Cer转移酶的转移作用实现。Cer转移酶是一种细胞质蛋白，其将Cer从内质网转移到高尔基体并修饰成鞘磷脂，也可能是GC，因为鞘磷脂合成酶和GCS均在高尔基体膜上。鞘磷脂的基本结构由头部、鞘氨醇骨架和脂肪酸尾三部分构成，不同的头部基团和骨架基团构成的排列影响脂质的形状和潜在的键合模式。鞘脂的命名是基于化学结构，其头部通过不同的分子基团修饰定义了不同种类的鞘磷脂，并具备相应的生理功能，鞘氨基醇骨架与脂肪酸尾则组成了Cer，其经过糖基化修饰后生成GC。研究认为，GC和其他糖鞘脂在疾病的过程中扮演了重要角色，如GC是癌症进展过程中的重要生物分子，以及癌症治疗结果的关键调节剂[8]。GC除了参与维持细胞膜的结构完整性外，还在调节细胞信号转导和基因表达中发挥关键作用，以此影响细胞功能的各个方面，特别是细胞凋亡、增殖、炎症和耐药[9-10]。

1.2GCS GC的合成发生在高尔基体，由GCS催化葡萄糖连接到Cer上而生成[7]。该酶是由尿苷二磷酸葡萄糖神经酰胺葡萄糖基转移酶基因编码的一种长度为394个氨基酸组成的糖蛋白，几乎表达于所有真核细胞膜。人GCS基因定位于第9号染色体长臂，全长32 kbp，包含9个外显子和8个内含子，其C端为酶催化活性域，N端为信号锚定区，GCS通常与高尔基体膜紧密结合并作为其常驻酶[11]。目前研究显示，GCS在细胞增殖、凋亡等方面扮演重要角色[7,12]，表明GC及其相关代谢酶可能成为疾病治疗的有效靶点[13]。GCS作为鞘脂糖基化的关键酶，其能通过控制糖基化鞘脂与未糖基化鞘脂水平来调节细胞的功能状态，而GCS的失衡将导致相关疾病的发生[14-15]。GCS可通过参与多效性信号通路介导疾病的生物学过程，促进相关疾病的发生发展。近年来发现，GC与肝脏疾病(肝脏炎症和纤维化等)密切相关，而GCS作为糖鞘脂代谢的关键酶，对细胞生理活动和执行相应的功能也起到了重要作用。

2 GC和GCS与免疫性肝损伤的关系

体内免疫应答介导的肝损伤是众多肝脏疾病发生发展的主要原因之一，尤其在免疫性肝炎和乙型肝炎的发病过程中，引起肝细胞损伤的直接因素是T细胞介导的免疫反应。因此，对免疫性肝损伤机制的深入研究能够为阻止慢性肝脏疾病进展提供更多的理论基础和药物作用靶点。近年来，利用鞘脂组学研究鞘脂与疾病之间的关系成为医学领域研究的热点之一。然而，目前对于GC和GCS在免疫介导的肝损伤中的作用机制报道较少。

2.1肝脏独特的免疫环境 肝脏既是中心代谢器官又是重要的免疫器官，其内聚集着T淋巴细胞、B淋巴细胞、自然杀伤细胞、自然杀伤T细胞(natural killer T cell，NKT细胞)和γδT细胞等众多免疫细胞，共同参与肝脏的免疫调节[16]。物理、化学、药物和酒精等因素均可引起慢性肝细胞损伤，激活肝脏免疫反应并诱发肝细胞凋亡、坏死，导致病毒性肝炎、自身免疫性肝病、酒精性肝病和药物性肝损伤等肝脏疾病[16-17]。众所周知，免疫介导的肝损伤涉及多种免疫细胞和细胞因子，如NKT细胞，它们在肝脏中特别富集，尤其在啮齿类动物身上表现更为明显[18]。NKT细胞在肝脏的动态免疫平衡中起着监视作用，这种作用一是可以通过细胞与细胞接触而实现[18]；二是通过识别由CD1d分子提呈的糖脂类抗原，NKT细胞在受到糖脂类抗原刺激后迅速活化并产生一系列细胞因子参与调节固有免疫和适应性免疫[19]。从构造上来看，肝脏具有高度血管化的肝窦结构、丰富的血流和高通透性的内皮细胞，使得肝脏内的各种细胞可以有效地与血液中的各种成分进行接触，并易受到抗原性物质的激活，从而引发免疫应答反应。

2.2GC和GCS介导免疫性肝损伤的结局 肝脏先天免疫细胞构成的屏障是抵抗病毒、细菌和真菌等病原体入侵的重要防线。研究表明，许多病毒、细菌和细菌毒素均能与宿主细胞表面上的糖鞘脂的碳水化合物组分相结合，糖鞘脂可作为微生物和细菌毒素的功能受体，并协助其完成入侵机体的过程[20-21]。脂质在细胞膜表面往往形成脂质筏，并在免疫应答中起重要作用；同时，糖鞘脂之间可以互相作用以调节机体的适应性免疫，这一过程是通过激活CD4+和CD8+T细胞受体的功能而实现；此外，GC还是NKT细胞的主要内源性配体，并对机体的免疫功能起调节作用。与GC不同，GCS通过控制Cer/GC的平衡调节细胞的生理活性。当GCS基因表达下调会引起内源性GC变化，并通过Bcl-2/Bcl-2相关X蛋白途径影响肝细胞的凋亡[22]，而Bcl-2/Bcl-2相关X蛋白途径是介导细胞凋亡的重要机制。因此，GC和GCS能通过直接或间接作用调节免疫细胞的免疫反应影响肝细胞凋亡，在一定程度上决定免疫性肝损伤的结局。然而，目前关于肝脏糖鞘脂与肝内免疫细胞生物学功能的研究较少，且淋巴细胞在肝脏中的确切发育分化过程及机制尚未阐明。

3 GC与病毒性肝炎和肝纤维化的关系

GC等糖鞘脂是一类结构多样的生物活性分子，其在信号转导以及各种疾病的发病机制中具有重要意义。在肝炎病毒感染期间，病原体能够利用由鞘脂和其他物质组成的脂质筏进入其感染的宿主细胞，以完成侵入过程。而病毒性肝炎是导致肝纤维化的主要原因之一，因此，糖鞘脂可能成为肝纤维化的治疗靶点。

3.1GC与病毒性肝炎 在慢性肝炎病毒感染者中存在明显的脂质代谢紊乱，而血清鞘脂与慢性肝炎病毒感染所致的肝损伤密切相关，如机体对抗病毒治疗的反应会伴随血清鞘脂水平变化，故鞘脂可能成为慢性病毒性肝炎潜在的血清生物标志物[23-24]。如在丙型肝炎病毒(hepatitis C virus，HCV)感染期间，如果HCV脂筏上的非结构蛋白聚集被丝氨酸-棕榈酰转移酶的抑制打断，那么HCV-RNA水平可能会显著降低。脂质作为细胞膜的主要成分，是细胞膜结构和功能的基石，肝炎病毒从细胞内运输、出胞和与宿主细胞膜融合的过程均离不开脂质的作用[25]。在肝炎病毒的感染过程中，脂质的信号通路能够影响肝炎病毒的感染过程。即Cer能介导肝细胞内乙型肝炎病毒的传播和输出，同时还可参与调节HCV的复制和进入宿主细胞[26]，而Cer抑制剂能有效抑制肝炎病毒的复制[27]。此外，鞘脂还能通过与免疫细胞的相互作用促进免疫细胞有效识别，进而抑制病毒复制，如NKT细胞通过感知乙型肝炎病毒诱导的自身脂质来抑制体内乙型肝炎病毒复制[28]。进一步研究发现，糖鞘脂(如GC)也能通过激活NKT细胞增强机体的免疫功能，在抗病毒治疗过程中GC还能作为佐剂发挥重要作用，从而为病毒性肝炎的临床治疗提供有效手段[29]。以上研究表明，肝内鞘脂可能与肝脏免疫细胞共同参与抗肝炎病毒的过程，但具体机制仍不明确。

3.2GC与肝纤维化 肝纤维化可由多种因素引起，其主要特点为细胞外基质在肝实质内过度沉积。肝星状细胞活化被认为是肝纤维化发生的细胞学基础，是各种病因导致肝纤维化发生的共同中心环节。活化后的肝星状细胞失去维生素A脂质，变为肌成纤维细胞，并具有增殖、成纤维和收缩的能力。肝星状细胞通过表达α平滑肌肌动蛋白和过量的细胞外基质蛋白引起胶原的沉积与降解失衡，因此肝星状细胞被认为是肝纤维化发生的策划者，可作为肝纤维化治疗的重要潜在靶点[30]。鞘磷脂酶是参与鞘脂代谢反应的溶酶体酶，其能催化细胞膜上的鞘脂裂解产生Cer；同时，鞘磷脂酶还可促进肝星状细胞活化，加速肝纤维化进程[31]。此外，学者还观察到Cer参与非酒精性脂肪性肝病的发生发展过程，并可能作为肝纤维化的参考指标[32]。

可见，鞘脂家族衍生物可能成为病毒性肝炎感染和肝纤维化的潜在标志物，应进一步评估其作为非侵入性指标对病毒性肝炎和肝纤维化的预测作用。但目前关于GC/GCS与病毒性肝炎和肝纤维化的直接研究极少，以上研究表明，对鞘脂组学的深入研究有助于揭示病毒性肝炎和肝纤维化形成的调控机制，并可为未来治疗肝纤维化提供一种切实可行的手段。

4 GCS与肝癌

葡萄糖是维持生命的关键能源，也是绝大多数生物体内最重要的供能形式。癌细胞是一类高代谢的细胞，需要消耗大量葡萄糖来获得能量以维持其生长，因此葡萄糖成为肿瘤组织所需最重要的直接糖类。而GCS是调节Cer糖基化的关键酶，Cer与GC或与其他复杂糖鞘脂之间的失衡可以诱导细胞恶性生长，或将癌细胞恢复正常。Cer糖基化的限速酶，特别是GCS能促进癌细胞代谢，有利于癌组织生长。研究显示，给予GCS抑制剂后，Cer向GC转化减少，Cer积聚在细胞内可以通过与效应因子的相互作用直接调节细胞过程，如Cer诱导线粒体激活从而启动细胞凋亡[33]。高活性GCS则加速Cer向糖基化转变，从而使癌细胞凋亡减少并快速增殖[34]。因此，GCS可能是癌细胞增殖所需的蛋白质。

研究发现，肝癌患者体内树突状细胞存在一定的缺陷，不能有效诱导初次免疫应答和激活特异性T淋巴细胞，导致无法充分发挥抗肿瘤免疫反应[35]。研究表明，GCS是T淋巴细胞的激活剂，活化的T淋巴细胞通过高表达γ干扰素激活巨噬细胞，以发挥强大的抗肿瘤作用，当GCS缺乏时NKT细胞的激活则受到抑制[36]。另外，在肝癌化疗过程中，长期暴露于索拉菲尼耐药的肝癌细胞中GCS呈高表达，GCS促进Cer转变成GC，导致细胞内GC增多而Cer减少。Cer的积累能增加细胞毒性，诱导细胞凋亡，而Cer的降解则会使细胞凋亡减少，产生耐药性。因此，GCS能诱导肝癌细胞对索拉菲尼的耐药；反之，GCS抑制剂能逆转这一情况，一定程度上改善肿瘤患者的临床结局[13]。

目前，在肝脏疾病以外的其他疾病中均发现有鞘脂及其代谢酶的参与，如GCS参与神经元分化，缺乏该酶可引起神经细胞功能障碍[37]；在大肠癌和乳腺癌中也发现GCS过表达并介导癌细胞多药耐药的现象[38-39]；此外，GCS被认为是胚胎发育所必需的基本物质，缺乏GCS的胚胎将不能存活[40]。

5 小 结

脂质分子是结构和功能上多样化的生物分子，在细胞生物学中发挥关键作用。脂质是细胞膜以及所有基于膜的细胞器(高尔基复合体、内质网、线粒体和囊泡等)的主要成分。不同细胞的细胞膜及细胞器膜功能不尽相同，有的膜在生物体的生长温度下能获得最佳的膜性能，如机械强度或膜流动性，有的则是构成了物理屏障。因此，生物膜对于维持细胞和细胞器的完整性以及在细胞内的独特空间必不可少。脂质代谢涉及众多的化学反应，但目前关于脂质的研究仍不甚明确。脂质构成了细胞膜的基本结构，而细胞的存活和发挥正常功能均有赖于完整的膜结构，故鞘脂作为脂质家族成员和细胞膜的基本组成成分扮演重要角色。GCS作为糖鞘脂代谢的关键控制点，其对细胞命运起决定性作用。因此，开发干扰GC及其代谢酶的药物将有助于肝脏疾病的治疗。