动物脂滴结构及功能研究进展

罗 强，闫 峻，李 宁，穆淑琴，孙 超*

(1.西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100; 2.天津市农业科学院 畜牧兽医研究所，天津 300381;3.天津市畜禽健康养殖工程技术中心, 天津 300381)

长期以来，脂滴被认作一种单纯储存中性脂质的惰性亚细胞结构，随着研究的深入，脂滴的生物学功能逐渐被发现，其作为一种活跃的细胞器引发人们广泛的兴趣。研究发现，脂滴不仅参与脂质的储存、代谢和运输等生理过程，还与动物体许多代谢性疾病相关，具有非常重要的研究价值。但是，脂滴与畜禽肉品质之间的关系研究较少。本文综述了近年来国内外脂滴相关研究进展，并对脂滴的生物学结构、脂蛋白分类、与脂滴有关的代谢疾病和功能研究等进行了归纳，以期为改善畜禽胴体性状与肉品质提供一定的参考意见。

1 脂滴

有关脂滴(lipid droplets，LDs)的研究最早可追溯到19世纪，Wilson和Altmann发现细胞中存在脂肪小滴，并推测脂肪小滴的来源。起初称其为脂质体，20世纪60年代，伴随着人造脂质体的发明，这种细胞器的名称不断改变，包括脂质体、脂体及脂滴。随着对它的不断深入研究，学术界最终将它定名为“脂滴”。脂滴是在动物脂肪组织中广泛存在的一种非静态细胞器，主要由一些位于中心位置的中性脂质和外周包裹的磷脂单分子层构成。中性脂质一般包括甘油三酯、胆固醇酯等。同时，在磷脂分子层中镶嵌着许多功能性蛋白，如PLIN(Perilipin)等脂滴蛋白(见图1)。

图1 脂滴的基本结构[6]Fig.1 The basic structure of lipid droplets

脂滴可调节控制体脂贮存，参与调控脂质代谢和运输、信号转导及细胞骨架形成等多个生理过程，比如参与调节甘油三酯的合成与降解、胆固醇代谢和花生四烯酸代谢。真核细胞的细胞类型、饥饿状态以及生理条件等因素决定了宿主利用脂滴中脂质的方式，主要包括脂解和脂滴自噬这两种途径。在哺乳动物脂肪细胞中，细胞内能量和激素水平的变化激活脂解作用，引发激素敏感性脂肪酶 、甘油三酯脂肪酶和单酰甘油脂肪酶这3种脂肪分解酶的瞬时活化，从而协调三酰甘油 (triacylglycerols, TAGs)水解产生能量。脂滴包被蛋白定位于脂滴表面并保护TAG免受细胞质脂肪酶的降解，当机体处于饥饿状态时，脂滴包被蛋白会通过自噬作用促进脂质降解。营养缺乏、病毒感染和甾醇消耗等因素，均可引发自噬从而导致脂滴降解。

2 脂滴的形成

脂滴核心形成机制到目前为止还不完全清楚。目前比较经典的模型是内质网出芽模型。该模型认为：新合成的中性脂质在内质网磷脂双分子层中积累，逐渐积累的中性脂质促使内质网膜芽包状结构形成，通过蛋白间的相互作用启动出芽过程，从而与内质网膜表面分离、脱落，最终形成细胞内游离的脂滴。此外，还有其他2种脂滴起源模型同样引起人们关注。其中一种模型提出脂滴来源于内质网上双分子膜切除，新合成的中性脂质积累引起内质网膜的膨胀，随后整个脂滴被蛋白酶体切除，在内质网膜上留下一个瞬态孔，内质网内物质可能通过这个孔泄露到细胞质中。另外一种模型称为水泡式出芽，脂滴最初利用机械分泌囊泡的途径在内质网上形成一个小双分子层囊泡。这个过程发生在内质网的特殊区域，新生的小泡随后绑定在内质网膜上，在相关酶的作用下，中性脂质填充到膜内空间，形成完整的脂滴结构。

3 脂滴蛋白分类

伴随着脂滴分离纯化技术的逐渐成熟和定量蛋白质组学以及比较蛋白质组学的快速发展，研究者发现脂滴表层镶嵌覆盖着许多脂滴蛋白，如PLIN蛋白，Rab蛋白等。尽管在不同的物种中所发现的脂滴蛋白于种类和数量上不尽相同，但这些蛋白在功能上具有较为统一的分类学一致性，大体可以分为以下几类：第1类为脂滴结构的维持蛋白，特定物种在缺少某些蛋白的情况下，脂滴会出现不稳定的状态，例如高等动物细胞中的PLIN家族蛋白及Oleosin类蛋白等。目前已经发现许多维持细胞结构稳定的骨架蛋白都与脂滴相关，例如肌动蛋白，微管蛋白和肌球蛋白等，同时还有一些蛋白质可能支持脂滴的运动，例如哺乳动物细胞以及果蝇胚胎中的脂滴能表现出一定的运动性，它能驱动动力马达蛋白沿着微管移动；第2类主要为脂质合成代谢酶类，例如DGAT (Diacylglycerol Acyltransferase)酶类和ATGL(Adipose triglyceride Lipase)酶类，它们分别与甘油三酯合成和脂质水解相关；第3类主要为膜转运类蛋白以及与动态变化相关的蛋白，这些蛋白表明脂滴可能通过分裂或融合的机制来改变自身的大小，并可进一步与其它细胞器相互作用，调控细胞内囊泡出芽、转运和融合等过程, 这些蛋白包括有Rab (small GTP-binding protein)类等；第4类主要为信号分子类蛋白，这些酶类的发现证明脂滴有可能起到某些信号传递的功能，例如RalA (Ras-like-small GTPases)、RAP (Ras-Proximate)和其它几种蛋白激酶类；第5类主要为蛋白降解的酶类，预示脂滴有可能负责部分蛋白的降解工作，例如UBXD(Ubiquitin-like-domain)系列和AUP (Ancient Ubiquitous Protein)系列蛋白；第6类主要为核糖体蛋白，许多蛋白质组学研究发现了核糖体的脂滴定位蛋白质，这表明脂滴可能与蛋白质翻译有关。

4 脂滴重塑

脂滴在感受营养、信号、应激以及活性代谢产物的动态变化中，其单层磷脂膜结构、膜表面调节脂滴发育和脂质代谢的关键酶组成会发生变化，从而调节脂滴代谢，促进脂滴融合或分解，从而使脂滴在数量、大小以及脂滴内容物的组成上发生变化，称之为脂滴重塑。

4.1 脂滴融合

在脂肪细胞分化过程中，许多小脂滴会结合形成一个大脂滴，占据脂肪细胞大部分体积。脂滴有2种融合机制。一种融合机制为脂质通过扩散从小脂滴转移到较大脂滴，这个过程需要两脂滴紧密结合，这时DNA断裂因子相似蛋白(cell-death-inducing DNA-fragmentation-factor-like effector,CIDE)家族便发挥了重要作用，包括CIDEC/Fsp27。另外一种机制为两脂滴直接融合，而没有从小脂滴向大脂滴转移的现象。通常，脂滴表面上的磷脂表面活性剂会阻止脂滴的融合，如果磷脂成分发生变化，表面张力减小，脂滴会自发融合。当前第一种融合机制为一大研究热点。脂滴在脂滴接触位点(LDCS)募集CIDE和Rab8a形成稳定蛋白复合物，通过PLIN1的调节出现稳定的融合孔，从而使脂质从较小LD转移到较大LD，最终完成脂滴的融合，该过程受多种因素影响，如内部压力等。

Gong等研究发现，CIDE蛋白在脂滴接触位点富集，该靶向作用取决于其C端附近的疏水区域(aa 136-217)。Rab蛋白作为一种膜动力学的重要调节剂，在CIDE介导的脂滴融合过程中起到正调节作用，Rab8a与酶激活蛋白形成调节电路，动态控制CIDE介导的脂滴融合及生长。Sun等研究表明，PLIN1是增强CIDE活性的调节因子，PLIN1可以通过扩大孔径或增加脂滴的表面张力来促进CIDE介导的脂滴融合，他们发现，PLIN1与CIDE的相互协同会提高脂质转移和脂滴融合的效率，而敲除脂肪细胞中PLIN1基因的表达，则导致脂滴融合和生长速率的显著降低。

CIDE介导的脂质转移和脂滴融合在细胞中是一个独特的过程，它不同于其他类型的膜融合，例如囊泡融合，内质网融合和线粒体融合等。囊泡融合是一种脂质双层膜结构快速融合的过程，它会在短时间内形成临时融合孔，并较快地混合两个囊泡的内容物。然而，CIDE介导的脂滴融合过程较慢，该过程取决于脂滴的尺寸大小和融合孔径。融合过程中孔径是由CIDE、Rab8a及PLIN1共同调节的(图2)。脂质转移的方向是从小脂滴到大脂滴，该过程取决于内部压力差，内部压力差受脂滴大小和彼此接触的两个脂滴间的表面张力控制。

图2 CIDE介导的脂滴融合模型[32]Fig.2 CIDE-mediated lipid droplets fusion model

4.2 脂滴分解

Nagy等研究指出，脂滴在分解过程中会变成“哑铃”形，该形态可能是脂滴分解的一种过渡形态。脂滴分解最初是在3T3-L1脂肪细胞PKA激活/脂解反应中提出，随后研究发现，脂滴分解过程中“微脂滴”的出现意味着脂肪酸从大脂滴中释放出来，从而形成小脂滴。脂肪细胞中小脂滴的形成取决于DGAT1，并且在保护内质网免受脂毒性应激的影响。脂滴重塑对脂质代谢有重要影响，但缺乏直接证据证明在哺乳动物细胞中是否发生真正的脂滴分解。

5 脂滴与细胞器作用

脂滴可以与其他多种细胞器紧密接触，膜接触部位是细胞器之间交流和代谢物交换的关键部位，具有十分复杂的形态结构(图3)。最近国外研究者通过使用多维光谱成像研究发现，在标记后的5种细胞器(内质网、线粒体、高尔基体、过氧化物酶体和溶酶体)中存在脂滴移动现象。当追踪脂滴并绘制其与5种细胞器接触时间变化过程中，一些脂滴仅需要5 min就可以碰到其他每个做标记的细胞器，而有些脂滴5 min内仅与一个或者两个细胞器接触。目前尚不清楚这些差异是否和脂滴的成熟阶段有关。对于脂滴与其他细胞器接触部位存在什么类型的蛋白质或脂质交换，有待进一步研究。

图3 脂滴与细胞器接触空间结构图[37]图像显示为脂滴(蓝色)与内质网(黄色)、线粒体(绿色)、高尔基体(红色)、溶酶体(品红色)和过氧化物酶体(青色)之间的接触。标尺为2 μmFig.3 Structure diagram of the contact space between lipid droplets and organelles Images shown are contacts between LDs (blue) and ER (yellow), mitochondria (green),golgi (red), lysosomes (magenta), or peroxisomes (cyan). Scale bar=2 μm

6 脂滴在动物组织中的功能

近期研究表明，脂滴不仅存在于脂肪组织，它在动物机体各个器官组织中均有表达，Yan等已经从不同的组织、细胞中分离纯化出了脂滴，并对脂滴进行蛋白组学研究，到目前为止，已发现的哺乳动物脂滴蛋白有120多种，并且其中一些蛋白已经被证明与脂滴的重塑有关，这表明脂滴可以调节体内的脂质平衡，在动物组织中发挥不同的功能。

6.1 脂滴在动物脂肪组织中的功能

脂滴在动物脂肪组织中的主要功能是以甘油三酯(TGs)的形式储存脂肪，提供能量。机体脂肪组织中存在白色脂肪和棕色脂肪，动物机体会根据其所需要来提供脂肪酸，然后脂肪酸在内质网小叶表面合成TG，从而进入内质网小叶内部，随着TG量的积累，内质网小叶从盘状逐渐形成球状，积累到一定程度，与内质网完全脱离，成为新生脂滴。新生小脂滴逐渐聚集成大脂滴，使得细胞的大部分空间达到充盈状态，这时形成的单室脂肪细胞便为成熟的脂肪细胞。

6.2 脂滴在肝脏组织中的功能

动物体内脂肪的合成主要在肝脏，肝脏细胞内充满大小不等的脂滴。当动物体肝脏中脂肪合成速率与脂肪消耗速率不等时，会发生肝脏脂肪代谢紊乱，倘若脂肪合成速率大于脂肪消耗速率，会导致肝脏脂肪发生变性反应，产生脂肪肝。甘油三酯在细胞内的大量积聚，会导致代谢障碍的发生。肝脏中甘油三酯的累积，也就是肝脂肪变性，是动物机体发生脂肪性肝病的第一阶段。更有甚者，在一定条件下，脂肪变性与炎症反应相互作用，可导致肝硬化以及肝癌的发生。

6.3 脂滴在肌肉组织中的功能

在肌肉组织中，脂肪同样大量存在。脂滴作为脂肪的储存器官，大量充斥在肌内脂肪和肌间脂肪中。随着对脂滴蛋白基因的不断深入了解，有研究者通过分子生物学方法对肌肉组织脂蛋白中的PLIN蛋白展开生物学特性研究。Elmowafy等研究发现，PLIN基因对猪胴体性能及肉品质有显著影响，通过对猪进行PLIN基因的单核酸多态性位点筛选，发现PLIN2基因位于QTL(quantitative trait locus，数量性状基因组)区域内，该基因与猪胴体瘦肉率及脂肪含量有密切关系，通过记录试验猪生产数据及胴体数据，结果表明PLIN基因对猪肌肉的生长发育有直接影响。Alejandra等研究表明，PLIN基因的表达变化与小鼠体内肌内脂肪含量密切相关，PLIN基因在脂肪沉积和分解中发挥重要作用。

6.4 脂滴在生殖器官中的功能

脂滴在动物机体性腺细胞中广泛存在，一般直径较小，在胞浆内不均匀分布，同时脂滴会为性腺细胞中甾体激素合成提供原料。甾体激素是一种脂溶性激素，是性激素的前体物质。在雌性动物体中，最终会通过一系列合成反应生成雌激素，以胆固醇为原料通过缩短侧链，生成孕酮或孕烯醇酮，继续缩短侧链后衍变为雄激素，再通过A环芳香化生成最终产物雌激素。

7 脂滴与肉品质

当今，肉类成为人类的主要饮食。肉的品质高度依赖于脂肪含量和分布，脂肪细胞中脂滴数量水平与脂肪含量相互关联，畜禽外周组织的脂滴变化与肉品质直接相关。近年来，人们对如何调控肉类的脂肪酸组成越来越感兴趣。由于肉类是人们摄入脂肪、尤其是饱和脂肪酸的主要来源，而饱和脂肪酸与人类健康密切相关，容易引发各种癌症及冠心病等疾病。因此提高肉品质中的不饱和脂肪酸含量，是一大研究热点。同时，不饱和脂肪酸与肉品质也密切相关，肉食在烹饪过程中，脂肪酸氧化产物与磷脂发生美拉德反应，产生具有挥发性的物质，从而产生风味，这一反应通过降低含硫化合物的含量及产生挥发性物质从而改善肉品质，提高风味。而且，脂滴是由磷脂和中性脂质构成，而磷脂就富含多不饱和脂肪酸，如亚麻酸、花生四烯酸等，而且中性脂质与肉品质的嫩度和多汁又有关系，因此，通过营养及生理手段调节畜禽肌肉及脂肪组织中的脂滴变化，使得脂滴在大小或数量上有一个改变，从而影响畜禽胴体性能及肉品质。

8 总结与展望

本实验室先前已经做了许多脂滴相关试验，成功分离与纯化了猪骨骼肌内脂滴，并获得形态完整且纯度较高的肌内脂滴，为进一步研究不同品种肥育猪不同组织内脂滴蛋白质组和脂质组差异化关联分析奠定基础。研究中还发现饲料中添加40 mg/kg肉桂醛(中草药提取物)，饲喂60 d后，显微镜观察猪皮下脂肪组织抹片，肉桂醛处理组皮脂脂滴较小，对照组皮脂中存在较多类似“出芽的马铃薯”的大脂滴结构，大脂滴上清晰可见正在融合的小脂滴，由此初步推测肉桂醛可能通过某种机制抑制小脂滴的融合，从而影响大脂滴的生成，最终导致体脂的降低，接下来本实验室会在分子水平下对脂滴重塑进行研究，探究其具体的分子机制。

未来关于脂滴代谢调控畜禽胴体性状及肉品质的研究将会成为一个热点话题。脂滴重塑在细胞脂质动态平衡的维持发挥重要作用，脂滴蛋白作为影响脂滴代谢的分子开关，其表达水平可调控脂滴的形态大小及数量，改变脂肪细胞内部结构。脂滴蛋白可成为脂肪代谢调控的潜在靶点，为优化体脂沉积提供新途径。通过分子育种、营养生理调控等手段调节肌肉及脂肪组织中脂滴蛋白的表达，进而改善畜禽胴体性能及肉品质，为生产优质动物畜产品，提高动物产品附加值提供广阔的商业应用前景。