相见恨晚：掀起脂滴的盖头来
脂滴原来是一种细胞器！它的今生前世，它的形态结构，它的功能机理与其它细胞器有何不同？它们怎样共同维持细胞的能量平衡与正常生理代谢？本文将为我们掀起脂滴那神秘的盖头。
毕加索的光影绘画, 形若脂滴 (图片来源: LIFE杂志)
脂滴？是啥？有啥用？
翻开一些《细胞生物学》教科书，令你失望的是，你很难看到脂滴的踪影和相关内容。即使你用一些搜索软件，寻找细胞结构或者组成图片，无论搜索出来的是植物细胞图，还是动物细胞图，传统的细胞器如线粒体、高尔基体、内质网等等都被精美地画出来；但是，很少有细胞图包含了脂滴。
早在1674年，列文虎克使用自制的显微镜观测到了牛奶中的脂肪滴。19世纪末，Altmann 和 Wilson 首先把脂滴命名为脂质体（liposome）。其后，一些研究人员分别把脂滴称为 lipid droplet，lipid body，fat body，fat droplet，adiposome 等。目前，学术界广泛采用的名称是“脂滴（lipid droplet）”。
几百年来，脂滴被认为只是细胞内“被动”储存或者释放能量的颗粒。但直到最近20多年，脂滴才被重新认识，人们发现它也是细胞内一种必不可少的细胞器，存在于从细菌到真核生物几乎所有生物中。然而，和大家熟悉的、司空见惯的线粒体、内质网、高尔基体等细胞器相比，脂滴在形态、结构和功能上又有着天壤之别。
图1. 电镜下的脂滴（供图：刘平生）
脂滴是啥呢？通过电镜显微技术、或者荧光标记的脂滴蛋白、一些中性染料染色等方法，发现无论是在脂肪组织，还是非脂肪组织如肝脏和肌肉细胞中，脂滴是一种呈近球形的细胞器。和其它细胞器一样，脂滴是一个复杂、活动旺盛、动态变化的多功能细胞器，在细胞内能够沿着细胞骨架运动，并与其它细胞器相互作用，动态调节细胞的脂类代谢和能量平衡。除此之外，脂滴还在膜转运、蛋白降解、信号传导，甚至基因表达调控等过程中起着重要的作用。
我们知道，细胞膜和其它胞内细胞器是磷脂双层膜结构：亲水的磷脂“头部（基团）”指向膜外，有利于水相环境；疏水的脂肪酸链朝向膜内，交错排列；其它分子如胆固醇（Cholesterol）、甾体类（Sterols）、蛋白质（Proteins）等嵌入、或者横跨磷脂膜。然而，和其它细胞器完全不同的是，脂滴是磷脂单层膜，它的亲水“头部（磷脂）”朝向胞质，疏水的脂肪酸链朝内。脂滴单层膜磷脂主要是磷脂酰胆碱（Phosphatidyl cholines, PC）和磷脂酰乙醇胺（Phosphatidyl ethanolamines,PE），以及少量的磷脂酰肌醇（Phosphatidyl inositol，PI）等。脂滴是细胞内专门储存脂类的细胞器，主要储存甘油三酯（Triglycerides,TG）和胆固醇酯（Cholesterol ester,CE），也有报道发现还有醚酯（Ether lipids）。这些脂类分子是疏水的。因此，为何脂滴这种细胞器是单层膜？和其储存的分子——甘油三酯、胆固醇酯、或者醚酯有关吗？还是脂滴的特殊功能？或者和细胞器的起源和进化有关？目前我们不清楚。
图2. 脂滴的单层磷脂膜（供图：刘平生）
既然脂滴外层是磷脂单层膜，和其它细胞器一样，其上面必然有很多脂滴蛋白，维持脂滴正常的结构和生理活动。有哪些脂滴蛋白呢？早在1991年，Greenberg等人发现了第一个与脂肪细胞脂滴相关的蛋白perilipin。其后，一些研究人员陆续克隆和报道了其它脂滴蛋白，如ADRP、Tip47、S3-12和OXPAT/PAT1等。目前在中科院生物物理所工作的刘平生研究员最早在2004年就建立了脂滴的纯化方法，在过去的10多年里，刘平生及其领导的研究团队发展了很多提取和纯化脂滴的技术方法，同时通过质谱技术，鉴定脂滴蛋白、并研究其功能和作用机理。通过系统地研究不同生物物种（从细菌、酵母、秀丽线虫到哺乳动物）以及不同组织器官中的脂滴蛋白组，刘平生团队和其他实验室报道了一些可以作为脂滴标记（Markers）的蛋白，如细菌脂滴的MLDS，秀丽线虫中的DHS-3和MDT-28(Plin-1)等。这些高丰度的脂滴蛋白不仅可以作为脂滴标记蛋白，而且功能上它们也调控脂滴的动态变化。因此，寻找和确定更多脂滴蛋白，特别是特定物种、特定器官和组织、甚至同种细胞不同脂滴的重要蛋白是一项重要的、系统的工作。
图3. 线虫体内的脂滴（供图：刘平生）
通过这些实验室的开创性研究工作，目前我们初步知道，脂滴膜上大约有300-500个脂滴蛋白。有些可能是脂滴的结构蛋白、或者调控蛋白，如前面提到的PLIN家族蛋白、以及DHS-3蛋白等。当然，由于脂滴是脂类代谢和储存的重要场所，其脂滴蛋白中包含大量和脂肪、胆固醇合成或者分解相关的代谢酶就不足为奇了。如水解甘油三酯的甘油三酯水解酶（Adipose triglyeride lipase, ATGL），以及合成甘油三酯的酶如脂酰辅酶A合成酶（Acyl-CoA synthetase long-chainfamily, ACSL）和二酰基甘油酰基转移酶（Diacylglycerol acyltransferase, DGAT2）。还有一些其它蛋白，如Rab家族蛋白在很多组织和器官中的脂滴中都存在，但它们的功能我们还知之甚少。虽然脂滴蛋白质组学为我们了解脂滴的发生、发展，以及动态调控奠定了很好的基础，但我们对很多脂滴蛋白的生物学功能还缺乏认识。因此，未来需要通过基因敲除和过表达技术，研究这些脂滴蛋白在正常、或者其它生理、病理条件下的功能和作用机理。
有了单层磷脂膜、脂滴蛋白，那么脂滴内部核心的就是脂类分子了。脂滴的重要功能是动态地响应细胞能量代谢需求，调控其储存的脂类分子——甘油三酯、胆固醇酯、甚至醚酯的代谢。简单点说，脂滴也可以根据其储存的脂类分子的种类分为两大类。第一类脂滴主要储存甘油三酯。在脂肪细胞（白色、棕色脂肪和米色）、大多数非脂肪细胞如肌肉、心脏细胞等等，脂滴储存的脂类分子主要是甘油三酯。我们知道，甘油三酯是主要的能量储存分子，这些组织器官是能量代谢的重要组织器官，其脂滴储存的脂类分子是甘油三酯就不足为奇了。另外一类脂滴主要储存胆固醇酯，存在于肾上腺、卵巢、附睾等组织中，其脂滴的脂类分子主要是胆固醇酯，这些胆固醇酯是合成各种激素（肾上腺素、雄激素、雌激素等）的底物。然而，这两类储存不同脂类分子的脂滴是如何形成的？我们对此几乎一无所知！另外，在各种生理和病理状况下，这两类脂滴储存的脂类分子是如何变化、调控的？这应该也是脂滴生物学的一个重要研究领域。
图4. 从细胞里纯化的脂滴（供图：刘平生）
谈了脂滴是一种细胞器，其磷脂单层膜和脂滴蛋白、以及储存的脂类分子，接下来要问的是，脂滴是如何发生、发展的。目前，脂滴的起源说法不一，但相对流行的说法是脂滴起源于内质网，可能采用类似出芽方式。支持此学说的主要证据是，脂类合成的很多关键酶存在于内质网，脂类合成主要发生在内质网。如参与脂肪酸合成的重要代谢酶——硬脂酰辅酶A去饱和酶（Stearoyl-CoA，SCD）和DGAT1位于内质网。脂滴是单层膜，脂滴蛋白组揭示Rab家族蛋白很多，这就带来问题，脂滴和其它细胞器起源可能完全不一样。另外，少数几个实验室还发现细胞核中还存在脂滴。这些研究暗示，脂滴可能具有更古老的功能，是否和DNA合成，或者特殊情况下的功能有关吗？这些问题，有待深入研究。
脂滴形成后，又是如何增长（growth or expand）、分裂（fission）、融合（fusion）、缩小（shrink）/水解的？特别是在不同病理、生理条件下，如肥胖和肥胖相关疾病，脂滴是如何主动和被动调控的？毫无疑问，很多参与脂类合成的代谢酶都会影响这些过程，如与脂肪合成相关的DGAT，与脂肪分解相关的ATGL，PLIN蛋白家族、HSD家族蛋白等。另外，在不同的组织器官中，脂滴大小和数目是不一样的。白色脂肪细胞作为能量储存的主要组织，其细胞主要被一个脂滴占领，其它细胞器的空间都被脂滴占领。这说明，在白色脂肪细胞中，脂滴是要融合的（fusion），不要搞分裂（fission）。相反，在其它非脂肪组织，如肝脏、心脏和肌肉，也包括以储存胆固醇酯为主的肾上腺、附睾、卵巢等组织中，甚至是燃烧或者分解脂肪、提供能量的棕色或者米色脂肪组织，其细胞中有未知数目、大小不一的脂滴。这表明在这些组织里，脂滴要避免被融合。因此，研究促进或者防止脂滴融合或者分裂的调控机制是一个核心的研究方向。清华大学的李蓬院士在脂肪细胞脂滴的融合方面做出了突出的、系统性研究。
除了白色脂肪组织的细胞只有一个超大脂滴外，其它细胞到底有多少脂滴（numbers），或者说有无某个物种、某种组织，其脂滴数目是固定的，我们不知道。至少，现在的研究还没有发现（除了白色脂肪外）哪一种细胞的脂滴数目是固定的。在某些生理或者病理条件下，脂滴数目是如何变化的？因此，研究脂滴数目，估计是一个非常有挑战的工作。
图5. 脂滴与线粒体（供图：刘平生）
还有一个重要的问题是，作为细胞中的一种细胞器，脂滴和其它细胞器是如何相互作用的？既然脂滴是动态储存脂肪（甘油三酯、胆固醇酯和维生素等）的细胞器，它必然和合成脂类分子的内质网、能量动力车间线粒体等细胞器有着密切的联系。如前面提到，脂滴可能是起源于内质网，暗示脂滴和内质网会有联系。在肾上腺素、雄激素和雌激素等激素合成中，传统的观点认为，这些脂滴中的胆固醇酯首先被脂滴膜上激素敏感性脂肪酶（Hormone-sensitive lipase, HSL）水解，自由胆固醇随后被运送到线粒体，参与激素合成的酶在线粒体中发挥功能，逐步合成各种激素。然而，我们最近的一些研究可能暗示，参与激素合成的一些酶就在脂滴上，线粒体和脂滴紧密结合参与此过程。另外，棕色脂肪细胞含有大量的线粒体和脂滴，脂滴和线粒体的紧密联系很可能有助于脂肪的高效分解。当然，脂滴如何和胞内的其它细胞器交换或者转运脂类分子等，以及这些细胞器如何影响或者调控脂滴等，很多是未知的研究领域。
以上是对脂滴基础生物学的一些简要介绍，主要是基于动物细胞和组织器官的研究。脂滴的正常功能对维持细胞和生物有机体至关重要。当能量过多时，脂滴把多余的能量用脂肪（主要是甘油三酯和胆固醇酯）的形式储存起来；当细胞需要能量和脂类分子时，脂肪把储存的脂肪和脂类释放出来，为细胞正常生命活动利用。然而，过多的能量储存，往往导致脂滴的扩大和数目的增多，伴随脂肪组织的增加和脂滴在非脂肪组织（如肝脏、心脏和肌肉等）中大量沉积，导致肥胖和肥胖相关性代谢性疾病，如糖尿病、脂肪肝、动脉粥样硬化、肿瘤等。在这些代谢性疾病中，脂肪的过渡积累、脂代谢紊乱，既是因也是果。因此，深入研究脂滴生物学，特别是生理和病理条件下，脂滴代谢的变化，对我们了解上述疾病的发生、发展，以及寻找相应的治疗方法和手段至关重要。
总的来说，我们对脂滴的认识，有点相见恨晚的感觉，或者说脂滴属于大器晚成者。作为新鲜事物，脂滴的研究才刚刚起步。对脂滴的研究虽然路漫漫其修远兮，但认识和了解新鲜事物总是其乐无穷！
