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Annu Rev Biochem：脂质细胞生物学：细胞分裂中的脂质研究

2020.4.14

细胞行使正常的生理活动离不开多种多样的脂质参与。质膜和大多数细胞器的结构完整性和功能活动很大程度上依赖于膜脂成分。脂质在细胞中的生物学功能，特别是脂类疏水烷基侧链在细胞生理过程中的作用仍在继续探究中，其中针对细胞分裂这一重要的细胞功能活动已做了大量的研究工作。发表在《Annu Rev Biochem》上题为“脂质细胞生物学：细胞分裂中的脂质研究”的文章对此做了综述，并重点介绍了脂质细胞生物学和相关技术中尚未解决的关键问题，这将帮助我们更加深入的了解脂质的功能作用。

在本篇文章中，作者概述了脂质分子在细胞分裂过程中，特别是胞质分裂(cytokinesis)过程中是如何在空间和时间上被调控的，分析了脂质促进细胞分裂过程中细胞形态的变化以及参与关键信号传导事件的机制，同时还明确了与膜相关胞质分裂蛋白，对此文章主要分为三大部分。

1. 脂质的细胞生物学功能

1.1

脂质是主要的生物学构件

脂质、蛋白质、核酸是细胞的主要组成成分。脂质在结构上是多种多样的两亲性或疏水性小分子，它们具有许多生物学功能。大多数脂质包括一个亲水头基团，它面对膜的外部，与脂质双分子层内部的一个或多个疏水烷基侧链相连（图1）。侧链通常来源于脂肪酸(FAs)，并通过酯键（也可能是醚键）连接到头部基团。不同的头基和侧链排列会影响脂质的形状和潜在的键合模式，例如，它们在双分子层中包装的能力，而这是决定膜物理性质的主要因素。

脂质是质膜和所有具有膜的细胞器的主要元素，包括高尔基体复合物、内质网、核包膜、线粒体和参与膜转运的不同囊泡家族，如内小体和溶酶体。平均每一个膜蛋白含有约50-100个脂质分子（图2）。膜磷脂形成脂质双分子层，这对于维持细胞和细胞器完整性是必需的，并且在细胞内分隔不同的生物化学功能。细胞器的特异性脂质含量很可能与它们的正确功能相关。例如，中性脂质如甘油三酯通常存在于脂滴(LDS)中，它们用于能量存储并且作为膜组分的储备器。脂质在细胞信号转导中可直接作为配体，或者通过促进蛋白质组装成信号平台发挥重要作用。此外，脂质可作为翻译后修饰(PTMS)共价连接到蛋白质上，例如，豆蔻酰化或棕榈酸酯化。脂质的一个重要生物学特性是它们既能作为单个脂质种类发挥作用，例如，单个的sn-1,2-二酰基甘油(DAG)分子可以激活蛋白激酶C (PKC)，它们又能做为一个整体，例如在细胞膜中发挥作用。膜内脂质有序(筏和微区)和无序区也具有重要的生物学意义。

图1. 常见脂类的化学结构

图2. 质膜的结构示意图

1.2

脂质侧链的重要性

与蛋白质和核酸是由核糖体或DNA聚合酶合成而来不同，脂类是数百种不同酶的产物。这为研究脂质带来了挑战，因为遗传操作通常用于扰乱蛋白质或DNA/RNA水平，不能用于脂质探究。脂质通过改变其侧链的长度和饱度来实现多样性，且这种多样性水平已接近细胞中蛋白质的多样性。到目前为止，脂质细胞生物学的研究几乎完全集中在脂质头基上，很少涉及脂质侧链。而最近的研究证明了脂质侧链的潜在重要性。例如，特定链长的脂质在细胞凋亡和衰老过程中积累。分裂细胞能够以较高的化学精度调节其脂质含量。脂质侧链参与稳定膜曲率和/或与膜蛋白的结合。理解为什么细胞在其脂质和侧链中产生如此多样性是很重要的细胞生物学问题。

1.3

脂质和膜在细胞分裂期间是必需的

细胞分裂过程中，每个子细胞都得到遗传物质和所有其它细胞成分的正确分配，它们分别以对称或不对称分裂方式均匀或不均匀地分配到子细胞中。细胞材料包括大多数膜结合细胞器必须正确分配，其中许多细胞器在分裂过程中会发生形态改变，以利于其正确的遗传。质膜在分裂过程中必须进行大量的形状变化，并且必须在胞质分裂结束时被切割(图3)。

图3. 示意图：哺乳动物细胞在细胞分裂过程中经历大量的膜重排

近年来，细胞分裂研究领域取得了很大进展。我们现在对不同蛋白质在细胞分裂的不同阶段执行主要任务的过程有了很好的理解（图3）。哺乳动物细胞分裂前期染色体收缩，纺锤体开始形成。随后核包膜迅速破裂(NEB)，以使遗传物质分离。在中期纺锤体排列在赤道板，在后期分裂成两个子细胞。一旦染色单体分离，核包膜就开始围绕着去致密的染色单体进行重新排列，微管的一次重大重排在收缩环的中区方向形成一个中央纺锤体(图3)。由Rho GTPases、Aurora B和Polo激酶等几个关键蛋白分子介导的信号传递对于中心纺锤体和收缩环的组装和内分泌是必不可少的。收缩环主要由肌动球蛋白纤维组成，并通过RacGAP1和Anillin 等蛋白质与质膜相连。在末期，一旦卵裂沟被侵入，两个子细胞就会通过中间体连接起来。细胞分裂的最后阶段是脱落，细胞间的桥被切断以完成两个子细胞的形成。在最后一步脱落时，膜被切断，这被认为是由ESCRT复合物介导的。在有丝分裂开始时，细胞在染色体分离和物理分裂的准备过程中经历了巨大的结构变化；重要的质膜重排和调节细胞脂质含量是必要的。细胞-底物粘附、渗透溶胀和细胞骨架重构的收缩导致典型的中期细胞的圆形表型。这些形态学改变与在间期过程中采用的贴壁培养细胞的扁平、扩展表型形成鲜明对照。

对细胞在分裂过程中如何分布有膜细胞器的研究较少，而且可能涉及主动分配和随机分布。核包膜、高尔基复合体、内质网和线粒体在分裂过程中会发生形态学变化，并可能有不同程度的主动分裂。例如，一些高尔基复合体相关蛋白参与胞质分裂(表1)。膜转运是胞质分裂的一个重要特征，它既能适应形态的变化，又能将脂质和蛋白质运送到所需的位置。

表1. 膜相关的胞质分裂蛋白（部分图表）

膜室如何在细胞分裂过程中调节和发挥作用是一个研究热点。膜室在许多不同的细胞功能中起着至关重要的作用，其功能的扰动会导致多种表型。因此，参与细胞分裂的膜相关蛋白在RNAi筛选中可能被忽略了。有趣的是，一项关于中间体的蛋白质组学研究发现了许多与膜转运和分泌相关的蛋白质。作者在表1中提供了膜和/或脂相关蛋白的摘要，并在表1中确认了胞质分裂的作用，以突出膜与细胞分裂之间的重要联系，并说明膜中的脂质和蛋白质是如何协同工作的。例如，跨膜蛋白具有较大的与脂质双分子层重叠，可能与不同的脂质侧链密切相互作用，而外周膜蛋白更有可能识别双分子层表面的特征。有趣的是，许多参与胞质分裂的关键调节蛋白，如Rho和Rab smallGTPases及其效应器，通过翻译后的脂质尾而不是跨膜结构域与膜相关联(表1)。细胞分裂是一个很好的案例研究，它强调了脂类在细胞生物学中所起的各种作用，并突出了膜室参与其中的重要性。

2. 脂质在细胞分裂过程中具有不同的功能

脂质在细胞中起着关键作用：它们形成结构膜成分，充当信号分子，并作为能量储备。要了解脂质的生物学功能，首先需要准确地识别参与其中的脂质。接下来，作者确定了这些脂质在细胞中的位置，并阐述它们的合成和/或定位是如何调节的。脂类的主要细胞功能包括单独的或在脂质/蛋白质微区中参与信号传递，以及与膜蛋白或其他膜相关分子的相互作用。作者回顾了在细胞分裂过程中，脂质发挥的已知功能。下面是整理的本部分重要的框架内容。

2.1

细胞分裂过程中脂质的鉴定

最新的研究证据表明，哺乳动物细胞在细胞分裂过程中调节其脂质成分，具有限定侧链的特定脂质物质被精确调节。脂质长链FAs (C18以上)可能在稳定高度弯曲的膜结构域中起作用，并且常见于鞘脂，鞘脂在细胞分裂中起关键作用。在脂质生物合成酶抑制剂的筛选中，他们发现PPMP(1-phenyl-2-hexadecanoylamino-3-morpholino-1-propanol)，是一种以葡萄糖神经酰胺合成酶(GCS)为靶标的化合物，导致胞质分裂失败，其特征是双核细胞增多。PPMP抑制和siRNA介导的GCS基因敲除均导致神经酰胺和葡萄糖基神经酰胺的积累。在培养的HeLa细胞中加入神经酰胺可使双核细胞数量增加3倍，进一步表明鞘脂在胞质分裂中的作用。GCS抑制并不影响已知的胞质分裂蛋白的定位，而是涉及ERM家族的干扰和肌动蛋白错定位，提示皮层被破坏。在一项系统的研究中发现，分离HeLa细胞和阻滞在S期的细胞中的脂质，通过液相色谱-质谱(LC-MS)综合分析发现在胞质分裂和/或中间体中存在脂质积累。在分裂细胞中积累了11种脂质，其中包括乙醚连接的磷脂酸 (PA) (O-18：0/16：0)衍生物、磷脂酰肌醇 (PI) (16：0/18：0)、甾醇衍生物 (16：0/18：0)和几种神经酰胺类化合物。中间体可见PA (16：0/16：0)、磷脂酰丝氨酸(PS) (18：0/20：4)、Tag (16：1/12：0/18：1)和神经酰胺。这些数据表明，具有精确定义的侧链排列的脂质在细胞分裂过程中仍具有待确定的作用。脂组学分析强调了不同的细胞类型和组织所含的不同的脂质结构，提示在细胞分裂期间脂质变化是否在不同的细胞类型和生物体之间是保守的。

2.2

脂质代谢与细胞周期

为了应对细胞在生长和分化过程中募集动态变化的脂质，细胞中的脂质代谢随细胞周期有序地进行调节。Scaglia等最近研究表明，内源性FA合成对完成细胞分裂是必须的。它们在有丝分裂完成时发现FA的合成增加和LSO-PLS的水平降低，暗示了协同增加。在细胞周期的这一阶段，PL合成和膜更替率降低。在HeLa细胞中对FA合酶的药理学抑制作用导致G2/M停滞，不能通过外源添加棕榈酸酯而被挽救。突出了脂质合成和功能的复杂性，也许在细胞分裂过程中FA的合成有悖常理，先前的研究表明，外源的棕榈酸盐能抑制胞质分裂，并诱导M期阻滞和双核细胞的形成，并呈剂量依赖性。棕榈酸会损害RhoA的活化，因此，也会影响卵裂沟的形成。棕榈化抑制剂（不表达组成活性的RhoA），挽救了棕榈酸酯的作用，提示棕榈酰化在观察到的表型中起着一定的作用。核糖体全基因组分析显示了在酵母和哺乳动物细胞的有丝分裂过程中，许多参与脂质代谢的基因是如何被翻译激活的。脂质生物合成酶的活性也可以通过翻译后的磷酸化来调节。脂质的生物合成在癌细胞中是不受调控的，这反映了在快速分裂的细胞中对脂质的需要增加。

2.3

细胞分裂过程中脂质的空间调控

研究人员已经明确了在细胞分裂的卵裂沟中富集的几种脂质，包括胆固醇，PIPs，神经节苷脂(GM1)，鞘磷脂(SM)和磷脂酰乙醇胺(PE)。抑制人白血病细胞(HL-60)的胆固醇合成会引起有丝分裂缺陷和多核。在海胆卵的卵裂沟中形成富含醇的结构域，并且是细胞分裂素所必需的。PE是一种阳离子膜磷脂，通常不对称地分布在细胞膜的内小叶上。然而，在胞质分裂过程中，PE积累在卵裂沟的外小叶上。PE结合肽调控细胞表面PE使细胞之间通过桥相互连接，这表明说明PE在脱落中起作用。在卵裂沟的内小叶上的PI(4,5)P2积累用于调节肌动蛋白聚合。PI(4,5)p2定位在卵裂沟可能与外小叶上的SM群集有关。作者在HeLa细胞中使用EGFP-LYSENIN（与SM簇结合的外源施用的探针），证明了外膜上的SM簇与内小叶上的pI(4，5)P2共存。内小叶未发现SM簇。SM的富集依赖于胆固醇，这与胆固醇促进富含SM的结构域的形成是一致的。SMase神经磷脂酶处理使SM和PI(4，5)P2定位消失，说明SM是PI(4，5)P2招募所必需的。

2.4

中间体脂质

一旦卵裂沟被完全拉平，则呈现出由密集填充的微管组成的稳定的中间体结构并连接两个子细胞。中间体的中心部分，称为Flemming体或中体环。作者及其他人进行的脂质体分析显示，中间体是由不同的脂质体定义的。作者从同步化的HeLa细胞中分离出中间体，并通过LC-MS/MS分析脂质含量。相对定量揭示了9种富含中间体的脂质物种，包括6种特定的神经酰胺、TAG(16∶1/12∶0/18∶1)、PS(18∶0/20∶4)和PA(16∶0/16∶0)。在分化细胞中也增加了5种神经酰胺的脂质。其中TAG（16：1/12：0/18：1）是罕见的，因为在人类脂质中很少有C12侧链的存在。一项补充实验研究发现从发育小鼠胚胎的脑脊液中提取的神经上皮细胞释放的中间体脂质。作者发现，与从混合膜组分中分离出的脂质相比，中间体中PS、PE和TAG脂质的全面富集。考虑到物种(小鼠和人类)之间的差异，特别是研究细胞的生理来源，这些特定脂质物种TAG（46：2）和PS（38：4）的富集结果与我们从HeLa细胞获得的数据有着惊人的一致性。尽管神经酰胺种类丰富，与常见的C16-C18链长相比，作者在分析中观察到较长链长的神经酰胺。

TAG是高度疏水的脂质分子，是LD核心的关键组成部分。TAG是一个特别大的脂质家族，因为它们包含三个可变侧链，而不是PLs中的两个(图1)。细胞合成许多不同的TAG。然而，哺乳动物细胞胞质分裂中的LD仍未被探索，我们对TAG生物学的理解主要集中在其能量存储中的作用。

在HeLa和神经上皮细胞中都发现了一种特殊的负离子PS的富集，这表明在不同的细胞类型中，这种脂类的存在是一种保守的机制。PA是另一种带负电荷的PL，也在HeLa细胞中积累；PA在神经上皮细胞中几乎不存在。PS和PA通常驻留在质膜的内部小叶上，在那里它们可以与周围的膜蛋白形成静电相互作用。负离子PL对中间体的富集可发挥多种生物学作用。几个关键的胞质分裂蛋白定位于与中间体结合的负离子PLs，许多中间体蛋白是与膜相关的蛋白。

2.5

脂质信号与脂蛋白相互作用

众所周知，脂质可以触发和调节信号级联反应。这可以通过脂质头基与膜相关蛋白(如磷脂酰肌醇和鞘氨醇1-磷酸信号)之间的相互作用或通过脂侧链实现，后者可能与跨膜蛋白相互作用，或改变膜的物理性质。这一研究领域中的许多问题仍然悬而未决，但本篇作者从磷脂酰肌醇信号、1磷酸鞘氨醇信号、甘油二酯的信号、脂质和蛋白互作概述了本节中已知的内容。

3. 前景和挑战

相较于蛋白质和核酸，当前对细胞脂质的研究工具比较少。阐明特定种类脂质的作用仍然是一个挑战：与修饰或删除特定基因产物的能力相比，调节特定脂质的表达水平几乎是不可能的。脂质的生物合成是高度复杂和相互联系的。许多途径会产生相同的脂质产物，反馈回路调节脂质生物合成和稳态。虽然蛋白质可以用亲和标记或通过与特异性抗体结合，但我们从生物系统中分离特定脂质的能力也是有限的。此外，由于脂质通常在复杂的集合中起作用，解剖单个脂质种类的作用不能很好的剖析整个脂质的生物功能，这不是理想的研究策略。破译脂质在细胞分裂或任何生物过程中的精确分子功能，将需要生物和物理科学的研究人员跨学科共同努力。本篇综述讨论的大多数进展都是基于这种跨学科的工作。表2总结并简要讨论了有助于该学科领域发展的技术进展。

表2.脂质分析的技术