相見恨晚：掀起脂滴的蓋頭來

　　脂滴原來是一種細胞器！它的今生前世，它的形態結構，它的功能機理與其它細胞器有何不同？它們怎樣共同維持細胞的能量平衡與正常生理代謝？本文將為我們掀起脂滴那神秘的蓋頭。

畢加索的光影繪畫, 形若脂滴 (圖片來源: LIFE雜志)

　　脂滴？是啥？有啥用？

　　翻開一些《細胞生物學》教科書，令你失望的是，你很難看到脂滴的蹤影和相關內容。即使你用一些搜索軟件，尋找細胞結構或者組成圖片，無論搜索出來的是植物細胞圖，還是動物細胞圖，傳統的細胞器如線粒體、高爾基體、內質網等等都被精美地畫出來；但是，很少有細胞圖包含了脂滴。

　　早在1674年，列文虎克使用自制的顯微鏡觀測到了牛奶中的脂肪滴。19世紀末，Altmann 和 Wilson 首先把脂滴命名為脂質體（liposome）。其后，一些研究人員分別把脂滴稱為 lipid droplet，lipid body，fat body，fat droplet，adiposome 等。目前，學術界廣泛采用的名稱是“脂滴（lipid droplet）”。

　　幾百年來，脂滴被認為只是細胞內“被動”儲存或者釋放能量的顆粒。但直到最近20多年，脂滴才被重新認識，人們發現它也是細胞內一種必不可少的細胞器，存在于從細菌到真核生物幾乎所有生物中。然而，和大家熟悉的、司空見慣的線粒體、內質網、高爾基體等細胞器相比，脂滴在形態、結構和功能上又有著天壤之別。

圖1. 電鏡下的脂滴（供圖：劉平生）

　　脂滴是啥呢？通過電鏡顯微技術、或者熒光標記的脂滴蛋白、一些中性染料染色等方法，發現無論是在脂肪組織，還是非脂肪組織如肝臟和肌肉細胞中，脂滴是一種呈近球形的細胞器。和其它細胞器一樣，脂滴是一個復雜、活動旺盛、動態變化的多功能細胞器，在細胞內能夠沿著細胞骨架運動，并與其它細胞器相互作用，動態調節細胞的脂類代謝和能量平衡。除此之外，脂滴還在膜轉運、蛋白降解、信號傳導，甚至基因表達調控等過程中起著重要的作用。

　　我們知道，細胞膜和其它胞內細胞器是磷脂雙層膜結構：親水的磷脂“頭部（基團）”指向膜外，有利于水相環境；疏水的脂肪酸鏈朝向膜內，交錯排列；其它分子如膽固醇（Cholesterol）、甾體類（Sterols）、蛋白質（Proteins）等嵌入、或者橫跨磷脂膜。然而，和其它細胞器完全不同的是，脂滴是磷脂單層膜，它的親水“頭部（磷脂）”朝向胞質，疏水的脂肪酸鏈朝內。脂滴單層膜磷脂主要是磷脂酰膽堿（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。脂滴是細胞內專門儲存脂類的細胞器，主要儲存甘油三酯（Triglycerides,TG）和膽固醇酯（Cholesterol ester,CE），也有報道發現還有醚酯（Ether lipids）。這些脂類分子是疏水的。因此，為何脂滴這種細胞器是單層膜？和其儲存的分子——甘油三酯、膽固醇酯、或者醚酯有關嗎？還是脂滴的特殊功能？或者和細胞器的起源和進化有關？目前我們不清楚。

圖2. 脂滴的單層磷脂膜（供圖：劉平生）

　　既然脂滴外層是磷脂單層膜，和其它細胞器一樣，其上面必然有很多脂滴蛋白，維持脂滴正常的結構和生理活動。有哪些脂滴蛋白呢？早在1991年，Greenberg等人發現了第一個與脂肪細胞脂滴相關的蛋白perilipin。其后，一些研究人員陸續克隆和報道了其它脂滴蛋白，如ADRP、Tip47、S3-12和OXPAT/PAT1等。目前在中科院生物物理所工作的劉平生研究員最早在2004年就建立了脂滴的純化方法，在過去的10多年里，劉平生及其領導的研究團隊發展了很多提取和純化脂滴的技術方法，同時通過質譜技術，鑒定脂滴蛋白、并研究其功能和作用機理。通過系統地研究不同生物物種（從細菌、酵母、秀麗線蟲到哺乳動物）以及不同組織器官中的脂滴蛋白組，劉平生團隊和其他實驗室報道了一些可以作為脂滴標記（Markers）的蛋白，如細菌脂滴的MLDS，秀麗線蟲中的DHS-3和MDT-28(Plin-1)等。這些高豐度的脂滴蛋白不僅可以作為脂滴標記蛋白，而且功能上它們也調控脂滴的動態變化。因此，尋找和確定更多脂滴蛋白，特別是特定物種、特定器官和組織、甚至同種細胞不同脂滴的重要蛋白是一項重要的、系統的工作。

圖3. 線蟲體內的脂滴（供圖：劉平生）

　　通過這些實驗室的開創性研究工作，目前我們初步知道，脂滴膜上大約有300-500個脂滴蛋白。有些可能是脂滴的結構蛋白、或者調控蛋白，如前面提到的PLIN家族蛋白、以及DHS-3蛋白等。當然，由于脂滴是脂類代謝和儲存的重要場所，其脂滴蛋白中包含大量和脂肪、膽固醇合成或者分解相關的代謝酶就不足為奇了。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輔酶A合成酶（Acyl-CoA synthetase long-chainfamily, ACSL）和二酰基甘油酰基轉移酶（Diacylglycerol acyltransferase, DGAT2）。還有一些其它蛋白，如Rab家族蛋白在很多組織和器官中的脂滴中都存在，但它們的功能我們還知之甚少。雖然脂滴蛋白質組學為我們了解脂滴的發生、發展，以及動態調控奠定了很好的基礎，但我們對很多脂滴蛋白的生物學功能還缺乏認識。因此，未來需要通過基因敲除和過表達技術，研究這些脂滴蛋白在正常、或者其它生理、病理條件下的功能和作用機理。

　　有了單層磷脂膜、脂滴蛋白，那么脂滴內部核心的就是脂類分子了。脂滴的重要功能是動態地響應細胞能量代謝需求，調控其儲存的脂類分子——甘油三酯、膽固醇酯、甚至醚酯的代謝。簡單點說，脂滴也可以根據其儲存的脂類分子的種類分為兩大類。第一類脂滴主要儲存甘油三酯。在脂肪細胞（白色、棕色脂肪和米色）、大多數非脂肪細胞如肌肉、心臟細胞等等，脂滴儲存的脂類分子主要是甘油三酯。我們知道，甘油三酯是主要的能量儲存分子，這些組織器官是能量代謝的重要組織器官，其脂滴儲存的脂類分子是甘油三酯就不足為奇了。另外一類脂滴主要儲存膽固醇酯，存在于腎上腺、卵巢、附睪等組織中，其脂滴的脂類分子主要是膽固醇酯，這些膽固醇酯是合成各種激素（腎上腺素、雄激素、雌激素等）的底物。然而，這兩類儲存不同脂類分子的脂滴是如何形成的？我們對此幾乎一無所知！另外，在各種生理和病理狀況下，這兩類脂滴儲存的脂類分子是如何變化、調控的？這應該也是脂滴生物學的一個重要研究領域。

圖4. 從細胞里純化的脂滴（供圖：劉平生）

　　談了脂滴是一種細胞器，其磷脂單層膜和脂滴蛋白、以及儲存的脂類分子，接下來要問的是，脂滴是如何發生、發展的。目前，脂滴的起源說法不一，但相對流行的說法是脂滴起源于內質網，可能采用類似出芽方式。支持此學說的主要證據是，脂類合成的很多關鍵酶存在于內質網，脂類合成主要發生在內質網。如參與脂肪酸合成的重要代謝酶——硬脂酰輔酶A去飽和酶（Stearoyl-CoA，SCD）和DGAT1位于內質網。脂滴是單層膜，脂滴蛋白組揭示Rab家族蛋白很多，這就帶來問題，脂滴和其它細胞器起源可能完全不一樣。另外，少數幾個實驗室還發現細胞核中還存在脂滴。這些研究暗示，脂滴可能具有更古老的功能，是否和DNA合成，或者特殊情況下的功能有關嗎？這些問題，有待深入研究。

　　脂滴形成后，又是如何增長（growth or expand）、分裂（fission）、融合（fusion）、縮小（shrink）/水解的？特別是在不同病理、生理條件下，如肥胖和肥胖相關疾病，脂滴是如何主動和被動調控的？毫無疑問，很多參與脂類合成的代謝酶都會影響這些過程，如與脂肪合成相關的DGAT，與脂肪分解相關的ATGL，PLIN蛋白家族、HSD家族蛋白等。另外，在不同的組織器官中，脂滴大小和數目是不一樣的。白色脂肪細胞作為能量儲存的主要組織，其細胞主要被一個脂滴占領，其它細胞器的空間都被脂滴占領。這說明，在白色脂肪細胞中，脂滴是要融合的（fusion），不要搞分裂（fission）。相反，在其它非脂肪組織，如肝臟、心臟和肌肉，也包括以儲存膽固醇酯為主的腎上腺、附睪、卵巢等組織中，甚至是燃燒或者分解脂肪、提供能量的棕色或者米色脂肪組織，其細胞中有未知數目、大小不一的脂滴。這表明在這些組織里，脂滴要避免被融合。因此，研究促進或者防止脂滴融合或者分裂的調控機制是一個核心的研究方向。清華大學的李蓬院士在脂肪細胞脂滴的融合方面做出了突出的、系統性研究。

　　除了白色脂肪組織的細胞只有一個超大脂滴外，其它細胞到底有多少脂滴（numbers），或者說有無某個物種、某種組織，其脂滴數目是固定的，我們不知道。至少，現在的研究還沒有發現（除了白色脂肪外）哪一種細胞的脂滴數目是固定的。在某些生理或者病理條件下，脂滴數目是如何變化的？因此，研究脂滴數目，估計是一個非常有挑戰的工作。

圖5. 脂滴與線粒體（供圖：劉平生）

　　還有一個重要的問題是，作為細胞中的一種細胞器，脂滴和其它細胞器是如何相互作用的？既然脂滴是動態儲存脂肪（甘油三酯、膽固醇酯和維生素等）的細胞器，它必然和合成脂類分子的內質網、能量動力車間線粒體等細胞器有著密切的聯系。如前面提到，脂滴可能是起源于內質網，暗示脂滴和內質網會有聯系。在腎上腺素、雄激素和雌激素等激素合成中，傳統的觀點認為，這些脂滴中的膽固醇酯首先被脂滴膜上激素敏感性脂肪酶（Hormone-sensitive lipase, HSL）水解，自由膽固醇隨后被運送到線粒體，參與激素合成的酶在線粒體中發揮功能，逐步合成各種激素。然而，我們最近的一些研究可能暗示，參與激素合成的一些酶就在脂滴上，線粒體和脂滴緊密結合參與此過程。另外，棕色脂肪細胞含有大量的線粒體和脂滴，脂滴和線粒體的緊密聯系很可能有助于脂肪的高效分解。當然，脂滴如何和胞內的其它細胞器交換或者轉運脂類分子等，以及這些細胞器如何影響或者調控脂滴等，很多是未知的研究領域。

　　以上是對脂滴基礎生物學的一些簡要介紹，主要是基于動物細胞和組織器官的研究。脂滴的正常功能對維持細胞和生物有機體至關重要。當能量過多時，脂滴把多余的能量用脂肪（主要是甘油三酯和膽固醇酯）的形式儲存起來；當細胞需要能量和脂類分子時，脂肪把儲存的脂肪和脂類釋放出來，為細胞正常生命活動利用。然而，過多的能量儲存，往往導致脂滴的擴大和數目的增多，伴隨脂肪組織的增加和脂滴在非脂肪組織（如肝臟、心臟和肌肉等）中大量沉積，導致肥胖和肥胖相關性代謝性疾病，如糖尿病、脂肪肝、動脈粥樣硬化、腫瘤等。在這些代謝性疾病中，脂肪的過渡積累、脂代謝紊亂，既是因也是果。因此，深入研究脂滴生物學，特別是生理和病理條件下，脂滴代謝的變化，對我們了解上述疾病的發生、發展，以及尋找相應的治療方法和手段至關重要。

　　總的來說，我們對脂滴的認識，有點相見恨晚的感覺，或者說脂滴屬于大器晚成者。作為新鮮事物，脂滴的研究才剛剛起步。對脂滴的研究雖然路漫漫其修遠兮，但認識和了解新鮮事物總是其樂無窮！