質膜脂筏結構和功能的研究

［摘 要］脂筏是細胞膜上富含鞘脂和膽固醇的微區結構，廣泛分布于細胞的膜系統。脂筏中含有諸多信號分子和免疫受體，在細胞的生命活動中扮演非常重要的角色。更為重要的是，脂筏為細胞表面發生的蛋白質—蛋白質和蛋白質—脂類分子間的相互作用提供了平臺。本文將對其結構和功能作簡單的介紹，以助于初學者了解。

［關鍵詞］脂筏 結構 功能

S·J·Singer和G·Nicolson于1972年提出生物膜的流動鑲嵌模型(fluid mosaic model)是生物學的經典。Meer于2002年在《Science》上綜述了此專題：脂筏是膜脂雙層內含有特殊脂質及蛋白質的一種液態有序相微區。隨著實驗技術的改進以及認識的不斷深入，脂筏模型(lipid rafts model)的結構和功能逐步被人們所認識。

一、脂筏結構

脂筏是脂質雙層內含有特殊脂質的蛋白質的微區，微區內陷可形成囊泡具有低流動性，呈現有序液相，富含膽固醇和鞘磷脂。與糖基磷脂酰肌醇(GPI)相連，或被肉豆蔻酸酰化。近年來發現脂筏不僅存于質膜，亦可存在于高爾基體膜上。脂筏的概念早在發現小窩時即有了，經長期的爭論，直至1988年Simon才正式提出“脂筏”之稱。脂質的雙層有不同的脂筏：外層的微區主要含有鞘脂、膽固醇及GPI2錨固蛋白，因為鞘脂含有長鏈飽和脂肪酸，Tm溫度較高，流動性差，而且粘稠，鄰近的磷脂區其脂肪酸多不飽和，Tm溫度較低，所以出現分相；膜內側也有相似的微區，與外側的脂質不完全相同，主要是在此區有許多酰化的蛋白質，特別是信號轉導蛋白(圖1)。雖然兩層分別有脂筏，但它們是偶聯的，因為用非離子去污劑提取時，不僅有外層的GPI-錨固蛋白，還有許多信息分子共同被提出。用一種GPI-錨固蛋白的抗體介導錨固蛋白聚集，與此同時Src家族的酪氨酸激酶也被激活。如換成糖鞘脂的抗體，也有同樣的現象。GPI蛋白及糖鞘脂都存于膜外側，Src酪氨酸激酶在膜內側，這表明脂筏內外層之間是有聯系的。

二、脂筏的功能

從結構及組分分析，脂筏有兩個特點：①許多蛋白質聚集在脂筏內，便于相互作用。②脂筏的環境有利于蛋白質的變構，形成有效的構象。所以它具有許多功能。

(一)參與信號轉導

在細胞中脂筏最重要的作用就是它在信號轉導事件中所發揮的功能。目前已研究發展，有多種類型的信號分與脂筏有關系，如受體分子類、離子通道和泵相關分子、蛋白激酶、GTP結合蛋白、Ga2+結合蛋白、黏附分子、細胞骨架相關蛋白質類、轉錄因子和酯類等。脂筏是如何積聚這些信號分子并激發細胞內信號轉導的級聯反應是值得深入探討的問題。

HIa發現在細胞質膜有溶血卵磷脂類(LPs)的受體，這種受體是一個大家族，大約有12個左右，它與G蛋白偶聯，稱G蛋白偶聯受體(Gprotein-coupled receptors，GPCRs)。LPs受體位于膜富含鞘磷脂的小窩區。LPs包括溶脂酸(LPA)、溶血卵磷脂(LPC)、鞘磷酸膽堿(SPC)及鞘磷脂-1-磷酸(S-I-P)。LPs受體的作用包括：參與調節細胞遷移、增殖及存活；調節血管系統的成熟；激活eNOS及活化磷脂酶C(PKC)等。Nan jundan從鼠肺細胞內提取出一種脂質磷酸水解酶(LLP)，活化的LLP存于小窩內，它可水解LPA、PA和鞘氨醇-1-磷酸，水解后的產物皆為第二信使。

(二)參與細胞蛋白運轉

1參與跨細胞運轉

文獻報道，分布在內皮細胞的小窩囊泡，開口于細胞的表面，細胞與細胞之間的囊泡可形成一個通道，小分子物質可相互交換，小窩成為一些小分子化合物運轉的通路。

2參與細胞胞飲作用

小窩內包含許多受體蛋白，小窩將它們運送到細胞內可利用不同的途徑：①受體與配基結合后，被小窩囊泡運送到胞漿，配基與受體分離，受體隨囊泡回到質膜；②小窩囊泡載著受體與配基，通過胞漿，在細胞的反方向開口將配基釋放到細胞外基質。有些毒素(如霍亂毒素)與細胞上的受體結合，也以這種方式進入宿主細胞內。

3參與細胞分選

Martin介紹了一個膜內在蛋白MAL。MAL屬酰化蛋白質家族，存于Madin-Darby犬腎細胞，有多個疏水基團插入極化的上皮細胞的脂筏。MAL直接參與極化分選(apical sorting)。在MDCK細胞內如加入MAL反義寡核苷酸，就無分選功能。MAL即像一個貨車，可在質膜、內質網、高爾基體之間循環，運送蛋白。另外BENE蛋白，和MAL一樣，也屬酰化蛋白質家族。它與小窩蛋白-1結合，位于小窩內，可能這兩個蛋白質是脂筏的新成員。

(三)作為病毒感染的通道

在病毒感染早期階段，病毒通過與細胞表面的受體結合進入細胞。對于大多數非包膜病毒，病毒黏附于細胞后即發生內化，并被運送到細胞內特定區室中。內化的途徑有兩種，一種是通過網格蛋白導的內吞途徑，腺病毒就是利用這樣的途徑；另一種是通過非網格蛋白依賴的、由小窩蛋白介導的內吞途徑，如猿病毒40的內吞。SV40是通過結合到MHCI類分子然后進入細胞的，MHC I類分子介導病毒進入細頸瓶形的細胞膜穴樣內陷中。脂筏被認為參與了SV40侵入細胞的過程，因為用膽固醇驅散試劑破壞脂筏，就可以抑制SV40病毒的入侵。這也是目前研究脂筏常用的方法之一。另一種研究脂筏常用的方法是，低溫下用非離子型去垢劑提取細胞去垢劑抵抗膜組分。在低溫條件下，脂筏可以抵制非離子型去垢劑如Triton X-100的提取，用密度梯度離心分離細胞組分時，脂筏會漂浮在低密度區。通常情況下，MHC I類分子很少能在去垢劑抵抗的膜組分中檢測到；但當病毒感染時，這種膜組分中可以檢測到富集有大量的MHC I類分子。以上結果提示，脂筏參與了SV40病毒入侵細胞的過程，但目前仍不清楚是由于SV40的結合促使MHC I類分子結合到已經形成的細胞膜穴樣內陷中，還是細胞膜穴樣內陷在SV40-MHC復合物形成的位點從頭開始形成。另一種非包膜的RNA病毒——埃可病毒也是通過脂筏完成其內吞過程。用實時監控顯微鏡，可以明顯觀察到熒光標記的EV1被攝入到由綠色熒光標記的caveolin-1組成的小窩體。EV1的感染需要借助動力蛋白Ⅱ、膽固醇等來完成。

(四)脂筏與心血管疾病

內皮來源的一氧化氮生物利用率低下，在動脈粥樣硬化癥發生過程中起著關鍵作用。內皮型一氧化氮合成酶(eNOS)直接受到小窩蛋白的調節，與小窩關系密切。實驗表明，利用氧化型的低密度脂蛋白作為膽固醇的接收體，可以導致小窩的耗竭，也可以抑制由乙酰膽堿誘導的eNOS的活性，但不影響eNOS的數量和環前列腺素的產量，也不影響eNOS的肉豆蔻酰化、棕櫚酰化和磷酸化。去除氧化型低密度脂蛋白，小窩的結構可以得到恢復，并且eNOS亦可再與小窩結合。另外，糖化終末產物，AGEs通過其受體介導，在糖尿病并發癥中發揮著重要的作用。(五)脂筏與腫瘤

許多原癌基因和抑癌基因是信號轉導通路中處于不同階段的蛋白質，當它們的生理功能發生改變或缺失時就會促進腫瘤形成。脂筏可以參與信號轉導。由此自然讓人聯想到，脂筏結構和功能的變化與腫瘤發生有密切的關系。小窩蛋白-1基因被作為一種候選的抑癌基因。小窩蛋白-1的mRNA和蛋白質表達水平在腫瘤轉化的NIH-3T3培養細胞中出現下調，在乳腺癌轉基因小鼠中以及其他起源于人腫瘤的細胞系中這種基因的表達也出現下調。一般來說，確定小鼠的一種原癌基因或抑癌基因需要分析原始鼠胚胎纖維原細胞的生長特性，因此，在對小窩蛋白-1進行了細胞增殖和細胞周期評估后，發現小窩蛋白-1敲除的小鼠胚胎纖維原細胞出現細胞周期整體活性增加，主要出現合成期的增加。

(六)脂筏與朊病毒病

朊病毒病包括人克雅氏病(CJD)、羊瘙癢癥和牛海綿樣腦病等，其發病原因是細胞朊蛋白(PrPC)的構象轉變為異常形式(PrPSC)。PrPC是結合在細胞膜外表面，帶有GPI錨結構的糖蛋白。研究表明，小鼠的神經瘤母細胞(N2a)的PrPC聚集在小窩樣結構域中，經scrapie感染后N2a(ScN2a)的PrPSC也聚集在相應的結構中。細胞膽固醇水平的降低可以抑制PrPC向PrPSc的轉化。這就提示人們，富含膽固醇的小窩樣結構域很可能就是朊病毒傳播增殖的場所。Kaneko等證實PrPSc是由GPI錨固形式的PrPC轉變而來的，并不是來自跨膜的PrPC。由于GPI是小窩結構的標志性蛋白質之一，這也證實了上述實驗的結論。

(七)脂筏與肺部疾病

肺泡Ⅰ型上皮細胞富含小窩蛋白-1。在敲除小窩蛋白-1基因的動物中，肺泡空間明顯變得狹小，肺泡間隔由于不可控制的上皮細胞增殖和纖維化而變厚，導致嚴重的肺功能紊亂，這種小窩蛋白-1基因敲除的小鼠在游泳實驗中很容易疲勞。

脂質筏結構被人們認識以來，其確實的生理功能仍然需要有待大量研究，期望能應用先進的技術，解決在無試劑干擾的條件下，觀察天然單細胞膜脂與膜蛋白的活動。

［參考文獻］

［1］周愛儒：《生物化學》，人民衛生出版社2001年9月版。

［2］李志勇：《細胞工程》，科學出版社2003年2月版。

［3］郭勇：《酶工程》，科學出版社2004年8月版。

［4］盧圣棟：《現代分子生物學實驗技術》，中國協和醫科大學出版社1999年12月版。

［5］Nan jundan M，Possmayer FPulmonary lipid phosphate phosphohydrolase in plasma membrane signaling platformsBiochem J，2001

［6］Razani B，Schlegel A，Lisanti M PCaveolin proteins in signaling，oncogenic transformation and muscular dystrophyJ Cell Sci，2000