肖旭等揭示非囊泡型胆固醇运输调控系统性脂质代谢的新机制

点评 | 宋保亮（中科院院士）、杨洪远（新南威尔士大学）、姜长涛（北京大学）

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胆固醇作为脊柱动物必须的是一种重要的脂质分子，具有多种重要的生理功能，包括：调控膜流动性，合成甾醇类激素和胆汁酸的前体，共价修饰Hedgehog和Smoothened蛋白等【1-3】。低密度脂蛋白（LDL）和高密度脂蛋白（HDL）是血清中两种主要的胆固醇运输蛋白。诺奖获得者Brown and Goldstein的研究证明LDL 胆固醇通过LDLR介导的囊泡性运输至溶酶体中。胆固醇在溶酶体中被NPC2和NPC1 蛋白转运至溶酶体膜上。这些奠基性工作，导致了史上最畅销的降胆固醇药 statin的发现【4】。最新的研究发现，LDL胆固醇大部分被首先运输被转运至PM，然后再转运至内质网等其他细胞器。囊泡型胆固醇运输发生障碍会导致高胆固醇血症和C型尼曼-匹克病等疾病。与LDL相似，HDL胆固醇主要通过Sr-B1介导的运输进入细胞质膜，与此相符的是细胞内的胆固醇也主要富集在细胞膜上。

细胞膜上的胆固醇，按照其可动员的程度，可以分为三个不同的团簇（pool）：1. 可动员的胆固醇（accessible pool）；2. 鞘磷脂螯和的胆固醇（sphingomyelin-sequestered pool）；3.维持细胞生存必须的胆固醇（essential pool）【5】。多项研究证明可动员的胆固醇（accessible pool）参与调控多种生理功能【6-8】，并且可以被Aster 蛋白家族（Aster-A/B/C）介导的非囊泡型胆固醇运输（蛋白质介导的膜与膜之间的运输）至ER【9-11】。肖旭博士等的前期工作证明，在体外细胞实验中，Aster蛋白参与LDL胆固醇转运【11】。除了可动员的胆固醇团簇，其他两个胆固醇团簇的生理功能并不清楚。非囊泡型胆固醇运输在系统性代谢中的功能也不清楚。

胆固醇的生物合成是一个非常耗能的过程。在进食条件下，肝脏中的mTORC1 通过磷酸化USP20 稳定胆固醇合成的限速酶，HMGCR，增强胆固醇合成【12】。在饥饿条件下，肝脏中的胆固醇合成会减少，已节省能量消耗。但有趣的是，肝脏在饥饿过程中会积累胆固醇脂。那么问题是，饥饿过程中的积累的胆固醇是从哪里来的呢？

2023年1月16日，来自UCLAPeter Tontonozlab 的肖旭博士和John Paul Kennelly等在Nature Metabolism在线发表了题为Hepatic nonvesicular cholesterol transport is critical for systemic lipid homeostasis的研究论文，解答了上述几个疑惑。

在这篇最新的论文中，作者首先构建了一个HA tagged Aster-C KI 老鼠，并且证明在小鼠肝脏中，Asters蛋白转运细胞质膜上的可动员的胆固醇团簇。为了探究Asters蛋白在肝脏中的生理功能，作者分别构建了Aster-A肝脏特性敲除小鼠，Aster-C肝脏特性敲除小鼠 和Aster-A&C 双肝脏特性敲除小鼠。发现敲除Asters 蛋白后，饥饿诱导的小鼠肝脏胆固醇脂积累减少，并且肝脏代偿性的上调胆固醇合成通路（图一）。这些结果证明，Asters蛋白介导的PM到ER胆固醇转运参与饥饿诱导的胆固醇脂合成。

在饥饿过程中，血清中的insulin含量下降，从而激活脂肪组织中的脂质水解，释放游离脂肪酸到肝脏中合成甘油三酯，保障VLDL分泌和其他器官的能量供应。作者研究发现，饥饿诱导的游离脂肪酸可以激活肝脏中的中性鞘磷脂酶2（编码基因Smpd3），并且诱导SMPD3的表达（图二）。激活的SMPD3降解鞘磷脂，从而释放被鞘磷脂螯和的胆固醇使其成为可动员状态。Asters蛋白转运新释放的可动员的胆固醇到内质网，形成胆固醇脂，包含进入VLDL中，保证其他器官在饥饿条件下对胆固醇的需求。

作者进一步通过体内和体外实验证明，FXR可以调控肝脏Aster-C表达。CHIP-seq 证明， Aster-C是一个新的FXR的一个新靶基因，可以和HDL 的受体Sr-B1一起被FXR调控。这些结果提示Aster 蛋白参与HDL和Sr-B1介导的反向胆固醇转运。通过同位素标记实验，作者证明Asters 蛋白转运HDL-胆固醇从PM进入ER，合成胆固醇脂。丧失Asters 蛋白表达显著增加PM上的游离胆固醇含量，减少ER上的胆固醇脂合成（图三 ，a和b）。作为胆固醇最重要的肝脏代谢物，胆汁酸合成的合成和分泌也显著减少。饮食诱导的肝脏胆固醇积累也明显减少。

进一步机制研究发现，肝脏Asters蛋白失活导致肝细胞膜上的胆固醇含量增加，促进了胆固醇外排到HDL中。血清中HDL胆固醇显著升高。这些升高的血清胆固醇进一步被外围器官摄取，如肾上腺和棕色脂肪组织，导致胆固醇在外围器官的积累（图三，c和d）。

该工作系统的证明了Asters蛋白介导的非囊泡型胆固醇运输在系统性脂质代谢中的关键作用（图四）。填补了RCT反向胆固醇运输过程中最后一步的空白，证明了Asters蛋白转运HDL-胆固醇进入细胞。该工作还第一次发现，在饥饿过程中，脂肪组织可以通过释放游离脂肪酸调控肝脏胆固醇代谢进而影响全身胆固醇稳态。可动员的胆固醇团簇和鞘磷脂螯和的胆固醇团簇，在生理条件下相互转化的新观念，进一步将磷脂代谢和胆固醇代谢联系起来。这些结果还提示在其他的生理或病理条件下，除了游离脂肪酸，其他的内源信号也可以通过影响磷脂代谢来调控细胞内胆固醇转运通路。证明和发现这些新的信号或许会进一步扩展了可动员的胆固醇转运在不同生理和病理条件下的新功能。

Nature Metabolism同期发表了评论文章Asters: rising stars in the cholesterol universe。这篇评论文章指出“肖旭博士等人的这篇论文将该领域的研究推进了一大步，令人信服地证明了 Asters 在肝脏脂质稳态中的重要性。将Asters这颗冉冉升起的新星，坚实的地置于群星荟萃的胆固醇细胞运输通路的星座中。确实，如果没有Asters，我们会在哪里？（Xiao et al.’s giant leap here is to convincingly demonstrate the importance of Asters in hepatic lipid homeostasis in vivo, placing these rising stars firmly in the constellation of interconnected pathways that traffic cholesterol around the cell. Indeed, where would we be without Asters?）”（图五）

本论文的第一作者是UCLA David Geffen School of medicine的肖旭博士和John Paul Kennelly博士。通讯作者是UCLA，David Geffen School of medicine 的Peter Tontonoz 博士。本研究的到了UCLA Thomas Q. de Aguiar Vallim博士，Claudio J Villanueva 博士， Steven J Bensinger 博士 和 Stephen G. Young博士的大力帮助。

Peter Tontonoz 教授是美国科学院院士和美国医学院院士，实验室研究方向为探索生理或病理条件下脂质代谢调控的原理，详情请见实验室网址：https://labs.dgsom.ucla.edu/tontonoz/pages/。实验室常年招收博士后，有意者请联系。

简历投递（有意者请将个人简历等材料发至）：

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专家点评

宋保亮教授（中科院院士；武汉大学副校长）

胆固醇作为细胞内最重要的脂质分子之一，它的代谢和运输受到精密细致的调控。通过多年的研究，在分子和细胞水平，胆固醇合成、吸收和外排的调控的机制已比较清楚（SREBP2 通路、HMGCR通路、LDLR通路、NPC1L1介导的小肠胆固醇吸收、ABCG5/8介导的外排）。但是，细胞内胆固醇的运输的机制及其生理病理功能还不清楚。

UCLA 的Peter Tontonoz lab 早先研究发现，Aster 蛋白可以介导细胞质膜到内质网的非囊泡胆固醇运输。然而，Aster蛋白介导的非囊泡胆固醇运输的生理意义和生理调控都不是很清楚。肖旭博士的这篇论文，在这方面提供了答案，是关于细胞内胆固醇运输和调控的一项重要成果。

这篇论文发现，Aster蛋白参与了两种˙重要的生理过程中的胆固醇运输，饥饿和反向胆固醇转运。在饥饿条件下，脂肪组织释放的游离脂肪酸激活肝脏中的鞘磷脂酶，后者水解质膜上的鞘磷脂，释放出和鞘磷脂结合的胆固醇。Aster蛋白将胆固醇从质膜转运至内质网，加速胆固醇酯合成，维持VLDL的分泌。作者还在体内证明了，Aster蛋白是反向胆固醇转运的最后一环，负责将胆固醇转运至内质网。这项研究还发现Aster蛋白参与饮食诱导的肝脏胆固醇积累。肝脏Aster蛋白失活后，血液中的胆固醇明显上调。这些结果提示，通过调控肝脏Aster蛋白有可能为治疗脂肪肝和心血管疾病提供新的思路。

专家点评

杨洪远教授（澳大利亚新南威尔士大学）

在这篇文章中，肖旭博士等的实验成果提供了强有力的证据，证明Asters蛋白介导的细胞质膜到内质网的非囊泡性胆固醇运输显著的调控了肝脏及全身脂质代谢。这项研究成果也挑战了脂质分子的细胞内运输一定需要多条冗余的转运通路的传统观点。研究结果清楚地表明，在多种细胞和组织内，细胞质膜到内质网的胆固醇主要通过Asters蛋白转运。一直以来，由于缺乏能实时示踪脂质分子转运的探针，非囊泡性脂质分子转运是一项非常困难的研究课题。许多研究成果都只局限于在体外细胞系中的研究。然而，肖旭博士等的这项最新研究对脂质转运的生理意义做出了清晰的阐述。本项研究中所采用的研究方法和手段，也为未来研究其他生理过程中的非囊泡运输提供了重要指导意义。

专家点评

姜长涛教授（北京大学基础医学院，副院长）

鞘磷脂是细胞膜的重要组成成分，其酶解产物包括鞘氨醇，1-磷酸鞘氨醇和神经酰胺，作为信号分子可以调控多种疾病进程，包括动脉粥样硬化和非酒精性脂肪性肝病。Smpd3是一种中性鞘磷脂酶，主要分布于质膜和高尔基体，其在小肠中的表达丰度较高，已报道可受到FXR和AMPK的调控作用。在小肠中上调Smpd3的表达或增加其稳定性，都显著提高血清中的神经酰胺，进而促进包括动脉粥样硬化和非酒精性脂肪性肝病等代谢疾病的发生和发展。胆固醇作为细胞膜中另一种重要的脂质分子，也和动脉粥样硬化和非酒精性脂肪性肝病进展有密切关系。有趣的是，鞘磷脂是和胆固醇结合最强的磷脂分子，和鞘磷脂结合后，胆固醇被“封闭”在细胞膜上不能被自由转运。这些结果提示鞘磷脂代谢和胆固醇转运/代谢有着紧密的联系。

这项最新的研究发现，饥饿可以通过两条途径调节肝脏的鞘磷脂代谢：1. 刺激脂肪组织的脂质水解释放出游离脂肪酸，激活肝脏鞘磷脂酶的活性；2. 诱导肝脏中SMPD3的表达。从而加速肝脏中鞘磷脂的降解，释放被鞘磷脂封闭的胆固醇，招募Asters蛋白转运细胞质膜上的胆固醇进入内质网，从而调控肝细胞内胆固醇转运和机体的脂质稳态。

文章通过细致和精巧的实验，将鞘磷脂代谢和胆固醇代谢联系起来，阐明了脂肪组织通过游离脂肪酸-鞘磷脂-胆固醇轴，调节肝脏胆固醇代谢并进一步影响系统性脂质代谢的过程。这项新发现具有重要的意义，将鞘磷脂代谢和更广泛的生理过程联系起来：1. 发现了脂肪组织-肝脏相互作用的新方式；2. 首次证明鞘磷脂封闭的胆固醇在生理过程中的功能；3. 提出除了神经酰胺，鞘磷脂也可通过调节胆固醇转运，影响系统性脂质代谢，扩展了鞘磷脂调控生理病理过程的方式。

https://doi.org/10.1038/s42255-022-00722-6

制版人：十一

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12. Lu, X.-Y. et al. Feeding induces cholesterol biosynthesis via the mTORC1–USP20–HMGCR axis.Nature588, 479–484 (2020).