Seipin基因?qū)游镏緝Υ嬲{(diào)控作用的研究進(jìn)展*

艾慶輝， 陳夢然， 陳秋池， 麥康森

(中國海洋大學(xué) 1.農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 2.海水養(yǎng)殖教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266003)

真核生物主要以中性脂質(zhì)如甘油三酯(TG)的形式儲存能量[1]，并且在機(jī)體需要時，將儲存的脂質(zhì)水解成甘油和脂肪酸，之后脂肪酸以β-氧化的形式提供能量。脂肪組織是動物體內(nèi)儲存脂質(zhì)的主要部位，分為白色脂肪組織(White adipose tissue, WAT)和棕色脂肪組織(Brown adipose tissue, BAT)。其中，白色脂肪細(xì)胞內(nèi)含一個巨大的脂滴(Lipid droplets, LDs)，用于儲存TG[2-3]。

機(jī)體內(nèi)過多脂質(zhì)積累會導(dǎo)致肥胖和脂肪肝等疾病[4]，主要表現(xiàn)為成熟的脂肪細(xì)胞中LDs積累過多，且在非脂肪組織中出現(xiàn)了明顯的LDs。因此，闡明脂肪分化和LDs細(xì)胞動力學(xué)的分子機(jī)制有助于尋找緩解脂肪異常沉積的靶點(diǎn)。近年來，人們篩選了很多與脂肪儲存相關(guān)的基因，發(fā)現(xiàn)Seipin有調(diào)節(jié)脂肪分化和細(xì)胞LDs形成的功能[5-7]。Seipin突變導(dǎo)致先天性脂肪營養(yǎng)不良(BSCL)患者出現(xiàn)脂肪組織嚴(yán)重缺失的癥狀[5]。此外，Seipin缺乏的細(xì)胞中出現(xiàn)了形態(tài)異常的LDs[8-9]。因此，本文闡述了Seipin在調(diào)控脂肪分化和LDs形態(tài)方面的功能和分子機(jī)制。

與肥胖和脂肪肝等疾病類似，水產(chǎn)養(yǎng)殖中高脂飼料的使用同樣會導(dǎo)致魚類出現(xiàn)脂肪異常沉積，因此魚類脂肪儲存的調(diào)控研究受到廣泛關(guān)注。目前，魚類Seipin相關(guān)研究極其缺乏。本文也概述了Seipin在魚類中的研究進(jìn)展，并且提出了魚類Seipin的研究方向。

1 Seipin的發(fā)現(xiàn)、分布和結(jié)構(gòu)

人類Seipin(BSCL2)基因最早在2001被發(fā)現(xiàn)，是從先天性脂肪營養(yǎng)不良(BSCL)患者中鑒定得到的[5]。隨后在檢測對LDs形態(tài)發(fā)揮作用的基因篩查報告中，酵母Seipin同源基因Sei1p(Fld1p)被鑒定[10]。通過與人類Seipin基因比對，果蠅Seipin基因于2011年被鑒定[11]。在組織分布方面，哺乳動物中，Seipin在腦、睪丸和脂肪組織中表達(dá)量較高[5, 7, 12]。果蠅Seipin在脂肪體中表達(dá)量最高[11]。在亞細(xì)胞定位方面，Seipin是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)膜蛋白，可以定位在ER-LD連接處[13]。

Seipin的N端和C端都面向細(xì)胞質(zhì)，具有兩個跨膜結(jié)構(gòu)域和一個高度保守的管腔環(huán)[13]，如圖1所示。在不同的物種中，Seipin的N端和C端是不同的。由于翻譯起始位點(diǎn)不同，人類Seipin基因編碼的蛋白長度可以是398或462個氨基酸，其中較長的同工型在N端有額外的64個氨基酸。酵母Sei1p在二級結(jié)構(gòu)和膜拓?fù)浞矫媾c人類Seipin具有較高的相似性。但是，酵母Sei1p僅包含少量氨基酸的Seipin結(jié)構(gòu)域(N端12個氨基酸和C端11個氨基酸)，而人類Seipin具有較長的胞質(zhì)C端尾巴和同工型特異性的N端尾巴[14]。已有研究表明，在酵母中表達(dá)全長Seipin和缺乏胞質(zhì)C端的截短Seipin均可以挽救LDs缺陷[8]。這表明Seipin域編碼的核心功能通過進(jìn)化得以保留。哺乳動物Seipin的C末端延伸可能賦予高級生物特有的其他功能。

圖1 人類Seipin的蛋白結(jié)構(gòu)[15]

2 Seipin與脂肪分化

2.1 Seipin在脂肪分化中的作用

很多研究表明，Seipin在脂肪分化中發(fā)揮重要作用。Seipin-/-小鼠表現(xiàn)出嚴(yán)重的脂肪營養(yǎng)不良，WAT減少約90%，僅有少量脂肪存在于內(nèi)臟和皮下組織[16-18]。此外，在小鼠和人原代脂肪細(xì)胞以及細(xì)胞系(C3H10T1/2、3T3-L1和MEF)脂肪分化過程中，Seipin基因的mRNA表達(dá)量顯著增加[7, 19]。上述結(jié)果說明Seipin參與脂肪細(xì)胞分化過程。并且，Seipin主要在脂肪細(xì)胞分化后期發(fā)揮功能。從Seipin-/-小鼠中分離MEF，誘導(dǎo)其形成脂肪。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在缺乏Seipin的情況下，MEF細(xì)胞能夠啟動早期脂肪生成和LDs形成，并且脂肪形成相關(guān)基因pparγ和c/ebpα的表達(dá)量升高。然而，突變型MEF細(xì)胞不能發(fā)育為成熟的功能性脂肪細(xì)胞[17]。與上述研究結(jié)果一致，Seipin基因敲低的C3H10T1/2或3T3-L1細(xì)胞系中表現(xiàn)了顯著的成脂缺陷，并伴隨脂肪形成后期pparγ、c/ebpα和srebp1cmRNA水平降低[7, 12, 20]。因此，Seipin在維持脂肪細(xì)胞成熟過程中發(fā)揮重要作用。

Seipin在BAT中的調(diào)控功能似乎與在WAT中不同。Seipin-/-小鼠的BAT大量減少，剩余的BAT中包含少量的小LDs及巨型LDs[17]。然而，已有研究表明BAT形成不需要Seipin[21-22]。在棕色脂肪細(xì)胞系中，Seipin敲低對其分化幾乎沒有影響[22]。Seipin可能不直接影響棕色脂肪細(xì)胞的分化，而是通過其他途徑間接影響其功能。Seipin-/-小鼠棕色脂肪細(xì)胞中cAMP / PKA介導(dǎo)的脂解作用增加，從而導(dǎo)致棕色脂肪形成過程中脂質(zhì)含量降低[21]。因此，Seipin缺乏對WAT和BAT形成有不同的調(diào)節(jié)機(jī)制?？赡苁怯捎赪AT和BAT本身存在差異， WAT主要功能是儲存TG，而BAT中含大量線粒體，其儲存TG較少。需要進(jìn)一步的研究來揭示這種差異作用的分子機(jī)制。

2.2 Seipin調(diào)控脂肪分化的機(jī)制

Seipin調(diào)控脂肪分化的機(jī)制與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。C端結(jié)構(gòu)域?qū)eipin調(diào)節(jié)脂肪分化至關(guān)重要[20]。這種調(diào)節(jié)涉及Seipin的C端與14-3-3β蛋白直接作用，從而在脂肪細(xì)胞形成過程中募集cofilin-1來重塑肌動蛋白細(xì)胞骨架[23]。該模型可以解釋C端截短導(dǎo)致脂肪營養(yǎng)不良的原因，如I262fs、R275X和Q391X突變患者Seipin的基因C端部分或完全丟失[24-26]。但是，C端結(jié)構(gòu)完整如A212P突變患者導(dǎo)致脂肪營養(yǎng)不良的原因仍不清楚。一種可能的機(jī)制是，A212P突變可能與前體脂肪細(xì)胞階段的炎癥途徑激活有關(guān)[27]；另一種可能是A212P突變導(dǎo)致二級蛋白結(jié)構(gòu)破壞，從而導(dǎo)致核心序列不能感知脂肪水平[20, 23]。因此，Seipin通過其蛋白結(jié)構(gòu)影響脂肪分化的機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。

此外，PPARγ可以挽救Seipin缺陷模型中脂肪細(xì)胞分化和代謝紊亂[18]。噻唑烷二酮(TZD)類藥物(包括吡格列酮和羅格列酮)是PPARγ激動劑。吡格列酮在BSCL2患者的MEF中誘導(dǎo)脂肪形成標(biāo)記aP2的表達(dá)[28]，并且可以改善Seipin-/-小鼠的胰島素抵抗和肝臟脂肪變性[29]。臨床上，TZD已被證明可促進(jìn)HIV誘導(dǎo)的獲得性脂肪營養(yǎng)不良中的脂肪恢復(fù)[30-31]。已有研究表明，Seipin缺乏可以通過PPARγ影響脂肪分化。在3T3-L1細(xì)胞中，Seipin可以與甘油-3-磷酸酰基轉(zhuǎn)移酶(GPATs)相互作用并降低其活性。在Seipin缺乏細(xì)胞中，GPATs活性增加導(dǎo)致磷脂酸(PA)水平升高[32]。而PA已被證明是PPARγ的競爭性抑制劑，因此PA升高抑制PPARγ進(jìn)而抑制脂肪分化。綜上所述，Seipin可能通過調(diào)節(jié)PPARγ影響脂肪分化。

3 Seipin與LDs

3.1 Seipin調(diào)控LDs形態(tài)

已有很多研究表明Seipin除了調(diào)控脂肪分化，也在LDs形成中發(fā)揮重要作用。酵母全基因組篩選確定Seipin同源基因Sei1p是LDs形態(tài)的關(guān)鍵調(diào)控因子[8, 10]。在缺少Sei1p的情況下，酵母細(xì)胞中LDs形態(tài)發(fā)生變化，約30% Sei1p缺失酵母細(xì)胞中包含1個或幾個巨型LDs；約60% Sei1p缺失酵母細(xì)胞中包含較小的聚集LDs；剩余10% Sei1p缺失酵母細(xì)胞中LDs非常小[8]。在其他Seipin缺陷模型中也觀察到了異常的LDs形態(tài)。BSCL2患者淋巴母細(xì)胞和成纖維細(xì)胞系中體積較小且聚集的LDs數(shù)量增加[10, 33]。全身Seipin敲除小鼠的白色脂肪細(xì)胞出現(xiàn)小的LDs[16-17]。然而，有一些研究表明Seipin缺失細(xì)胞傾向于形成巨型LDs。巨型LDs存在于Seipin缺陷的睪丸[34]以及Seipin-/-MEFs分化的脂肪細(xì)胞中[17-18]。此外，Seipin缺乏的其他類型細(xì)胞如A431細(xì)胞[35]和3T3-L1細(xì)胞[32]等，經(jīng)長時間油酸孵育后，也傾向于形成巨型LDs。因此，Seipin是調(diào)節(jié)LDs形態(tài)的重要因素。雖然在不同類型的Seipin缺陷細(xì)胞中LDs形態(tài)存在差異，但是主要出現(xiàn)了LDs較小以及部分LDs異常增大的表型。Seipin缺乏是如何引起LDs形態(tài)的劇烈變化？目前，已經(jīng)提出了三種可能的機(jī)制：(1)調(diào)節(jié)ER-LD連接處；(2)調(diào)節(jié)LDs表面的磷脂；(3)調(diào)節(jié)ER穩(wěn)態(tài)。

3.2 Seipin與LDs成熟

在LDs生物發(fā)生的早期，Sei1p缺陷會阻礙LDs的從頭形成，并伴隨著未包裝TG在ER膜積聚[36]。Seipin及其同源基因可以定位在ER-LD連接處[10, 13]，可能在LDs生物發(fā)生的不連續(xù)步驟中發(fā)揮作用。在果蠅S2細(xì)胞中，Seipin可以在ER和新生的小LDs的接觸部位形成可移動的位點(diǎn)，從而促進(jìn)脂質(zhì)從ER轉(zhuǎn)移到新生的LDs。如果沒有Seipin，新生LDs便無法生長，從而導(dǎo)致大量初生LDs積累[9]。因此，Seipin可能不是在LDs生物發(fā)生的初始過程如晶狀體形成和TG液滴出芽中發(fā)揮功能，而是在新生LDs的成熟過程中起調(diào)節(jié)作用，促進(jìn)LDs的擴(kuò)展，這一推論也可以解釋Seipin缺陷細(xì)胞中出現(xiàn)許多小LDs的現(xiàn)象。目前，Seipin在ER-LD連接處作用機(jī)制還有待確定。最新的研究表明，Seipin支持結(jié)構(gòu)均勻的ER-LD接觸的形成，并促進(jìn)TG從ER傳遞至LDs[37]。推測Seipin缺乏導(dǎo)致ER磷脂穩(wěn)態(tài)被破壞，進(jìn)而影響ER-LD連接處的完整性。

3.3 Seipin與磷脂

很多結(jié)果顯示磷脂可能是連接Seipin和LDs形態(tài)的關(guān)鍵。Seipin缺失細(xì)胞可能通過改變磷脂的長度來增加LDs聚集和融合。已有研究表明，Sei1p缺失細(xì)胞中磷脂上的脂肪?；湵豢s短且更飽和[8]，從而使LDs更容易融合形成巨型LDs。目前，關(guān)于Seipin調(diào)節(jié)磷脂長度的分子機(jī)制研究較少。

此外，PA作為一種常見的磷脂，其在Seipin調(diào)節(jié)LDs形態(tài)中發(fā)揮重要作用。Sei1p缺失菌株中可以觀察到與LDs相鄰的ER中PA積累，并且通過人類Seipin的表達(dá)可以逆轉(zhuǎn)[38]。PA是一種可以改變膜曲率的錐形脂質(zhì)，可以促進(jìn)膜融合[39-40]。因此，Seipin缺失可能導(dǎo)致局部PA積累，進(jìn)而促進(jìn)LDs融合和生長。與此推測一致，在3T3-L1細(xì)胞中，敲低Seipin會顯著增加細(xì)胞PA含量[41]。盡管Seipin的過表達(dá)對成脂誘導(dǎo)前3T3-L1細(xì)胞中PA幾乎沒有影響[32]，但在脂肪細(xì)胞分化后，過表達(dá)Seipin會降低細(xì)胞PA[41]。與野生型小鼠相比，全身Seipin敲除和生殖細(xì)胞特異性敲除小鼠的睪丸中PA含量和PA/PL比率更高[34]。綜上所述，PA升高可能是Seipin缺陷細(xì)胞中LDs異常增大的主要原因。

Seipin調(diào)節(jié)PA代謝的機(jī)制已有一些研究。Seipin似乎沒有酶活性，這表明它的功能可能是結(jié)構(gòu)性的，也可能是由相互作用的蛋白來發(fā)揮功能[42]。人類Seipin蛋白的結(jié)構(gòu)解析結(jié)果表明，全長Seipin及其管腔結(jié)構(gòu)域都可以結(jié)合陰離子磷脂[43]。這一結(jié)果提示Seipin可能通過特殊結(jié)構(gòu)域直接結(jié)合PA，進(jìn)而調(diào)節(jié)PA代謝。此外，很多研究表明，Seipin與Lipin1[44]、1-?；视?3-磷酸O-?；D(zhuǎn)移酶2(AGPAT2)[45]和GPATs[32]等存在相互作用。(1)Lipin1作為Mg2+依賴性的磷脂酸磷酸酶，可以將PA轉(zhuǎn)化為二?；视?DAG)。降低Lipin1會導(dǎo)致巨型LDs形成[46-47]。Lipin1與Seipin存在相互作用，相互作用域位于Seipin的C和N末端[41]。在3T3-L1細(xì)胞分化的第2天，敲低Seipin減少了Lipin1與ER結(jié)合的量，并增加局部PA的積累[41]。因此，Seipin可能在ER-LD連接處促進(jìn)Lipin1功能。在Seipin缺乏的情況下，Lipin1表達(dá)降低進(jìn)而導(dǎo)致PA增加。(2)AGPAT2將溶血磷脂酸(LPA)轉(zhuǎn)化為PA，它位于PL和TG的生物合成途徑中Lipins的上游[14]。人類Seipin可以與AGPAT2相互作用，且與Seipin和Lipin1相互作用不同，Seipin與AGPAT2相互作用依賴Seipin腔環(huán)和第一個跨膜結(jié)構(gòu)域(與N端相鄰)[45]。目前Seipin與AGPAT2相互作用對PA影響的研究未見報道，仍有待深入探究。(3)在酵母中，Sei1p最主要的相互作用蛋白是Gatlp(GPATs)[32]。作為PA生物合成中的限速步驟，GPATs可以將3-磷酸甘油轉(zhuǎn)化為LPA[48]。Seipin缺陷細(xì)胞中增加的GPATs活性與異常增大的LDs形態(tài)有關(guān)。在3T3-L1細(xì)胞中，Seipin可以與GPAT3和GPAT4共免疫沉淀，該實(shí)驗(yàn)證明Seipin與GPATs相互作用并影響其活性[32]。與Seipin與Lipin1和AGPAT2相互作用促進(jìn)其功能不同，Seipin與GPATs的相互作用導(dǎo)致GPATs功能的抑制。因此，在Seipin缺陷細(xì)胞中升高的GPATs活性通過增加PA，進(jìn)而調(diào)控LDs形態(tài)[32]。綜上所述，Seipin可能通過直接結(jié)合PA或與其他蛋白相互作用間接影響PA來調(diào)控LDs的形態(tài)。

3.4 Seipin和ER穩(wěn)態(tài)

Seipin除了通過影響磷脂從而調(diào)控LDs形態(tài)外，也可以通過影響ER穩(wěn)態(tài)來調(diào)控LDs形態(tài)。Sei1p的缺失會導(dǎo)致ER異常擴(kuò)增[49]。熒光顯微鏡和電子顯微鏡顯示，LDs在Sei1p缺陷細(xì)胞中的遷移受損，可能是由于ER結(jié)構(gòu)異常[50]。LDs遷移障礙會導(dǎo)致TG積累，進(jìn)而導(dǎo)致巨型LDs形成。ER是細(xì)胞內(nèi)儲存鈣的主要細(xì)胞器，鈣穩(wěn)態(tài)的損害會導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、細(xì)胞功能障礙甚至死亡[51]。肌漿網(wǎng)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATPase(SERCA)將胞質(zhì)鈣泵入ER內(nèi)腔，并保持ER內(nèi)腔和細(xì)胞質(zhì)之間的鈣濃度梯度。已有研究表明Seipin和SERCA存在相互作用[52]。Seipin缺陷會導(dǎo)致鈣泵活性降低和SERCA功能喪失。目前，Seipin如何調(diào)節(jié)ER穩(wěn)態(tài)仍不是很清楚。推測Seipin可能通過直接與蛋白相互作用調(diào)控ER穩(wěn)態(tài)進(jìn)而影響LDs形態(tài)；也可能通過調(diào)控磷脂的變化間接改變ER功能和鈣穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而影響LDs形態(tài)。

4 Seipin在魚類中的研究進(jìn)展

由于脂肪具有蛋白質(zhì)節(jié)約效應(yīng)，因此，高脂飼料在水產(chǎn)養(yǎng)殖中廣泛使用[53]。但長期使用高脂飼料可能導(dǎo)致魚類出現(xiàn)脂肪異常沉積等問題。系統(tǒng)研究Seipin在魚類脂肪儲存中的功能，有助于了解魚類脂質(zhì)積累的調(diào)控機(jī)理，有望為在生產(chǎn)實(shí)踐中緩解魚類脂質(zhì)的異常沉積提供策略。目前，魚類中Seipin的相關(guān)研究較少。在魚類中，僅有斑馬魚(Daniorerio)Seipin基因被鑒定報道[54]，但在大黃魚(Larmichthyscrocea)、半滑舌鰨(Cynoglossussemilaevis)和大馬哈魚(Oncorhynchustshawytscha)等多數(shù)魚類的基因組數(shù)據(jù)中已標(biāo)記到Seipin基因。此外，魚類Seipin的功能未見報道，僅有斑馬魚作為模式生物研究人類Seipin功能的少量研究。在斑馬魚幼魚中表達(dá)人類Seipin N-糖基化突變體(N88S)，突變體斑馬魚頭部TG水平降低，同時軀干TG水平升高[55]。Seipin是進(jìn)化保守的ER蛋白，其功能在各物種間似乎也比較保守，所以上述結(jié)果也一定程度說明魚類Seipin可能與其機(jī)體脂肪儲存相關(guān)。但是，魚類Seipin對脂肪儲存的影響和機(jī)制仍不清楚。因此，Seipin在魚類中相關(guān)研究有待進(jìn)一步開展。

5 展望

最近的研究已確定Seipin在脂肪儲存中發(fā)揮重要作用。Seipin的基本生化功能似乎在物種間是保守的，但是在一些物種如魚類中研究還是較少。為了緩解養(yǎng)殖魚類脂肪異常沉積，促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，Seipin的科學(xué)應(yīng)用有很大前景。此外，不同魚類脂肪儲存有其特異性，但主要儲存于肝臟、腹腔和肌肉等部位。因此，今后研究應(yīng)選取代表性魚類探究其主要儲存脂肪的部位中Seipin是否發(fā)揮作用。并且，更多研究應(yīng)集中在Seipin的上游調(diào)控機(jī)制，旨在為尋找緩解魚類脂肪異常沉積的策略提供理論依據(jù)。

此外，Seipin在LDs成熟過程中發(fā)揮作用的分子機(jī)制仍需更多研究。盡管一些證據(jù)支持Seipin在磷脂代謝中的作用，但缺乏明確的機(jī)制。因此，今后的研究應(yīng)采用更多模型系統(tǒng)，如不同物種及其細(xì)胞系來解決以下一些問題：Seipin本身是酶、輔因子還是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白？Seipin在不同組織中是否具有不同的生物學(xué)功能？對Seipin功能的進(jìn)一步了解不僅可以提供對調(diào)控脂肪分化和LDs動力學(xué)機(jī)制的重要見解，也有望為緩解脂肪異常儲存提供新策略。