脂酰輔酶A長鏈合成酶3及其相關疾病

張 榮， 陳雁斌， 袁中華*

(1)南華大學心血管疾病研究所，動脈硬化學湖南省重點實驗室，湖南省動脈硬化性疾病國際科技創(chuàng)新合作基地，湖南 衡陽 421001；2)湘南學院附屬醫(yī)院神經內科，湖南 郴州 423000)

酰基輔酶A合成酶長鏈家族(long chain acyl-CoA synthetases，ACSLs)是生物體內不可或缺的一類酶。在細胞內脂肪代謝過程中激活脂肪酸，激活的脂肪酸與腺苷三磷酸結合，釋放焦磷酸鹽形成脂肪酰基-磷酸腺苷。然后，脂肪?；?磷酸腺苷與輔酶A結合，同時釋放磷酸腺苷和脂肪?；o酶A。ACSLs共有5個家族成員，分別是ACSL1、ACSL3、ACSL4、ACSL5及ACSL6。其中，ACSL3是ACSLs家族中表達最多且功能復雜的一員。1996年，F(xiàn)ujino 等[1]首先從大鼠腦cDNA中分離和鑒定了第三?；o酶A合成酶，并命名為第三?；o酶a合成酶。2004年，?；o酶 A 合成酶協(xié)會在人類和小鼠基因組命名委員會的建議下，將第三?；o酶a合成酶修改為脂酰輔酶A長鏈合成酶3(acyl CoA long chain synthetase 3, ACSL3)[2]。ACSL3可激活碳鏈長度為16 ～ 20的不飽和脂肪酸以及全順式-5，8，11，14-二十碳四烯酸，并生成蛋黃素以及脂滴[3]。蛋黃素存在于極低密度脂蛋白的表面，是其重要的組成成分。脂滴是細胞內的主要儲存中性脂的細胞器，主要有維持脂質動態(tài)平衡的作用。有研究表明，當 ACSL3 參與脂滴的合成及自噬等過程，有調節(jié)胞內脂質穩(wěn)態(tài)的作用[4]。如果胞內脂質動態(tài)平衡被打亂，細胞中蓄積大量脂質引起細胞脂肪變性，將會進一步導致動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)、非酒精性脂肪肝(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)等ACSL3 相關疾病的發(fā)生。因此，探究ACSL3與脂質代謝之間的關系和作用機制可為防治其相關疾病提供新的研究線索。

1 脂酰輔酶A長鏈合成酶3的結構及分布

人類ACSL3基因位于2q36.1，其序列全長83 603 bp，含17個外顯子、16個內含子；ACSL3 mRNA有4個剪切變體，可編碼720個氨基酸，主要表達79 kD和80 kD的2種蛋白質[4]。ACSL3蛋白含有二硫鍵7個、磷酸化位點66個，O-糖基化位點9個，N-糖基化位點3個，跨膜區(qū)1個。ACSL3蛋白通過無規(guī)則卷曲連接，蛋白質結構以α-螺旋和β-轉角為主。ACSL3的N末端是其酶活性、吸收脂肪酸和靶向目的蛋白質所必需的。此外，ACSL3的N末端與脂滴親和力極高，這種高親和力能使ACSL3在脂滴生成時從內質網(endoplasmic reticulum，ER)轉移到脂滴。

ACSL3廣泛存在于不同的組織中，例如大腦、心血管、胎盤、前列腺、骨骼肌、睪丸和胸腺等。在細胞內，它主要分布于細胞的脂滴外圍和內質網的細胞質面[5, 6]。

2 脂酰輔酶A長鏈合成酶3在脂質代謝中的作用機制

2.1 ACSL3促進細胞內脂滴的合成

脂滴(neutral lipids，LDs)普遍存在于各種細胞的細胞器，可儲存中性脂質，例如甘油三酯(triglyceride，TG)和膽固醇酯(cholesteryl ester，CE)。以前，人們通常認為，脂滴是惰性的儲存結構。但越來越多的證據(jù)表明，它們是高度活躍的，并在能量和脂質代謝中發(fā)揮核心作用。脂滴與許多細胞器接觸，包括內質網、線粒體和過氧化物酶體。通常，許多蛋白質從內質網或從細胞質進入脂滴表面。從內質網進入脂滴表面的蛋白質為“I類脂滴蛋白”，I類脂滴蛋白的特征是在無脂滴的情況下存在于內質網中，并在脂滴形成過程中或脂滴通過膜橋與內質網重新連接后轉位到脂滴表面。ACSL3屬于既存在于生長中的脂滴又存在于成熟脂滴的I類脂滴蛋白質[1]。像大多數(shù)I類脂滴蛋白質一樣，ACSL3具有發(fā)夾樣結構的疏水區(qū)域，使它能夠嵌入內質網膜或脂滴單層表面。

細胞內脂滴以ER-LD接觸的方式萌芽，但萌芽具體的機制仍不清楚。Datta等[7]研究發(fā)現(xiàn)，HEK293細胞中分選蛋白排序鏈接素14(sorting nexin 14, Snx14，一種編碼分選蛋白的基因)被招募到含有ACSL3的內質網區(qū)域，在這個區(qū)域新生脂滴開始發(fā)芽。細胞內Snx14敲除時，脂滴生成減少且形態(tài)不一，而Snx14過表達時，脂滴合成增加。ACSL3在Snx14的上游發(fā)揮作用。在Snx14 過表達細胞中，沉默表達ACSL3時脂滴數(shù)量減少。證明了ACSL3協(xié)助Snx14錨定于脂滴并促進脂滴萌芽。

在內質網萌芽的脂滴在細胞攝入外源性脂肪酸后生長成熟，但是脂滴成熟機制尚不完全清楚。Fujimoto等[8]發(fā)現(xiàn)，在人肝細胞HuH7培養(yǎng)基中添加油酸(oleic acid，OA)，細胞內脂滴積累增多，并伴隨著ACSL3表達增加。添加ACSL3抑制劑Triacsin C，ACSL3表達減少，伴隨細胞內的脂滴含量大幅度降低。說明外源性脂肪酸促進脂滴成熟的過程中ACSL3發(fā)揮重要作用。這個作用機制可能是脂滴相關蛋白Rab18(low molecular weight GTP-binding prioten)與PLIN2(perilipin 2)的C末端結合定位于新生脂滴，促進ACSL3定位于新生脂滴LD單層表面，增加細胞內脂滴的含量[9]。ACSL3定位于脂滴單層表面的效率與突觸融合蛋白17(syntaxin 17,Stx17) 有關。ACSL3與Stx17的SNARE域相互作用，調節(jié)ACSL3的分布，參與脂滴生物合成，Stx17沉默表達后會減少ACSL3向新生脂滴的移位[10]。由于Stx17沉默表達而導致脂滴成熟的缺陷能通過ACSL3過表達來彌補。這表明ACSL3移位到脂滴的效率，影響脂滴的成熟。ACSL3與Stx17這種相互作用發(fā)生在內質網-線粒體界面。Chang等[11]用內質網應激誘導劑Brefeldin A (BFA)和Thapsigargin (TG)處理HuH-7細胞時，ACSL3的mRNA表達升高，細胞內脂滴明顯增多。如果用ACSL3 siRNA (shRNA 829)沉默表達ACSL3，會抑制內質網應激誘導的脂滴形成與成熟。

總之，ACSL3可通過促進脂滴的形成和成熟參與細胞內脂質代謝(見Fig.1)。

Fig. 1 ACSL3 is involved in intracellular lipid metabolism by promoting lipid droplet formation and maturation (A) The mechanism of ACSL3 in promoting LD synthesis. (B) ACSL3 is involved in the regulation of autophagy. (C) ACSL3 inhibits iron death. →: promote; —|: inhibition;-→ : change

2.2 ACSL3參與自噬的調節(jié)

自噬存在于真核細胞中，可以清除有缺陷和不需要的細胞內物質，例如多余的脂質，并在營養(yǎng)缺乏、氧化損傷等環(huán)境脅迫下迅速上調，是一種高度保守的降解途徑。自噬的啟動是細胞內原存在的膜室(例如內質網)形成隔離膜。隔離膜的延伸和關閉吞沒細胞內物質后形成自噬體。自噬體與溶酶體的融合形成了自溶酶體，其中捕獲的物質被溶酶體水解酶大量降解。

心肌細胞中ACSL3同家族的ACSL1參與自噬的調節(jié)。ACSL1表達缺陷時，雷帕霉素復合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1)激活，從而抑制自噬。在自噬的啟動過程中，γ-氨基丁酸受體相關蛋白(γ-aminobutyric acid receptor-associated protein，GABARAP)和自噬標志物LC3s(microtubule associated protein 1 light chain 3 and homologs，LC3s)與吞噬體的外膜和內膜相關，并調節(jié)膜擴張、載物受體募集、吞噬體閉合和自噬體與溶酶體的融合[12]。ACSL3可通過LC3相互作用區(qū)(LC3-interacting region，LIR)結合GABARAPL2[13]，促進GABARAPL2在內質網上的定位及維持GABARAPL2的穩(wěn)定性。ACSL3基因敲除GABARAPL2蛋白表達水平降低。相反，ACSL3缺失后，微管相關蛋白 1 輕鏈 3 β(Microtubule associated protein 1 light chain 3 beta，LC3B)蛋白水平顯著升高。這些研究表明，ACSL3可能參與自噬的調節(jié)。

2.3 ACSL3抑制鐵死亡

鐵死亡與其他形式的細胞死亡不同，其特征是鐵依賴的毒性脂質活性氧( reactive oxygen species，ROS)的積累和由此造成的膜損傷，是一種非凋亡細胞的特殊細胞死亡形式。因此，細胞鐵死亡的起始和發(fā)展都與脂質代謝密切相關。ACSL3可激活外源性單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acid，MUFA)，降低質膜脂質在數(shù)小時內對氧化的敏感性，防止鐵死亡過程中質膜上脂質ROS的積累，有效地抑制鐵依賴性氧化細胞死亡的過程[14]。此外，油酸通過ACSL3合成磷脂，從而保護黑色素瘤細胞免于鐵死亡。ACSL3表達降低時，用于合成磷脂的油酸顯著減少。而野生型ACSL3的過表達時，合成磷脂的油酸明顯增多，并且保護黑色素瘤細胞免于鐵死亡，并增加其形成轉移性腫瘤的能力[15]。研究表明，ACSL3與鐵死亡密切相關，且有保護細胞免于鐵死亡的作用。

3 脂酰輔酶A長鏈合成酶3與相關疾病

3.1 ACSL3與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是以脂質代謝障礙和炎癥為病變基礎的復雜病理過程。其病理性標志細胞即泡沫細胞是巨噬細胞和血管平滑肌細胞吞噬大量脂質而形成。泡沫細胞攝入的脂質以脂滴的形式貯存在細胞內。

動脈內膜脂質蓄積是動脈粥樣硬化的起始階段，脂滴是脂質的重要儲存場所，故探究脂滴的形成對預防動脈粥樣硬化的意義極大。Deng等[9]研究發(fā)現(xiàn)，小鼠成肌纖維細胞中，定位在脂滴上的ACSL3減少或ACSL3的活性被Triacsin C抑制時，脂滴數(shù)量減少。脂滴上聚集的ACSL3增多時，脂滴數(shù)量增加[16]。脂滴的生成增多加重動脈內膜脂質蓄積，進而促進動脈粥樣硬化。隨著動脈粥樣硬化發(fā)展，纖維組織增生及鈣化物沉積、動脈中膜脫落和鈣化，動脈壁逐漸加厚僵硬、血管腔進一步堵塞狹窄。在人主動脈平滑肌細胞[3]中，ACSL3過表達時，骨相關蛋白基因(bone morphogenetic protein-2, BMP-2)的表達增加；分別用敲除ACSL3及添加ACSL3的抑制劑triacsin C抑制ACSL3表達時，均可有效阻止骨相關蛋白和鈣沉積基因的表達。ACSL3表達增加會加重動脈鈣化進一步促進動脈粥樣硬化的發(fā)展。

動脈粥樣硬化常同時伴隨著脂質代謝紊亂和炎癥，Jung等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在人冠狀動脈內皮細胞和人臍靜脈內皮細胞中，腫瘤壞死因子α(tumour necrosis factor-α，TNF-α)促進ACSL3的表達。用油酸孵育這2種細胞，細胞內脂滴數(shù)量增加，且TNF-α促進的脂滴形成需要ACSL3基因的參與。研究表明，ACSL3即參與了動脈粥樣硬化的炎癥反應，又與動脈粥樣硬化脂代謝紊亂有關。

這些研究均表明，ACSL3與動脈粥樣硬化密切相關，且有加重動脈粥樣硬化的風險。進一步研究ACSL3促進脂滴形成的機制，有助于防治動脈粥樣硬化等脂質代謝等相關疾病(見Fig.2)。

3.2 ACSL3與非酒精性脂肪肝病

非酒精性脂肪性肝表現(xiàn)為肝細胞內脂質代謝紊亂、脂滴大量蓄積，如不及時有效治療，可導致脂肪性肝炎、肝硬化、肝癌等疾病。已有研究表明，非酒精性脂肪性肝病與ACSL3有關，ACSL3有加重非酒精性脂肪性肝病的風險。Poppelreuther等[18]在高脂飼養(yǎng)的大鼠體內檢測到肝組織中ACSL3表達增高，脂質蓄積明顯增加；沉默表達ACSL3后時大鼠肝組織中脂質蓄積減少。在HepG2細胞中ACSL3 mRNA表達水平降低時可減少細胞中脂滴的形成[19]。表明ACSL3是肝細胞脂滴形成的關鍵調節(jié)因子，間接促進了非酒精性脂肪肝病的形成。ACSL3是受炎癥因子(oncostatin M，OSM)調控的基因，OSM有改善肝損傷引起的高甘油三酯血癥的作用，表明ACSL3可能在肝損傷修復的調節(jié)中也發(fā)揮作用[20]，但其具體的研究機制尚未有報道。進一步研究ACSL3在肝細胞中的作用機制，有望對預防和治療非酒精性脂肪性肝病帶來新的希望(見Fig.2)。

3.3 ACSL3與糖尿病

糖尿病是一系列以血糖升高為特點的糖代謝異常性疾病。而血糖升高的病因通常是胰島素分泌異?；蛞葝u素功能障礙。

胰島可通過分泌胰島素從而維持血糖的穩(wěn)定。在人胰島β細胞(pancreatic beta cells)和大鼠胰島中，ACSL3蛋白存在于胰島素分泌顆粒中。Ansari等[21]通過shRNA介導沉默表達ACSL基因，利用INS-1 832/13細胞獲得了穩(wěn)定的ACSL敲除細胞系。ACSL3基因敲除后，由于葡萄糖(glucose)刺激而分泌的胰島素(insulin)減少了一半，細胞內葡萄糖顯著升高。

小腸上端對脂質的感應(通過脂質內輸注實現(xiàn))可激活腸腦軸以降低葡萄糖的合成和血糖水平。Bauer等[22]報道，高脂飼料喂養(yǎng)小鼠時會損害小腸上端對脂質的敏感性，并降低小鼠肝細胞中ACSL3表達水平。當敲低小鼠50%的ACSL3時可阻止鈣離子通道(胰島素分泌的重要信號)打開，損害脂肪酸傳感途徑，從而影響全身葡萄糖的體內穩(wěn)態(tài)。Liu等[23]研究結果強調，參與脂質代謝和升糖通路的ACSL3基因表達與糖尿病呈負相關。沉默ACSL3基因的表達可以抑制胰腺β-細胞中胰島素釋放，同時，ACSL3表達減少會損害蛋白質激酶B的磷酸化，導致胰島素抵抗。因此，降低ACSL3的表達可影響胰島素分泌，導致胰島素抵抗增加患糖尿病的風險(見Fig.2)。

3.4 ACSL3與腫瘤

目前腫瘤仍是導致人類死亡的主要疾病，其特征包括細胞自身提供生長信號、多種物質代謝失調、組織侵襲和轉移以及逃避程序性細胞死亡等，探究腫瘤的代謝機制，尋找鑒別腫瘤的方法對防治腫瘤尤為重要。

多種腫瘤細胞形成過程中ACSL3都高度表達，ACSL3-LPIAT1(溶血磷脂酰肌醇?；D移酶1，lysophosphatidylinositol-acyltransferase 1)途徑是肺癌前列腺素(prostaglandin)持續(xù)合成的必要條件，前列腺素合成升高時會促進肺癌(lung cancer)的形成和加速肺癌的進展[24]。ACSL3的有效抑制劑triacsin C在體內和體外都抑制了腫瘤細胞的生長，且ACSL3過表達可促進腫瘤的形成和生長[25]。

腫瘤種類多樣，鑒別腫瘤的類型是腫瘤治療的關鍵步驟。在肝細胞癌和膽管癌細胞鑒別診斷過程中ACSL3的表達可幫助區(qū)分肝細胞癌與膽管癌，其敏感性為87.2%，特異性為75%[26]。Choi等[27]檢測到ACSL3基因的突變有助于鑒別子宮內膜間質肉瘤。故ACSL3對于腫瘤種類鑒別意義重大。

腫瘤的預后判斷對于指導臨床醫(yī)生設計治療方案和提高患者的生存率都具有重要意義。在肺癌、前列腺癌和雌激素受體陰性乳腺癌中均發(fā)現(xiàn)ACSL3過表達預示著腫瘤預后不良。在三陰性乳腺癌中 ACSL3活性降低而導致的脂肪酸β氧化(fatty acid β-oxidation，F(xiàn)AO)的改變也可作為三陰性乳腺癌預后的標志[28]。也有研究表明，ACSL3純合子缺失可促進輔助化療后乳腺癌患者的遠處轉移[29, 30]。ACSL3廣泛參與不同種類的腫瘤和腫瘤的不同階段，ACSL3可能是腫瘤診斷和治療的關鍵基因(見Fig.2)。

Fig.2 The relationship between acyl CoA long-chain synthetase 3 and related diseases (A) The relationship between ACSL3 and AS. (B) The relationship between ACSL3 and NAFLD. (C) The relationship between ACSL3 and diabetes. (D) The relationship between ACSL3 and lung cancer.→: promote; —|: inhibition;-→change; -/- : knockout

3.5 ACSL3與脊髓灰質炎

脊髓灰質炎是由脊髓灰質炎病毒(poliovirus，PV)引起的嚴重危害人類健康的急性傳染性疾病。PV是小核糖核酸病毒的一種，其膜復制平臺的形成是病毒生命周期中不可或缺的一步。PV感染細胞的普遍現(xiàn)象是增加細胞中長鏈脂肪酸的攝入。

Nchoutmboube等[31]研究發(fā)現(xiàn)，脊髓灰質炎病毒感染細胞攝入長鏈脂肪酸的量與酰基輔酶A合成酶活性的激活有關。在感染脊髓灰質炎病毒后，細胞整體酰基輔酶A合成酶活性升高，并作用于脂肪酸。在感染細胞中，大量攝入的脂肪酸主要用于高活性的磷脂酰膽堿合成，這反映了膜復制平臺的快速形成。ACSL3可調節(jié)?；o酶A合成酶的活性。當siRNA敲除ACSL3和融合蛋白GFP-ACSL3-HA的過表達均不利于脊髓灰質炎病毒的復制?？赡苁侨诤系鞍椎腉FP和或HA標記特異性干擾了支持病毒感染所需的ACSL3功能。這些研究表明，ACSL3是支持脊髓灰質炎病毒有效復制所必需的蛋白質，是一種新的脊髓灰質炎病毒宿主因子。

4 問題與展望

脂質代謝及其相關機制一直是科研的重心，眾多國內外科研人員研究并報道了ACSL3參與脂滴的合成、自噬及鐵死亡等眾多病理生理過程。雖然大多數(shù)情況下ACSL3過表達可能會促進動脈粥樣硬化、非酒精性脂肪肝病、腫瘤和脊髓灰質炎等疾病，但隨著對ACSL3研究的深入發(fā)現(xiàn)，其在糖尿病的發(fā)展過程及腫瘤的鑒別中是發(fā)揮積極作用的。ACSL3在不同疾病中發(fā)揮的作用不同，提示ACSL3在體內有多種代謝途徑和功能具有多樣性。例如，ACSL3即促進了脂滴的合成又參與了自噬的調節(jié)，且這兩種生理過程都與動脈粥樣硬化密切相關，完善ACSL3在動脈粥樣硬化過程中的作用機制，必將對防治動脈粥樣硬化貢獻新的實驗依據(jù)。而更深層次的研究將進一步闡明ACSL3在不同疾病過程中的具體作用機制，將為ACSL3相關疾病的防治增加新的靶點。