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鞘磷脂代謝以及神經酰胺和S1P的調控作用

鞘磷脂(sphingomyelin,SM)由神經鞘氨醇(sphingosine,簡稱鞘氨醇或神經醇)、脂肪酸、磷酸與含氮堿基組成。其整體結構大緻相當于用鞘氨醇代替了甘油磷脂中的甘油和一個脂肪酸。

鞘氨醇與神經酰胺

鞘氨醇的從頭合成首先要合成神經酰胺(ceramide,Cer)。合成過程是由軟脂酰輔酶A與絲氨酸經縮合、還原、轉脂、去飽和等一系列酶促反應構成。然後神經酰胺2位氨基上的脂酰基被神經酰胺酶催化水解,就生成鞘氨醇。鞘氨醇也可再合成神經酰胺,催化的酶是鞘氨醇酰基轉移酶,也稱為神經酰胺合酶(CerS)。在人類中有六個CerS編碼基因,依次為CerS1至CerS6,各有不同的脂酰基鍊長度特異性和組織分布。

鞘氨醇的從頭合成,引自themedicalbiochemistrypage.org

鞘磷脂中的堿基通常是膽堿,由神經酰胺與磷脂酰膽堿生成。反應由鞘磷脂合酶(SMS)催化。鞘磷脂酶催化其降解,生成神經酰胺和磷酸膽堿。所以鞘磷脂既是重要的膜磷脂,又可作為神經酰胺的儲備庫。

鞘磷脂與神經酰胺的相互轉化,引自themedicalbiochemistrypage.org

神經酰胺具有重要的生理功能。很多細胞應激誘導物,例如炎症激活、過量飽和脂肪酸攝入和化學治療,均會導緻神經酰胺合成速率增加。有證據表明,細胞神經酰胺的積累與肥胖、糖尿病等疾病的發病機理有關。在骨骼肌中,神經酰胺可通過PKCζ和蛋白質磷酸酶2A(PP2A)兩種機制降低AKT活性,導緻骨骼肌胰島素抵抗(Physiol Rev. 2018)。

脂類誘導骨骼肌胰島素抵抗的分子機制。引自Physiol Rev. 2018

神經酰胺可誘導氧化應激,生長停滞以及凋亡和壞死。CerS1的表達上調可以使腫瘤細胞對多種化學治療藥物敏感,例如順鉑,長春新堿和阿黴素。

神經酰胺可誘導神經細胞死亡,引自Mol Neurobiol. 2019

神經酰胺的合成發生在内質網,然後可以通過神經酰胺轉運蛋白(CERT)或囊泡轉運輸送到高爾基體,通過SMS1 合成鞘磷脂(SM )或糖鞘脂。這些鞘脂可通過高爾基小泡運輸到質膜。

鞘脂代謝的亞細胞區室化。引自Front Pharmacol. 2019

在質膜上,鞘脂可以轉化為鞘氨醇(Sph),再被鞘氨醇激酶(SPHK或SK)催化生成鞘氨醇1-磷酸(S1P)。S1P也屬于溶血磷脂,是重要的生物活性介質,參與多種信号轉導途徑,調節許多不同的細胞功能。

S1P代謝,引自themedicalbiochemistrypage.org

S1P與神經酰胺都被稱作“生物活性鞘脂”,二者的功能在許多方面是互相拮抗的。在神經系統中,神經酰胺和S1P參與神經元生存與死亡調控,參與AD、PD和衰老等生理病理過程。

生物活性鞘脂與神經退行性疾病。引自Mol Neurobiol. 2019

S1P可以通過特定的轉運蛋白(Spns2)或ABC轉運蛋白分泌出去,通過自分泌或旁分泌起作用。其受體屬于GPCR,現已發現5種,編碼基因依次為S1PR1-S1PR5。不同的S1P受體與不同的G蛋白偶聯,從而調節特定的信号通路,包括MAPK,PI3K / Akt和磷脂酶C介導的信号通路等。

S1P的細胞外和細胞内作用。引自Front Pharmacol. 2019

細胞内的SK2也可以催化産生S1P,調控一系列重要靶标,包括組蛋白脫乙酰基酶(HDAC)、人端粒酶逆轉錄酶(hTERT)等。在細胞核中發現了含有S1P的HDAC複合物,可以阻止組蛋白中賴氨酸殘基脫乙酰化,從而改變基因表達模式。

這種機制可以上調細胞周期調節蛋白p21的表達,而p21是細胞周期蛋白依賴性激酶(CDK)的抑制劑,參與p53介導的細胞凋亡。所以S1P有可能在p53缺陷型癌症的治療中發揮作用,而p53突變是癌症中最常見的一種遺傳異常。

S1P可以與其它信号通路發生crosstalk。據報道,在人膠質母細胞瘤(GBM)的侵襲性調控過程中,S1P和EGFR信号通路可能發生相互作用。EGFR通過ERK1 / 2激活SK1,導緻細胞外S1P的增加,進而與S1P受體結合,通過AKT磷酸化增加GBM的侵襲性(FEBS Lett. 2018 )。

S1P和EGFR信号通路之間的相互作用模型。引自FEBS Lett. 2018

血漿中大部分(65%)S1P與HDL結合。研究表明,HDL誘導血管内皮細胞舒張和遷移及其心髒保護作用取決于S1P。也就是說,HDL降低心血管疾病風險的有益特性可能部分歸因于結合的S1P。

神經酰胺的另一種衍生物是鞘糖脂,它不含磷酸,所以不屬于磷脂,就不在這裡讨論了。

參考文獻:

  1. Max C Petersen, et al. Mechanisms of Insulin Action and Insulin Resistance. Physiol Rev. 2018 Oct 1;98(4):2133-2223.

  2. Kinga Czubowicz, et al. The Role of Ceramide and Sphingosine-1-Phosphate in Alzheimer's Disease and Other Neurodegenerative Disorders. Mol Neurobiol. 2019 Aug;56(8):5436-5455.

  3. Sara Grassi, et al. Sphingosine 1-Phosphate Receptors and Metabolic Enzymes as Druggable Targets for Brain Diseases. Front Pharmacol. 2019 Jul 23;10:807.

  4. Maria Grazia Cattaneo, et al. Cross-talk between sphingosine-1-phosphate and EGFR signaling pathways enhances human glioblastoma cell invasiveness. FEBS Lett. 2018 Mar;592(6):949-961.

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