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饱和脂肪酸“冻”住了细胞膜——新成像技术揭示细胞脂毒性新机理

谈到细胞膜,想必大家都记得生物化学课本上所说的流动性。的确,细胞膜作为膜蛋白的载体,其流动性保证了膜蛋白可以自由地移动及改变构象以实现特定的功能。然而,哥伦比亚大学化学系闵玮点击查看介绍课题组的最新研究打破了这一传统印象。在细胞代谢活动中心——内质网膜,他们发现了由饱和脂肪酸代谢产物形成的“固相”膜域

在内质网膜(绿色)中由饱和脂肪酸分子代谢形成的“固相”小岛(蓝色)。美术设计:哥伦比亚大学Nicoletta Barolini


问题的出发点在于生命过程不可缺少的脂肪酸代谢。众所周知,过多摄入饱和脂肪(例如猪油、黄油)有害健康,而不饱和脂肪(例如鱼油)对健康是有益的。他们的差别在于构成这些脂肪的脂肪酸分子。很多代谢疾病,例如肥胖、II型糖尿病伴随着因过多脂肪酸进入细胞而产生大量的毒性,研究者称之为脂毒性(lipotoxicity)。有趣的是,对于细胞而言,不同脂肪酸分子也具有巨大的差别。大量研究发现,细胞毒性的罪魁祸首主要是饱和脂肪酸而非不饱和脂肪酸,后者甚至是有益的。那么饱和脂肪酸是怎样在细胞中引起毒性的呢?不饱和脂肪酸又为什么对细胞有益呢?


为了找到答案,闵玮课题组使用一种新的显微成像技术——受激拉曼散射(SRS)显微镜跟踪同位素氘(D)标记的脂肪酸分子。这项技术具有很强的识别分子键振动的能力,能够通过辨别碳-氘键(C-D)和碳-氢键(C-H)之间的细微区别来跟踪脂肪酸分子及其代谢合成的脂质。相比于传统的荧光基团标记,同位素标记极大程度上保留了分子的物理化学性质和行为,尤其适合研究包括脂肪酸在内的小分子。


利用这一技术,研究者们发现,当饱和脂肪酸进入细胞后,细胞会将其代谢为构成细胞膜的磷脂分子;与正常的细胞膜不同,这些脂质分子形成一个个分隔开的“小岛”。辅以细胞结构的荧光标记,研究者进一步发现,这些“小岛”处在细胞器之一——内质网膜上。内质网是细胞将脂肪酸转化为细胞膜脂质的工厂,是细胞代谢活动的中心。作为细胞内最大的膜系统,内质网膜同样应该具有流动性。然而令人震惊的是,这些饱和脂肪酸代谢产生的“小岛”中,膜的流动性不复存在,分子运动几乎被“冻”住,就像一块块漂浮在内质网膜海洋中的“浮冰”。随着更多的饱和脂肪酸进入细胞,这些“浮冰”的面积越来越大,进而逐渐损害整个细胞。


研究者猜测,这一现象或许可以由以下物理化学原理解释——膜的相分离。油与水不能混合,与此类似,在生物膜的二维系统中,两种结构(脂肪链排列)不同的磷脂分子会自发地聚集到不同膜域(membrane domain)。为了验证这一猜测,研究人员进行了质谱分析,以获得脂质“小岛”的化学成分。尽管种类繁多,但这些脂质的共同点是都具有长而直的饱和脂肪链,因此倾向于紧密规则地排列并聚集在一起,同其他倾向于松散排列的内质网膜脂质分子分隔开来。研究者巧妙地利用拉曼光谱峰宽和表面活性剂相容性测试(detergent-resistance test)验证了在分子层面脂肪链紧密规则排列的特征。这种分子间紧密排列的另一个结果便是脂质分子几乎不能移动,就像水冻结成冰时一样。这种状态即是活细胞内极罕见的“固相”膜。


那么在加入饱和脂肪酸的同时混入不饱和脂肪酸会如何呢?后者广泛报道可以减少前者的脂毒性。不饱和脂肪链是弯曲的,这使得由不饱和脂肪酸合成的脂质分子不能像饱和脂肪链一样紧密地排列聚集,因而能够自由地移动,其灵活性甚至可以打破饱和脂肪酸链之间的紧密排列。研究者用同样的成像方法研究了不饱和脂肪酸的行为,正和他们猜想的,不饱和脂肪酸不能形成“固相”的膜,反而会“融化”被饱和脂肪酸“冻住”的细胞膜。这种新的机制可以部分解释不饱和脂肪酸(例如鱼油中的多不饱和脂肪酸)在脂质代谢紊乱中起到的有益作用。


那么,“固相”的膜有多容易形成呢?研究这一问题有助于我们了解代谢活动影响内质网膜物理化学环境的能力。实验发现,只需要几十μM的饱和脂肪酸便可导致“固相”膜的形成(参考:血液中脂肪酸的浓度通常是该数值的十倍至百倍)。更高浓度的饱和脂肪酸可在更短的时间内(几小时)达到类似的效果,远早于其他研究者报道过的细胞应激反应。内质网不仅提供了代谢活动的场所,其另一特性——极低的胆固醇含量也促进了“固相”膜的形成。在代谢活动最为旺盛的内质网膜中,恰恰最缺乏用来为脂链分子提供润滑、增加膜流动性的胆固醇。内质网膜的相态对代谢活动尤为敏感。


这项研究利用新的成像技术首次在活细胞中捕捉到脂肪酸代谢活动的多种细节,观测到此前使用其他方法无法直接观测到的“固相”膜,并揭示了细胞膜的物理化学性质受代谢活动的影响。闵玮课题组希望在跟进的研究中进一步揭示“固相”膜对细胞生理的影响。


该论文作者为:Yihui Shen, Zhilun Zhao, Luyuan Zhang, Lingyan Shi, Sanjid Shahriar, Robin B. Chan, Gilbert Di Paolo and Wei Min

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Metabolic activity induces membrane phase separation in endoplasmic reticulum

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1712555114


作者介绍


闵玮现任哥伦比亚大学化学系终身正教授,2003年本科毕业于北京大学,2008年博士毕业于哈佛大学,师从美国科学院院士谢晓亮教授,2010年起执教哥伦比亚大学。闵教授曾获2017美国化学会Early Career Award of Experimental Physical Chemistry、2017 Coblentz Award of Molecular Spectroscopy、2015 Buck-Whitney Award of ACS Eastern New York Section、2015 Camille Dreyfus Teacher-Scholar Award、2013 Alfred P. Sloan Research Fellowship、2012 National Institute of Health (NIH) Director’s New Innovator Award。闵玮课题组的研究方向是基于分子光谱学开发新型的光学显微镜,结合化学探针和生物技术推动神经科学、癌症检测和疾病诊断等前沿生命科学和医学课题的发展。


该论文的第一作者沈熠晖2012年本科毕业于北京大学,2017年博士毕业于哥伦比亚大学,曾获2015年Howard Hughes Medical Institute International Student Research Fellow。


http://www.x-mol.com/university/faculty/1407


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