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小肠胆固醇吸收相关蛋白的研究成果综述

更新时间:2020-06-17 08:25点击:

    [摘要]多种蛋白参与了小肠胆固醇的吸收,其中尼曼-匹克C1 型类似蛋白1 ( Niemann-Pick C1 like .1, NPC1L1)主要介导小肠对 胆固醇的吸收;小肠吸收的游离胆固醇 在酰基辅酶A-胆固醇酰基转移酶2 [acyl-coenzyme A ( CoA) : cholesterol acyltransferase 2, ACAT2]的催化下形成胆固醇酯并经淋巴系统进入血液循环,而未被酯化的胆固醇则通过ATP 结合盒转运蛋白G5/C8 [ATP-bindingcassette ( ABC)transpor ters G5/G8, ABCG5/ABCG8]分泌入肠腔,转录因子肝X受体( liver X receptor, LXR)在小肠胆固醇吸收过程中发挥了重要的调节作用。该文主要对小肠胆固醇吸收相关蛋白NPC1L1、 ABCG5/ABCG8、 ACAT2和LXR 的研究进展进行了综述。
 
    [关键词]小肠;胆固醇; 肠吸收; NPC1L1; ABCG5/ABCG; ACAT2; LXR
 
胆固醇是哺乳动物细胞膜的重要组成部分,对于维持细胞膜的通透性和流动性起着关键作用,同时其在细胞内物质转运、神经传导、胚胎发育和细胞分化中也发挥着重要作用。
 
  但过高的胆固醇水平会诱发多种疾病,如动脉粥样硬化和冠心病等[1].研究表明,通过饮食摄入过多的胆固醇是导致高胆固醇血症的主要原因,因此,有关胆固醇吸收的研究是目前脂类代谢领域的热点之一,了解小肠胆固醇吸收相关关键蛋白及其调节机制有助于全面了解胆固醇吸收的过程。本文主要对小肠胆固醇吸收相关蛋白的研究进展进行了综述。
 
  1 胆固醇在小肠的吸收过程
 
  小肠是胆固醇吸收的主要场所,肠腔中的胆固醇主要来源于食物、胆汁及小肠黏膜的分泌。胆汁来源的胆固醇为游离胆固醇,可以被小肠黏膜直接吸收,而食物中的胆固醇部分以胆固醇酯形式存在,必须经胆固醇酯酶水解为游离胆固醇后才能被吸收。参与小肠胆固醇吸收的蛋白众多,其中尼曼 - 匹 克 C1 型 类 似 蛋 白 1 ( Niemann-Pick C1 like 1,NPC1L1) 主要介导小肠对胆固醇的吸收,小肠吸收的游离胆固醇在酰基辅酶 A-胆固醇酰基转移酶 2[acyl-coenzyme A( CoA) ∶ cholesterol acyltransferase 2,ACAT2]的催化下重新形成胆固醇酯并经淋巴液进入血液循环,而未被酯化的胆固醇则通过 ATP 结合盒转运蛋白 G5/G8[ATP-binding cassette( ABC) transporters G5/G8,ABCG5/ABCG8]分泌入肠腔随粪便排出体外,转录因子肝 X 受体( liver X receptor,LXR) 通过调节 NPC1L1 和 ABCG5/ABCG8 的表达参与了小肠胆固醇吸收的调节。
 
  2 胆固醇吸收过程中的关键蛋白
  
  2. 1 NPC1L1 蛋白
 
  NPC1L1 起初被认为是尼曼 - 匹克 C1 蛋白 ( Niemann-Pick C1,NPC1) 的同源物[2],NPC1 缺乏会引起游离胆固醇在神经元溶酶体内的聚集从而引起神经变性和早产儿死亡[3,4],但是其功能一直不为人所知。2004 年,Altmann 等[5]发现,NPC1L1 蛋白是参与小肠胆固醇吸收的重要蛋白,其功能才为人们所认识。人类 NPC1L1 基因位于染色体 17P13,全长 29 kb,编码 5 kb mRNA,NPC1L1 蛋白由 1332 个氨基酸残基组成[2,5,6].如图 1 所示,如同其同源物 NPC1,NPC1L1蛋白也有一个典型的信号肽区域,含有 13 个跨膜区和 3 个大的胞外区段[7,8],其中第 1 个胞外区段为 NPC1L1 蛋白的NH2端。研究表明,在 NPC1L1 蛋白的 NH2端存在一个富含半胱 氨 酸 的 氨 基 端 结 构 域 ( N-terminal domain,NTD) ,NPC1L1 蛋白通过 NTD 结合胆固醇,如果其 NTD 缺失则不能促进胆固醇的吸收[9,10]; 第 2 个胞外区为胆固醇吸收抑制剂依折麦布( ezetimibe) 的结合位点[11].在 NPC1L1 蛋白的3 个胞外区段存在多个 N-糖基化位点,成熟的 NPC1L1 蛋白经过大量的糖基化修饰,这种修饰使得 NPC1L1 蛋白不易被胆汁和小肠消化液中的酶所分解[12],如果糖基化位点发生突变会影响 NPC1L1 蛋白的成熟和功能[13].此外,NPC1L1蛋白还有一个固醇感应结构域( sterol sensing domain,SSD) .NPC1L1 在哺乳动物空肠和回肠的小肠上皮细胞的刷状缘膜表达丰富,在小肠的胆固醇吸收中发挥重要作用,在人类和灵长类动物的肝脏中也有表达,主要参与胆汁中胆固醇的重吸收。NPC1L1 基因敲除小鼠的小肠胆固醇吸收水平降低了 70%,并且对 NPC1L1 抑制剂 ezetimibe 治疗不敏感,它与 ezetimibe 治疗的野生型小鼠同样表现出抗高脂血症的特点[5,14].最近有研究发现,ezetimibe 同样可以降低高脂喂养的斑马鱼的胆固醇水平[15],这些研究结果均表明 NPC1L1在小肠胆固醇吸收的过程中扮演了重要角色,但是 NPC1L1介导胆固醇吸收的机制尚不完全明确。研究发现,NPC1L1通过囊泡内吞介导胆固醇的吸收,而且 NPC1L1 可以在内吞循环体( endocytic recycling compartment,ERC ) 和质膜之间循环移动。当胆固醇缺乏时,NPC1L1 从 ERC 转移至质膜介导外源胆固醇吸收[16],NPC1L1 转运至质膜时需要 MyoVb.
 
  Rab11a. Rab11-FIP2 复合物的参与[17].最近的研究发现,Cdc42 也参与了这一过程,当敲除 Cdc42 后 NPC1L1 不能转运至质膜[18].细胞吸收外源胆固醇时首先由 NPC1L1 蛋白和 flotillins 蛋白形成富含胆固醇的 NPC1L1-flotillins-胆固醇膜微小结构域,进而通过 clathrin/AP2 介导的囊泡内吞完成胆固醇的吸收[19].ezetimibe 正是通过结合至 NPC1L1,解离NPC1L1-flotillins 复合物,阻止 NPC1L1 的内吞从而抑制胆固醇的吸收[20].研究发现,NPC1L1 蛋白的 C 端存在一个特异的内吞序列 YVNXXF,而 Numb 蛋白可以与该序列结合从而介导 NPC1L1 和 胆 固 醇 的 内 吞,当 Numb 蛋 白 敲 除 后,NPC1L1 的内吞和胆固醇的吸收明显减少。另外,当胆固醇缺乏时,NPC1L1 蛋白 NTD 结合胆固醇后发生构象变化,其C 端的内吞序列从质膜中暴露出来,结合 Numb,进而招募AP2 和网格蛋白等,起始 NPC1L1 的内吞[21,22].研究表明,人群中胆固醇的吸收效率从 29% 至 80% 不等。Cohen 等[23]发现,NPC1L1 蛋白一些非同义序列突变与胆固醇的吸收效率相关,Fahmi 等[24]鉴定出了这些突变序列。进一步的研究发现,其中有 8 个突变序列 ( L110F,R306C,A395V,G402S,T413M,R693C,R1214H,R1268H)可以部分介导细胞胆固醇的吸收,被定义为部分功能缺失型突变体,另有 11 个突变序列( T61M,N132S,D398G,R417W,G434R,T499M,S620C,I647N,G672R,S881L,R1108W) 则完全不能介导胆固醇的吸收,被定义为完全功能缺失型突变体[12].
 
  2. 2 ABCG5 /ABCG8 转运蛋白
 
  ATP 结 合 盒 转 运 蛋 白 超 家 族 [ATP-binding cassette( ABC) transporters superfamily]在体内胆固醇的代谢中发挥1源性可分为 7 个 ABC 转运蛋白亚家族,分别命名为 ABCA ~ABCG.ABCG5 和 ABCG8 蛋白属于 ABCG 的成员,G 亚家族还包括 ABCG1、ABCG2 和 ABCG4.人 ABCG5 和 ABCG8 基因以头对头的方式定位于 2 号染色体 2p21,二者第一个内含子间只相隔 140 个碱基,均含有 13 个外显子和 12 个内含子,分别编码 ABCG5 和 ABCG8 蛋白。与其他 ABC 转运蛋白分别含有 2 个跨膜域( transmembrane domain) 和 2 个核苷酸结合域( nucleotide binding domain,NBD) 不同,ABCG5 和ABCG8 蛋白只含有 1 个跨膜区和 1 个 NBD,而 NBD 包含 2个保守肽序列( 图2) ,因此,ABCG5 和 ABCG8 蛋白属于 ABC半转运蛋白,当它们单独表达时是无生理功能的半转运蛋白,二者必须相互结合形成异二聚体才能发挥其生理作用[25].研究表明,ABCG5 和 ABCG8 在内质网形成异二聚体,然后转移至高尔基体并最终迁移至质膜,当异二聚体中任何一个半转运蛋白表达缺乏时,都会引起另一个半转运蛋白在内质网的聚集并影响其迁移至质膜[26].
 
  ABCG5 和 ABCG8 蛋白主要在小肠上皮细胞的刷状缘膜和肝细胞的小管膜表达[26].最近的研究发现,在人类胆囊上皮细胞的顶点也有表达,它们在人类胆固醇相关的胆结石疾病中的表达升高[27].ABCG5/ABCG8 可以将小肠吸收的游离胆固醇逆转运回肠腔。有文献报道,NPC1L1 敲除的小鼠每天可以通过 ABCG5/ABCG8 通路排出 4 μmol 胆固醇[28],小鼠 ABCG8 基因的缺失明显升高了小肠对谷固醇和胆固醇的吸收[29],小鼠 ABCG5 和 ABCG8 过表达则会降低谷固醇和胆固醇的吸收[30].此外,研究表明在近交系小鼠中,只有空肠和回肠的 ABCG5 和 ABCG8 的表达与胆固醇的吸收呈负相关[31].这些结果都表明,小肠ABCG5/ABCG8通过逆转运小肠吸收的胆固醇降低了小肠胆固醇的吸收。
 
  研究表明,ABCG5 和 ABCG8 基因的多态性与胆固醇的吸收相关,携带 ABCG8. p. D19H 等位基因的个体,ABCG5 和ABCG8 的表达与对照组相比并无差异,但是胆固醇的吸收相比对照组降低了 24%[32].在患高血脂的日本人群中,携带ABCG8 M429V 突变体的个体血清谷固醇水平明显升高[33].
 
  2. 3 ACAT2 蛋白
 
  ACAT 是一种膜结合蛋白,在细胞内催化游离胆固醇和长链脂肪酸形成胆固醇酯,进而形成乳糜微粒并通过淋巴液进入血液循环。在哺乳动物中,ACAT 有 2 个亚型: ACAT1和 ACAT2,分别由不同的基因编码。编码人 ACAT1 蛋白的基因位于 1 号和 7 号染色体,并分别含有 2 个不同的启动子P1 和 P7,而 ACAT2 基因定位于 12 号染色体,由 15 个外显子和 13 个内含子组成,编码相对分子质量为 46 × 103大小的 ACAT2 蛋白。
 
  ACAT1 在全身各组织均有分布,而 ACAT2 主要分布于肝细胞和小肠上皮细胞,催化胆固醇与长链脂肪酸形成胆固醇酯,在生物体胆固醇的代谢中发挥重要作用。很多研究已经表明,ACAT2 参与了小肠对胆固醇的吸收。Zhang 等[34]以 ACAT2SI - / SI -( 小肠 ACAT2 基因特异敲除) 和 ACAT2L - / L -( 肝 ACAT2 基 因 特 异 敲 除) 小 鼠 为 研 究 对 象,发 现ACAT2SI - / SI -小鼠小肠胆固醇吸收减少,而且小肠胆固醇酯的聚集也降低,同时两种小鼠的肝胆固醇聚集均减少。此外,两种基因敲除小鼠均表现出抗饮食引起的高胆固醇血症和抗动脉硬化的趋势。有人发现,敲除 ACAT2 基因后小鼠小肠的胆固醇吸收效率降低,而且表现出抗动脉粥样硬化趋势[35,36].
 
  3 小肠胆固醇吸收的调节
 
  小肠胆固醇的吸收水平受多种因素的调节,当胆固醇水平升高时,小肠对胆固醇的吸收降低,除此之外,转录因子在小肠胆固醇吸收过程中发挥了重要的调节作用。
 
  LXR 是一种配体激活的转录因子,属于核受体超家族,其中 LXRα 和 LXRβ 参与体内胆固醇代谢的调节。在 Caco-2 细胞和小鼠小肠中,LXRα/β 可以下调 NPC1L1 的表达[37],选择性地激活小鼠小肠 LXRα 后胆固醇的吸收降低,小肠 NPC1L1mRNA 水平降低[38].ABCG5 和ABCG8 同样是 LXRα/β 的直接靶基因,LXRs 激动剂刺激野生型小鼠后,肝和小肠 ABCG5/G8mRNA 表达上调[39,40].此外,微粒体甘油三酯转运蛋白( mi-crosomal triglyceride transfer protein,MTTP) 敲除的小鼠给予LXR 激动剂刺激后小肠胆固醇吸收降低[41].
 
  除转录因子 LXR 外,其他的转录因子同样可以调节胆固醇的吸收。有研究发现,caco-2 细胞转染外源性的 CDX2和 HNF1α 后,ACAT2 的表达增加,采用 RNA 干扰技术抑制caco-2 细胞内源性 CDX2 和 HNF1α 的表达后 ACAT2 的表达降低。在 HepG2 细胞中,CDX2 表达升高的同时 ACAT2 的表达也同样升高[42],利莫那班( rimonabant) 则可以同时抑制ACAT1 和 ACAT2 的表达[43].
 
  4 展望
 
  目前,高血脂已成为人们普遍关注的健康问题,由此引发的动脉粥样硬化和冠心病等疾病成为引起死亡的主要原因,降胆固醇药物的研究是当今医学研究的热点问题之一。
 
  迄今为止,批准上市的胆固醇吸收抑制药物只有 ezetimibe,在临床上 ezetimibe 与他汀类药物联合应用相比单一使用他汀类药物可以更好地降低血清 LDL 的水平,但是 ezetimibe会引起血清转氨酶升高以及肝炎等不良反应[44].分析和归纳小肠胆固醇吸收相关蛋白的最新研究进展,我们可以寻找新的胆固醇吸收抑制剂的作用靶点,例如: ①小肠 LXR 的特异激动剂; ②ABCG5/ABCG8 激动剂; ③抑制 NPC1L1 与胆固醇的结合或抑制 NPC1L1 在质膜和内吞循环体之间的转运;④通过抑制 ACAT2 的表达降低胆固醇的酯化。这些都可能成为未来胆固醇吸收抑制剂的作用靶点,并通过后续的药物筛选策略,开发出新型的降脂药物。
 
  【参考文献】
 
  [1] Barton M. Cholesterol and atherosclerosis: modulation by oestro-gen[J]. Curr Opin Lipidol,2013,24( 3) : 214 - 220.
  [2] Davies JP,Levy B,Loannou YA. Evidence for a Niemann-Pick C( NPC ) gene family: identification and characterization ofNPC1L1[J]. Genomics,2000,65( 2) : 137 - 145.
  [3] Carstea ED,Morris JA,Coleman KG,et al. Niemann-Pick C1 dis-ease gene: homology to mediators of cholesterol homeostasis[J].Science,1997,277 ( 5323) : 228 - 231.
  [4] Loftus SK,Morris JA,Carstea ED,et al. Murine model of Nie-mann-Pick C disease: mutation in a cholesterol homeostasis gene[J]. Science,1997,277 ( 5323) : 232 -235.
  [5] Altmann SW,Davis HR Jr,Zhu LJ,et al. Niemann-Pick C1 like 1protein is critical for intestinal cholesterol absorption[J]. Sci-ence,2004,303( 5661) : 1201 - 1204.
  [6] Yu L,Bharadwaj S,Brown JM,et al. Cholesterol-regulated trans-location of NPC1L1 to the cell surface facilitates free cholesteroluptake[J]. J Biol Chem,2006,281( 10) : 6616 - 6624.

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