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蔡德丰, 陆元善. 硬脂酰辅酶A去饱和酶1与能量代谢相关研究. 2009, 24(3): 237-240
  
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硬脂酰辅酶A去饱和酶1与能量代谢相关研究
蔡德丰, 陆元善
上海交通大学附属第一人民医院检验科,上海 200080

作者简介:蔡德丰,男,1979年生,学士,技师,主要从事血脂代谢相关疾病研究。

摘要
关键词: 硬脂酰辅酶A去饱和酶1; 能量代谢; 一磷酸腺苷-激活蛋白激酶
中图分类号:Q556 文献标志码:A 文章编号:1673-8640(2009)03-0237-04

硬脂酰辅酶A去饱和酶1(stearoyl-Co A desaturase 1, SCD1)是催化单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acid, MUFA)形成的限速酶, MUFA 从其前体饱和脂肪酸经NADH 依赖的黄素蛋白细胞色素b5还原酶、细胞色素b5 和SCD 3种物质组成的酶系催化, 无氧氧化而来。SCD1催化棕榈酰辅酶A和硬脂酰辅酶A为棕榈油酰辅酶A和油酰辅酶A 。棕榈油酰辅酶A和油酰辅酶A是膜磷脂、三酰甘油酰、胆固醇酯、蜡酯和烷基2, 3-甘油二酯的生物合成的主要底物[1]。SCD1的活性受到发育、饮食、激素、温度等多种途径的调节。但对其调节机制的认识仍相当局限。目前较为清楚的是多不饱和脂肪酸主要通过固醇调节元件结合蛋白1c(SREBP-1c)依赖途径抑制SCD1活性。给予高多不饱和脂肪酸饮食的大鼠, 其SREBP-1c的mRNA及蛋白水平下降, 同时伴随SCD1的mRNA及蛋白水平下降。此外, 高胆固醇饮食可激活大鼠SREBP-1c表达, 从而诱导SCD1表达升高。目前的研究发现SCD1在能量代谢方面有着更为重要的意义。SCD1基因敲除模型小鼠体重减轻、肝脏脂质沉积明显减少, 脂肪酸β 氧化酶的基因上调, 脂肪酸β 氧化增强、脂肪酸合成下降及血脂水平明显降低, SCD1在脂肪酸代谢和能量代谢平衡中有着重要的调节作用。目前研究发现了几种可能的调节机制, SCD1基因敲除及突变小鼠肝脏中的一磷酸腺苷-激活的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)出现磷酸化并且活性升高; 非酒精性脂肪肝SCD1表达下调, 通过脂凋亡, 对线粒体结构和功能造成损伤; 通过与3-磷酸-甘油酰基转移酶(GPAT)竞争底物, 调节脂肪酸氧化, 影响能量代谢。我们主要就SCD1在肌肉组织及肝脏能量代谢中作用及其机理进行综述, 阐明SCD1和能量代谢的关系对肥胖、脂肪肝等代谢综合征疾病的预防、治疗具有重要的意义, 同时也给临床药物开发提供了理论指导和合理的监测指标。

一、SCD1缺陷通过激活AMPK增加脂肪酸的氧化

1.SCD1缺陷通过激活AMPK增加脂肪酸氧化的机制 肝脏SCD1功能丧失, 脂肪酸β 氧化的酶基因表达上调, 而合成酶基因表达下调[2]。目前, SCD1靶向敲除导致脂肪酸氧化增强的作用机理还不清楚。但研究发现SCD1的缺陷可激活AMPK, 活化的AMPK使乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase, ACC)磷酸化增加, 活性下降, 引起丙二酸单酰辅酶A水平的降低; 激活肉碱棕榈酰转移酶1(carnitine palmitoyltransferase 1, CPT1)的活性, 使脂肪酸进入线粒体转运增加和脂肪酸氧化增强。所以AMPK可看作是监测细胞能量状态的一种量度[3]。线粒体肉碱系统在脂肪酸β 氧化中起到决定性的作用。CPT1催化长链脂酰辅酶A酯化为脂酰肉碱, 后者在肉碱-脂酰肉碱转移酶作用下转运至线粒体进行脂肪酸的氧化。脂酰肉碱结合物在线粒体内通过肉碱棕榈酰转移酶2(carnitine palmitoyltransferase 2, CPT2)的作用又转化为脂酰辅酶A, 完成了脂肪酸到线粒体的转运, 进行β 氧化。丙二酸单酰辅酶A是CPT1的变构抑制剂。在能量过剩的情况下, 丙二酸单酰辅酶A的增加抑制了CPT1的活性, 抑制了脂肪酸氧化, 能量得以贮存; 在高能耗和能量不足的情况下, 丙二酸单酰辅酶A水平降低, 脂肪酸氧化水平上调, 释放能量。研究发现, SCD1缺陷小鼠和野生型小鼠对照组相比, 肝脏丙二酸单酰辅酶A的水平降低约2倍, 并且CPT1反馈抑制丙二酸单酰辅酶A的敏感性较野生型小鼠低, CPT1基因表达上调, CPT1和CPT2的活性显著增加[2]。充分说明SCD1缺陷, 激活AMPK, 脂肪酸氧化增强。ACC和丙二酸单酰辅酶A脱羧酶活性的改变能调节丙二酸单酰辅酶A的形成。ACC的活性受多种机制调控:聚合度、柠檬酸盐和谷氨酸盐的变构调节及磷酸化和去磷酸化的共价修饰[4]。目前发现有几种蛋白激酶可催化ACC磷酸化, 导致酶失活。在完整肝细胞内, 这种作用是通过AMPK所介导。AMPK通过催化ACC 79位丝氨酸磷酸化使其灭活, 即使在ACC1和ACC2蛋白水平较低时, SCD1缺陷鼠肝脏ACC的79位丝氨酸也有较高度的磷酸化。

2. SCD1缺陷激活AMPK增加脂肪酸氧化机制中重要调节因素 (1)胰岛素:研究表明, 胰岛素通过对ACC去磷酸化, 促进ACC快速活化, 胰高血糖素则抑制着这种效应; SCD1缺陷鼠表现为胰岛素水平降低和胰高血糖素水平的升高[5], 这种联合效应使AMPK激活, ACC磷酸化增加, 脂肪酸氧化增强; (2)饱和脂酰辅酶A:SCD1缺陷鼠中饱和脂酰辅酶A变构抑制ACC, 丙二酸单酰辅酶A水平降低, 脂肪酸氧化增强; SCD1缺陷鼠和ACC2缺乏鼠表现结果相似, 肝脏、心脏、骨骼肌脂肪酸氧化增加[3]; (3) 瘦素:瘦素效应可能也与AMPK系统相关, 现已证明瘦素可直接或间接活化骨骼肌和白色脂肪细胞[6]的AMPK, 瘦素对AMPK的活化的机制还不清楚; SCD1缺陷鼠肝脏AMPK活化与瘦素依赖相关, 瘦素可增加AMPK磷酸化和酶的活性, 使ACC磷酸化增加而失活, 增加脂肪酸氧化; (4)能耗和应激:SCD1缺陷活化AMPK的机制还不清楚, AMPK活性与AMP/ATP比有关, 在高能量消耗的状态和应激环境中, ATP的合成被抑制, AMP/ATP比率升高使AMPK活化。在剧烈运动状态下, 肝脏、脂肪组织、肌肉等组织中的AMPK和ACC、丙二酸单酰辅酶A脱羧酶、3-磷酸-甘油酰基转移酶(glycerol-3-phosphate Acyltransferase, GPAT)活性升高。这些结果说明, 脂肪酸代谢的变化可能是由于ATP的消耗而造成AMP的浓度增加, 进而导致AMPK的活化[7]。

二、SCD1通过损伤线粒体引起能量代谢改变

对非酒精性脂肪肝患者及动物实验研究发现, 脂肪沉积的肝脏ATP储存能力下降[8], 导致肝细胞对氧应激的反应下降, 加重游离脂肪酸(free fatty acids, FFA)对肝细胞的损伤。在ob/ob小鼠中, SCD1功能缺乏可通过增加AMPK的磷酸化和CPT I mRNA水平和活性, 提高β 氧化的速率。同时, 降低丝氨酸棕榈酰转移酶(serine palmitoyltransferase, SPT)的mRNA水平及活性, 降低神经酰胺的合成, 发挥抗脂毒性作用[9]。内源性产生的神经酰胺是软脂酸诱导的胰岛素抵抗和凋亡所必需的。在大鼠非酒精性脂肪肝模型中能够明显观察到肝细胞的超微结构, 特别是线粒体受到不同程度的损坏。用高脂饮食喂养SD大鼠, 其肝脏SCD1表达的下调在第8周就表现出差异, 而肝脏ATP含量及电镜下线粒体结构的改变在16周时有明显差异, 可能与SCD1表达下调引起细胞内棕榈酰辅酶A水平升高[10], 神经酰胺的合成增加有关。对中国昌鼠卵巢细胞的研究发现, SCD的主要产物油酸在细胞内神经酰胺的合成起重要的调节作用。细胞内神经酰胺水平的升高通常发生在线粒体凋亡阶段之前。线粒体是神经酰胺介导的凋亡的靶器官, 在细胞凋亡中起主要的调节作用。神经酰胺的合成位于胞浆内的内质网表面, 可通过内质网膜与线粒体膜的近距离接触直接由内质网输入, 对线粒体亚结构成份的研究发现其内、外膜也具有合成神经酰胺的能力[11]。线粒体内膜的神经酰胺可通过抑制呼吸链的复合物I和III, 或增加过氧化氢的生成, 直接与线粒体的电子-传递链相互作用, 降低ATP的合成和能量储存。

三、SCD1通过 3-磷酸-甘油酰基转移酶对脂肪酸氧化抑制

GPAT是生物中普遍存在的一种酶, 其功能是催化三酰甘油(TG)和磷脂合成的第一步。GPAT-腺病毒转染鼠肝细胞发现过量表达的线粒体GPAT(mtGPAT)可导致TG和甘油二脂聚积, SCD1表达显著增加, 脂肪酸的氧化被抑制[12]。mtGPAT的过度表达伴随着单不饱和脂肪酸的增加表明了SCD1和mtGPAT存在着密切的关系, 但mtGPAT的过度表达上调SCD1的机制还不清楚。通过对固醇调节元件结合蛋白-1(SREBP-1)、过氧化物酶体增生物激活受体(PPARα )等几种脂肪合成相关转录因子测定, 发现他们的表达不受mtGPAT的影响[12]。所以这种机制与PPARα 和SREBP-1没有关系。另外, mtGPAT过度表达并没有影响肝脏的丙二酸单酰辅酶A、ACC的表达, ACC、丙二酸单酰辅酶A与CPT-1的激活密切相关 [9]。脂肪酸氧化水平的显著降低预示着mtGPAT和CPT-1对脂酰辅酶A作用存在着一种竞争的关系, 他们都存在于线粒体的外膜。所以, mtGPAT能够逆转脂酰辅酶A的氧化作用, 促进TG的合成。预示了GPAT抑制脂肪酸氧化和SCD1之间存在密切关系。

四、SCD1对骨骼肌热产生的控制

Mainieri等[13]对半饥饿喂食的大鼠模型进行了研究, 发现热产生的抑制及SCD1表达上调。SCD1可能通过调节膜脂质组成, 对脂肪信号分子和膜脂肪酸修饰, 改变了多重调节酶和膜蛋白的活性, 从而通过细胞效应系统调节热产生[14]。MUFA和饱和脂肪酸(saturated fatty acid, SFA)对ACC均有抑制作用, 但饱和脂肪酸的抑制作用更为显著[14]。半饥饿喂食的大鼠骨骼肌SCD1上调使MUFA增加, 对ACC的抑制作用减弱, 丙二酸单酰辅酶A生成相对增加, 由于丙二酸单酰辅酶A是CPT1穿梭系统抑制因子, 从而控制了脂肪酸转运至线粒体和进一步的氧化[13], 能量得以贮存。另外, Mainieri等[13]还发现半饥饿喂食下大鼠的瘦素、T3、 T4及第二信使cAMP表达下降, 这些因素活化了SCD1的表达, 从而通过上述机制抑制热产生, 所以认为激素效应联合抑制了脂肪酸的氧化[15]。通过激素效应、基因的变异、基因敲除[2]或利用特异的反义寡核苷酸[16]控制SCD1的表达, 为治疗肥胖及并发症提供启示。

五、SCD 1缺陷在温度差异下的能量代谢调节

SCD1缺陷鼠表现为能耗的增加, 为证明能耗是否用于热产生, 设计了SCD1缺陷对基础温度和冷环境诱导的热产生影响。基础温度下, SCD1缺陷鼠棕色脂肪组织(BAT)中的解偶联蛋白(UCP1)表达增加, β 3肾上腺素能受体(β 3-adrenergic receptor, β 3-AR)、cAMP效应元件结合蛋白(CREB)磷酸化、过氧化物酶体增殖子激活的γ 受体共活化物-1α (PGC1α )水平增加。β 3-AR mRNA和蛋白水平表达增加表明上述效应可能与β 3-AR特异的信号途径有关[17]。CREB为β 3-AR下游主要调节因子, 其133位丝氨酸残基的磷酸化促进了去甲肾上腺素能的活化, 促使UCP1基因表达; 由于PGC1α 强烈的共活化几种核受体(PPARα 、PPARγ 、视黄酸受体、甲状腺激素受体)与UCP1增强子紧密相连, PGC1α 水平增加同时也增加了UCP1基因的表达。UCP1的表达上调促进了激素敏感性脂肪酶表达增加, 脂解作用增强, 血浆FFA水平升高。由于SCD1缺陷激活了线粒体外膜CPT1的表达, 细胞质中FFA在CPT1的影响下, 脂肪酸氧化水平升高, 促进热的产生。在4 ℃环境中, SCD1缺陷鼠表现为低体温、低血糖、肝糖原衰竭[17]。表明在冷的环境中, 上述基础温度下UCP1对热产生诱导的机制并不存在, 在冷环境中存活依赖着能量消耗的增加和从能量贮存库、肝糖原和脂肪组织而来的稳定的底物动员[17]。

六、临床医学中应用前景

SCD1是催化饱和脂肪酸向单不饱和脂肪酸转变的关键酶, 与肥胖、脂肪性肝脏病变和胰岛素抵抗等一系列的代谢综合征的发生、发展密切相关, 因而研究SCD1的表达、调控可能为临床脂代谢紊乱相关疾病的诊断和治疗效果的监测提供了一个十分重要的实验室指标, 在临床医学中有广阔的应用前景。因SCD1主要存在于内质网膜, 目前对体内SCD1的检测主要采用测定血脂不饱和指数(不饱和脂肪酸/饱和脂肪酸比值)或通过分子生物学方法对细胞内SCD1 mRNA表达水平进行检测。

综上所述, SCD1在能量代谢中起了重要的作用。通过对SCD1和能量代谢关系的研究, 可以更清楚的了解SCD1在能量代谢中的机制, 从而为临床靶向调节能量代谢和避免脂毒性, 预防或治疗肥胖、脂肪性肝脏病变及糖尿病等一系列代谢综合症提供基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

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