综述|胆固醇稳态的机制与调控

理解

胆固醇（cholesterol）是哺乳动物体内含量最丰富的甾醇类分子，是细胞膜的基本组分之一，能与邻近脂类分子作用调节膜的刚性、流动性和渗透性，或与跨膜蛋白结合维持或改变后者的构象。胆固醇也是氧化甾醇和甾醇类激素的必备合成前体。此外，胆固醇还能共价修饰Hedgehog及其下游的Smoothened蛋白，确保胚胎正常发育。胆固醇代谢平衡对维持细胞和机体的生命活动至关重要，胆固醇代谢异常与心脑血管疾病、神经退行性疾病及肿瘤等的发生密切相关。

“Mechanisms and regulation of cholesterol homeostasis”的综述论文，全面总结了目前有关胆固醇合成、吸收、外排和酯化的最新进展，对各个过程及核心调控机制进行了详细的介绍，最后讨论了这些途径如何协同作用以维持胆固醇稳态

武汉大学生命科学学院宋保亮教授在Nature Reviews Molecular Cell Biology在线发表

胆固醇合成调控

几乎所有的动物细胞都能合成胆固醇。肝脏合成的胆固醇约占总合成量的一半。胆固醇生物合成需要消耗大量的能量和营养物质，例如ATP、乙酰辅酶A及还原剂NADPH等。甾醇调节元件结合蛋白2（SREBP2），以及两种限速酶HMGCR和SM是胆固醇合成的关键调控因子。

01、SREBP2的调控

在哺乳动物SREBP1a、SREBP1c和SREBP2中，SREBP2负责选择性调控编码胆固醇生成相关酶的基因。SREBP2以蛋白质前体的形式在内质网(ER)上合成的，以两次跨膜的方式形成发夹结构，其N端和C端都位于细胞内侧，在ER中，SREBP2与SREBP裂解激活蛋白(SCAP)相互作用（与其C端结合）。SREBP2需要转移到高尔基体才能激活。当 ER 胆固醇耗尽时，SCAP蛋白构象处于“关闭”状态（即SCAP 的 环 1 和 环 7 相互作用），使得其MELADL序列被COPII囊泡识别并结合。SCAP-SREBP 复合物离开 ER，通过PAQR3锚定到高尔基体上。然后，SREBP2 通过并在那里经过S1P和S2P两步剪切，释放出具有转录活性的N端（即nSREBP2），入核从而激活一系列下游基因的表达。ER 中的胰岛素诱导基因 （INSIG） 蛋白由于与 SCAP 解离，被 gp78（也称为 AMFR）和 TRC8（也称为 RNF139）泛素化，并被（proteasome）蛋白酶体降解；另外胆固醇耗竭还阻止甲羟基戊二酰辅酶 A 还原酶 （HMGCR） 与 INSIGs-E3 连接酶复合物结合，并阻止角鲨烯单加氧酶 （SM） 与另一种 E3 泛素连接酶 MARCH6 结合，从而稳定 HMGCR 和 SM 以支持胆固醇生物合成（图 2a）

图2a 胆固醇消耗

当 ER 胆固醇水平高时，SCAP 募集 INSIGs，使SCAP蛋白构象处于“打开”状态（即导致 环1 和 环7 分离），COPII 囊泡与 SCAP 分离。SCAP-SREBP2-INSIG 复合物通过直接与 ERLIN结合 或 TRC8 以及 RNF145 对 SCAP 的泛素化进一步保留在 ER 中。甾醇还诱导 INSIGs-E3 连接酶复合物与 HMGCR 结合和 MARCH6 与 SM 结合。泛素化的 HMGCR 和 SM 最终通过 ER 相关降解 （ERAD） 在蛋白酶体中降解。 此外，香叶基香叶醇（GGOH）能促进HMGCR降解。在甾醇存在的情况下，含 UbiA 异戊二烯转移酶结构域的蛋白 1 （UBIAD1） 与 HMGCR 结合，阻止其通过 ERAD 被去除。然而，当产生足够的香叶基香叶醇 （GGOH） 时，UBIAD1 从 ER 转移到高尔基体，不再与 HMGCR 相互作用，从而加速 HMGCR 降解。施耐德角膜营养不良症相关的异戊烯转移酶UBIAD1突变体因为滞留在内质网上，竞争性抑制INSIG介导的HMGCR降解，从而增加角膜胆固醇合成，导致角膜病变（图2b）。

图2b 胆固醇补充

02、nSREBP2蛋白的调控

在细胞核中，细胞核 SREBP2 (nSREBP2)的蛋白水平被 脂蛋白1（lipin 1）下调，蛋白质激酶复合体mTORC1可通过磷酸化lipin1并阻止其入核从而上调nSREBP2蛋白表达量。相反，碳水化合物反应元件结合蛋白 ChREBP能以某种未知的机制促进nSREBP2泛素化降解。丝氨酸/苏氨酸激酶GSK3 磷酸化nSREBP2，FBW7泛素连接酶复合物可介导被GSK3磷酸化的nSREBP2的降解。nSREBP2 还可被组蛋白乙酰转移酶 p300 及其相关蛋白 CBP 乙酰化，或被 ERK 蛋白磷酸化，以提高转录活性。Sirtuin 1 （SIRT 1） 可以使 nSREBP2 脱乙酰并抵消 p300 和 CBP 的刺激作用。SUMO1 介导的 SUMO化 和 AMP 活化蛋白激酶 （AMPK） 介导的磷酸化抑制 nSREBP2 的转录活性。此外，叉头盒 O3 （FOXO3） 通过结合保守的胰岛素反应元件 （IRE） 并募集去乙酰化酶SIRT6 在 SREBP2 启动子处使组蛋白 H3 脱乙酰化来抑制 SREBP2 表达（图2c）。

图2c nSREBP2 蛋白的翻译后修饰

胆固醇摄取的调控

除了生物合成外，饮食和随后从血液中摄取的胆固醇在维持胆固醇稳态方面也起着关键作用。主要包括NPC1L1介导的从肠道吸收胆固醇和LDL-R介导的从血液中摄取含有LDL颗粒(LDL-C)的胆固醇。

01、NPC1L1介导的胆固醇摄取

NPC1L1作为胆固醇吸收的关键介质，包括3个大的胞外结构域，13个跨膜片段和一个短的细胞质C端尾，肠腔或胆汁中的胆固醇结合在NPC1L1的N端结构域，这导致NPC1L1的构象改变，暴露C端内吞基序，这被NUMB蛋白识别，这促进NPC1L1的内吞作用。由此产生的网格蛋白包被的囊泡沿着肌动蛋白丝迁移到ERC(内吞循环室)。胆固醇究竟是如何从ERC输送到内质网是未知的。在胆固醇消耗后，NPC1L1迅速转移到膜上，胆固醇补充后，胆固醇、浮子蛋白和神经节苷脂形成特化膜微区，并导致NPC1L1的C端尾部从质膜解离，使得YVNxxF序列可供NUMB识别。形成包被小泡，随后生成内吞小泡，并沿肌动蛋白丝迁移至ERC。从ERC中，NPC1L1可以被回收到质膜中以供再次使用。这个过程需要LIMA1、小GTP酶CDC42、肌球蛋白Vb以及肌动蛋白丝。在稳态条件下，CDC42以结合GDP的非活性形式存在，并且与NPC1L1的相互作用较弱。在这种情况下，NPC1L1主要与另一个小GTP酶RAB11a和RAB11家族的相互作用蛋白2结合。胆固醇耗竭会促进形成结合GTP的活性CDC42，增加其与NPC1L1的亲和力，导致RAB11a从NPC1L1上解离，并使NPC1L1通过LIM结构域和 LIMA1（肌动蛋白结合蛋白1）与肌球蛋白Vb建立相互作用，并在肌动蛋白丝上从ERC转位回质膜。人体中NUMB蛋白、LIMA1及NPC1L1突变能减少小肠胆固醇吸收与血液LDL胆固醇（LDL-C）水平，降低心脑血管疾病发生率。

图3下 NPC1L1介导的胆固醇摄取

02、LDL-R介导的LDL内吞和LDL-C的降解

LDL-R负责将循环中胆固醇摄入周围细胞的细胞表面糖蛋白。由五个结构和功能不同的模块组成：一个N端的apoB和apoE结合域，一个大的表皮生长因子（EGF）前体同源结构域（包括两个EGF样重复结构（EGF-A、EGF-B）、一个六叶β螺旋桨结构和第三个EGF样重复结构（EGF-C））、一个富含O-连接寡糖的区域、一个单一的跨膜结构域和一个相对较短的C端尾部，其中包含一个高度保守的NPxY内吞信号序列。LDL-R同样由SREBP2所调控，也可以被甲状腺激素诱导，合成后要进行修饰，120 kDa要被糖基化成160 kDa，并定位于肝细胞和肠细胞基地外侧膜。血液中的LDL被细胞表面的LDL-R捕获，LDL-LDL-R复合体内化在网格蛋白包被的小坑中，其中包括适配蛋白ARH或DAB2。随着pH值的降低，LDL-R与LDL分离，LDL-R被CCC和WASH蛋白复合体再循环到表面进行额外的摄取。LDL进一步被运送到溶酶体（lysosome），携带的胆固醇酯(CEs)被水解成游离胆固醇(C)。胆固醇通过NPC2和NPC1的协同作用插入溶酶体的限制膜，然后被运送到下游膜，包括质膜和内质网(ER)。NPC1或NPC2突变会导致胆固醇在溶酶体异常堆积，引起 C型尼曼匹克病。ORP2( 氧甾醇结合蛋白相关蛋白2 )可将胆固醇从溶酶体传递到质膜。向内质网的转移发生在内质网溶酶体接触位点，并由ORP1L(氧化甾醇结合蛋白1L)介导。 过氧化物酶体（peroxisome）也参与胆固醇从溶酶体转运到内质网，通过 SYT7(溶酶体突触结合蛋白7)、PI(4,5)P2（磷脂酰肌醇4,5-二磷酸）和E-Syts( 内质网延伸突触结合蛋白)与两种细胞器形成膜接触位点。 PCSK9（蛋白转化酶枯草菌素/kexin 9型）属于分泌性丝氨酸蛋白酶家族，由一个前体结构域、一个催化结构域以及一个富含Cys和His残基的独特C端结构域组成。它在质膜上与LDL-R结合，并与LDL-R蛋白内化在网格蛋白包被的囊泡中。PCSK9-LDL-R相互作用随着内体pH的降低而增加，阻止LDL-R再循环回到表面。PCSK9-LDL-R复合物最终在溶酶体中降解。IDOL（也称为MYLIP）是一种E3泛素连接酶，由一个N端FERM结构域、一个短的连接区以及一个C端具有E3连接酶活性的RING结构域组成。IDOL使NPxY序列之后的两个残基上触发多泛素化，后被Epsin1内吞通过ESCRT复合物的活性被分选至溶酶体进行降解。LXRs与IDOL启动子结合并上调其表达，减少LDL-R丰度。

图3上 LDLR介导的LDL内吞和LDL-C的降解

胆固醇外排的调控

尽管所有哺乳动物细胞都能产生胆固醇，但大多数(肝细胞、肾上腺细胞和性腺细胞除外)不能分解代谢这种分子，因此需要将多余的胆固醇排出细胞。这里主要包括ABCA1和ABCG1以及肝细胞和肠细胞中ABCG5和ABCG8介导的胆固醇外排。

01、ABCA1和ABCG1介导的胆固醇外排

ATP结合盒亚家族A成员1（ABCA1）在全身广泛表达，在巨噬细胞中有特别重要的作用，能帮助清除多余胆固醇，防止它们转化成泡沫细胞，（泡沫细胞是指一种特化的巨噬细胞，主要在动脉粥样硬化过程中的病变部位形成。这些细胞的特征是细胞内蓄积大量的脂质，尤其是胆固醇和甘油三酯，从而使细胞呈现泡沫状外观。），因而具有保护动脉粥样硬化的功能。ATP结合盒亚家族G成员1（ABCG1）也在巨噬细胞和许多其他类型的细胞大量表达，但在肝细胞中含量低，在肠细胞中不表达。它是一个半转运体，与另一个ABCG1或ABCG4分子一起构成有功能的转运体。虽然已知ABCG1能介导胆固醇的外排，但是有关它如何在动脉粥样硬化中发挥作用并未达成一致。ABCA1介导胆固醇转运到血液中的载脂蛋白A-I (ApoA-I) ，产生新生的高密度脂蛋白(HDL)，这些脂蛋白颗粒在胆固醇酰基转移酶（LCAT）的作用下成熟，通过胆固醇的酯化形成成熟的HDL。这些HDL继而接受由ABCG1外排的胆固醇，导致HDL的产生。人的ABCA1基因突变会引起丹吉尔病。这导致血清中HDLs几乎完全缺失。很多组织，特别是巨噬细胞丰富的组织中有大量胆固醇酯累积。

图4上 ABCA1和ABCG1介导的胆固醇外排

02ABCG5和ABCG8介导的胆固醇外排

ABCG5和ABCG8几乎仅在肝细胞和肠细胞的顶端表面表达，形成一个异源二聚体，负责将中性甾醇（如植物甾醇和胆固醇）分别排泄到胆汁和肠腔中。ABCG5和ABCG8被认为能将胆固醇从胆小管膜的内层转移到外层，并通过胆盐提取胆固醇。研究表明，ABCG5和ABCG8的二聚体界面中存在一个胆固醇结合区域。此外，磷脂能够显著促进胆汁中胆固醇的分泌，因为磷脂增加了胆盐胶束对胆固醇的溶解能力。除了翻转胆固醇，它们还可能将胆固醇部分推进水相，便于胆盐–磷脂胆固醇胶束的吸收。然而，ABCG5和ABCG8介导的胆固醇外排的确切机制尚未完全明确。

图4下 ABCG5和ABCG8介导的胆固醇外排

胆固醇酯化的调控

除了将多余的胆固醇排出细胞之外，还会以胆固醇-甾醇酯的形式储存在脂滴中。胆固醇酯的形成是防止游离胆固醇在细胞中积累的另一个重要手段，这一途径由乙酰辅酶A胆固醇酰基转移酶ACAT介导的。它是细胞内催化游离胆固醇和长链脂肪酸形成胆固醇酯的唯一酶，对维持细胞胆固醇动态平衡起着重要作用。在哺乳动物中，存在两种ACAT基因，分别编码ACAT1和ACAT2。ACAT1在各种组织和细胞中广泛表达。它与一些严重的人类疾病，如动脉粥样硬化和老年痴呆症（AD）等密切相关，并被认为是治疗这些疾病的潜在靶标。胆固醇是ACAT1的变构激活剂，可以通过直接结合ACAT1使其活化，激活的ACAT1可酯化细胞内游离胆固醇并储存在脂滴之中。ACAT2在肝脏和小肠细胞中特异性表达，它介导的胆固醇酯化能增加小肠胆固醇吸收。ACAT2可被胆固醇激活，继而催化各种包含3-β羟基的甾醇或甾醇类似物的酯化。与ACAT1相比，它在酯化25-羟基胆固醇和胆汁酸衍生物的效率较胆固醇更高。过量的胆固醇诱导了胆固醇的输出和储存途径，并抑制了胆固醇的进一步生物合成。主要是以下三条途径：其一，胆固醇阻断NRF1这个转录因子进入细胞核，当NRF1无法进入细胞核时，LXR（肝脏X受体）的活性降低，当LXR活性降低时，MeXis的表达增加，MeXis的增加会促进ABCA1的转录，从而增加胆固醇的外排；其二，胆固醇阻断NRF1进入细胞核，降低LXR活性，LeXis表达增加，LeXis的增加会抑制RALY的表达，从而阻止SREBP2以及胆固醇合成基因的有效转录；其三，胆固醇阻断NRF1进入细胞核，降低LXR活性，也可以直接调控ABCA1、ABCG1、ABCG5、ABCG8等的蛋白表达，从而增加肝脏胆固醇的外排。

图4中 胆固醇酯化的调控

胆固醇调控通路的相互作用

为了达到胆固醇代谢平衡，其内源合成、外源吸收、外排与酯化必须严格被调控。当内质网上羊毛固醇、胆固醇及其衍生物累积时，HMGCR和SM被快速降解。高水平胆固醇也能诱导SCAP与INSIG结合， 抑制SREBP通路激活，从而阻止了一系列参与胆固醇合成（如：HMGCR和NADPH）和摄取（如：LDLR和NPC1L1）基因的表达。ABCA1的负调节因子miR-33的表达也能被胆固醇下调。胆固醇、氧化甾醇和链甾醇能激活LXR通路并上调ABCA1、ABCG1、ABCG5和ABCG8的转录，增加胆固醇外排。LXR激活能通过MeXis促进ABCA1的表达，也能通过LeXis抑制SREBP2的表达。LXR还能上调IDOL和RNF145的表达，前者介导LDLR的降解，后者介导SCAP和HMGCR的降解。此外，ACAT1和ACAT2可被过量的胆固醇变构激活，再连同LXR介导SREBP 1c激活生成的脂肪酸，将胆固醇转化为胆固醇酯储存。

图5 胆固醇代谢通路的互作

总结与讨论

在心血管疾病防治领域，胆固醇代谢的重要性日益凸显。他汀类药物作为经典的HMGCR（3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶）抑制剂，已被广泛应用于心血管疾病的一级和二级预防。然而，他汀类药物的疗效可能受到HMGCR蛋白代偿性增加的限制。依折麦布和PCSK9抑制剂的出现，为高脂血症患者带来了新的希望。它们能够进一步降低服用他汀类药物患者的LDL-C（低密度脂蛋白胆固醇）水平，并改善心血管结局。受羊毛固醇诱导的HMGCR降解机制的启发，研究人员最近开发了一种结构与羊毛固醇类似的化合物。这种化合物能够有效对抗他汀类药物引起的HMGCR蛋白升高，并在动物实验中成功预防了小鼠动脉粥样硬化斑块的形成。胆固醇代谢的调节机制不仅在心血管疾病防治中具有重要意义，还在癌症和某些先天性疾病治疗中展现出巨大潜力。例如，胆固醇动员剂2-羟丙-β-环糊精已被证实可改善尼曼-匹克病（NPC）的症状。然而，目前相关研究仍处于探索阶段，仍需进一步深入研究以减少药物副作用，并开发出更有效、更安全的调节胆固醇代谢的药物。尽管如此，胆固醇代谢领域仍存在许多亟待解决的重要问题。目前关于胆固醇代谢的模型和理论大多基于对周围组织的研究，而大脑与周围组织被血脑屏障分隔，大脑中胆固醇水平的维持机制是否与周围组织类似仍不确定。这一问题的解答对于深入理解胆固醇与神经退行性疾病之间的关系至关重要。此外，研究胆固醇代谢在干细胞、免疫细胞、神经元等较少被关注的细胞类型中的作用也具有重要意义。同时，胆固醇代谢如何响应脂质以外的其他信号通路，以及胆固醇、甲羟戊酸途径中的固醇中间体和胆固醇衍生物的新功能，也是未来研究的重要方向。

来源：张熙晗 中国药科大学