脂质组学研究——柱式法亚细胞结构分离技术新应用

脂质结构的多样性赋予脂质多种重要的生物功能，脂质参与调节包括能量转换、物质运输、信息识别与传递、细胞发育、分化以及细胞凋亡等多种生命活动过程。脂质的异常代谢还与动脉硬化、糖尿病、肥胖症、阿尔兹海默症以及肿瘤密切相关。

脂质主要位于细胞的膜系统，细胞膜、内质网、高尔基体、线粒体等均含有丰富的脂质——

细胞膜上的脂质含量约为 50%，主要有磷脂、胆固醇、糖脂；

内质网中脂质含量约为 30%-40%，主要包括磷脂、中性脂、缩醛脂和神经节苷脂等；

高尔基中脂质含量约为 40%，主要为磷脂、胆固醇，含有少量糖脂；

线粒体中脂质含量约为 25%-30%，大部分为磷脂。  

Lipid synthesis ａnd steady-state composition of cell membranes.

mammals (blue) ,yeast (light blue)，organelle recognition pathway(red)

Gerrit van Meer, Nature Review,2008

随着高通量、高精度脂质分析技术的快速发展，使得规模性、整体性的脂质分析及其代谢和功能研究得以实现，“脂质组学”应运而生。

脂质组学研究的内容主要包括脂质及其代谢物分析鉴定、脂质功能与代谢调控、脂质代谢途径及网络等三方面。其研究目标为：

（1）确定生命体、组织、细胞或细胞器中所有脂质的种类及其化学结构；

（2）理解脂质的功能及其代谢的动态变化和调控；

（3）阐明脂质与其他生物大分子、基因表达调控、膜性结构组成、细胞信号转导、细胞之间、细胞与病原体间的复杂关系；

（4）揭示生命体或细胞的脂质代谢调控异常与重要疾病的发生、发展之间的关系。

近年来，越来越多的研究以脂质组学为基础探究脂质分子对脂质转运和亚细胞结构中脂质组成的影响，阐明脂质功能与代谢调控间的作用，下面分享一篇脂质组学相关研究的文章。

研究背景：先研究发现内质网（ER）与质膜、线粒体、内体、溶酶体和反式高尔基体（TGN）等均会形成膜接触位点（MCS），以促进钙稳态、信号传导以及脂质交换等。MCS 由位于 ER 上的 VAP A/B 蛋白形成，主要通过脂质转运蛋白（如氧甾醇结合蛋白，OSBP）进行非囊泡脂质交换。OSBP 功能障碍会抑制 ER 和 TGN 间 MCS 处胆固醇和磷脂酰肌醇 - 4 - 磷酸 [PI (4) P] 的转运 —— 进而持续损耗高尔基体、质膜上的胆固醇。

胆固醇的损耗会影响多种细胞功能，包括鞘糖脂依赖性信号传导、细菌毒素（例如志贺毒素）的网格蛋白介导的内吞作用（CIE）。

（注：志贺毒素与细胞表面胆固醇相关的鞘糖脂 Gb3 受体结合后，经过逆转运方式进入内质网，再由内质网终达到细胞质中，借助网格蛋白外壳包裹入囊泡中的入胞方式。）

Henriikka Kentala, International Review of Cell ａnd Molecular Biology,2016

此外磷脂酶 C（PLC）相关受体与 CIE 控制细胞表面受体信号水平和活性的方式类似，此类酶会水解质膜上磷脂酰肌醇 4,5 - 二磷酸 [PI (4,5) P2] 以产生肌醇 - 1,4,5 - 三磷酸 [IP3]，从而引发细胞质 Ca2+ 增加抑制 MCS 功能。而细胞内部分 IP3 又受肌醇磷酸酶控制，如在质膜上普遍表达的肌醇 - 5 - 磷酸酶 INPP5A，可以特异性水解 IP3（和 IP4）以抑制钙信号传导，进而影响 MCS。

为阐明 CIE 过程中，MCS 非囊泡脂质转运、钙信号传导以及内吞囊泡形成之间的相互关系，2021 年德国科学家 Mouhannad Malek 于 Nature Communication 杂志发表了题为 Inositol triphosphate-triggered calcium release blocks lipid exchange at endoplasmic reticulum-Golgi contact sites 的研究论文：

 该文使用 siRNA 筛选、功能成像、脂质组学等研究手段，研究表明 INPP5A 介导的 IP3 水解在控制 MCS 处脂质交换方面具有关键功能 ——INPP5A 缺失或其受体信号丢失后，IP3 积累触发内质网钙流出，钙诱导 OSBP 从含有 VAP 蛋白的 MCS 处解离，导致胆固醇转运到高尔基体的过程受损，持续消耗质膜上部分胆固醇和鞘糖脂 Gb3，继而阻断志贺毒素的 CIE 途径。

通过对 SCR Hela 细胞（对照）和 5AKD Hela 细胞（缺失 INPP5A）进行脂质组学分析，在 INPP5A 耗尽的细胞中，复合鞘糖脂 GM3 和 GM1 的总含量适度增加，而鞘糖脂 Gb3 的总含量略有减少（大约是对照组的 77%）。作者假设 Gb3 水平的降低可能是 INPP5A 缺乏的情况下内质网胆固醇输出障碍的结果。

接着作者通过 Filipin 染色对胆固醇整体分布进行可视化研究，结果表明在 INPP5A 缺失的细胞中，部分胆固醇从细胞表面重新分布到细胞内的细胞器（图 a）；特异性标记质膜胆固醇，结果显示与 SCR 对照相比，INPP5A 缺失的细胞中质膜外侧中的胆固醇水平降低（图 b,c）；对质膜组分中提取的脂质进行质谱分析，显示与对照细胞相比，INPP5A 缺失的细胞中总胆固醇的降低（图 d），Gb3 水平（Hex3Cer）降低了约两倍，而神经酰胺单己糖（HexCer）和神经酰胺二己糖（Hex2Cer）未发生变化（图 e）。

以上结果表明 INPP5A 的缺失导致质膜中部分胆固醇及 Gb3 被消耗，这可能是脂质转运障碍所致。

该文研究表明了脂质作为生物体的重要信号分子，广泛参与细胞间、细胞内的信号转导，同时也说明脂质组学在脂质研究中具有重要作用。

脂质组学研究中，细胞总体脂质水平可能并未发现变化，但细胞特定区域的脂质水平可能已经发生明显变化，所以脂质组学研究的一步是进行亚细胞结构分离，进而获取特定区域的脂质组分。

通常亚细胞结构和细胞中特定脂质区域的分离涉及匀浆过程，会导致脂质分子的聚集或膜结构的重叠，对脂质分子在细胞器或特定脂质区域上的定位或动态变化研究造成一定的困难，所以脂质组获取的要问题是有效分离亚细胞结构。

解决方案：柱式法亚细胞结构分离技术，与传统的蔗糖密度梯度离心法相比，具有以下优点：

（1）样品需求量较小（2*107 个细胞即可提取），得率较高；

（2）操作简单，省时省力，无需超高速离心及自配溶液；

（3）保留细胞亚细胞结构天然活性，减少组分间的交叉污染

原创作者：上海雅吉生物科技有限公司