胆固醇及其相关甾醇对膜域动力学的差异性调控：基于双探针的膜域特异性效应分析

本文系统比较了胆固醇及其前体（如羊毛甾醇、链甾醇）和代谢物（如24(S)-羟基胆固醇、25-羟基胆固醇）通过差异性调控液态有序（Lo）和液态无序（Ld）膜域的物理化学性质（如极性、分子有序性、流动性），揭示了不同甾醇在膜脂动力学中的特异性作用，为理解甾醇相关疾病（如亨廷顿病、阿尔茨海默病）的膜生物学机制提供了新视角。

　　

Highlight

材料

鸡蛋磷脂酰胆碱（PC）、鸡蛋鞘磷脂（SM）、胆固醇（Chol）、24(S)-羟基胆固醇（24OH）、25-羟基胆固醇（25OH）、链甾醇（DS）、羊毛甾醇（LN）、7-脱氢胆固醇（7dhc）和胆甾烷醇（Lto）均购自Avanti Polar lipids。鸡蛋PC的平均链组成为：33%的16:0，32%的18:1，17%的18:2和12%的18:0。鸡蛋SM的平均链组成为：86%的16:0，6%的18:0，3%的22:0和3%的24:1。Laurdan购自Molecular Probes，而芘标记的胆固醇（CholPy）则按照先前描述的方法合成。

通过Laurdan探针筛选甾醇膜效应的选择

首先，我们在模拟质膜外叶的膜系统中测试了七种甾醇。为了评估具有多种酰基链的脂质膜的有序性，我们使用了天然来源的脂质，并通过Laurdan荧光进行探测。在由鸡蛋磷脂酰胆碱/鸡蛋鞘磷脂/甾醇（PC/SM/甾醇）组成的膜中，监测了荧光随甾醇浓度的变化。已有研究表明，在鸡蛋PC/鸡蛋SM/胆固醇混合物中，Laurdan的广义极化（GP）值可以反映膜的有序性。

讨论

膜域展现出独特的物理化学性质，包括环境极性、脂质堆积、水渗透性、分子有序性和流动性。这些性质已被证明受胆固醇（Chol）存在的调节。本研究重点比较了胆固醇与其他四种甾醇，利用环境敏感性荧光探针研究它们对膜物理化学性质的影响。考虑到膜中"有序性"变化的概念取决于所探测的膜区域，我们使用了两种互补的探针：Laurdan（探测靠近极性头基的区域）和CholPy（探测靠近双层中心的区域）。

结论

总体而言，数据表明，虽然Laurdan可以区分靠近脂质头基区域的环境极性（GP）和膜域贡献（So/Sd），正如Orlikowska-Rzeznik等人所建议的那样；而CholPy则感知靠近双层中心区域的有序性（Lo/Ld）。此外，各向异性研究揭示了探针在两个膜区域的流动性。

对不同膜中甾醇效应的比较（图7和图S8）显示，在双层中心，胆固醇是最强的有序性诱导剂，其次是链甾醇（DS），而羟基胆固醇（24OH和25OH）的效应较弱。有趣的是，在液态无序（Ld）膜中，不同探针检测到的甾醇有序化效应在脂质头基附近和双层中心处相似。然而，在液态有序（Lo）膜中，羟基胆固醇在头基附近产生了强烈的有序化效应，但在双层中心附近的效应却减弱了。这些发现强调了不同甾醇根据其化学结构（例如，额外的羟基或双键）以及局部膜环境（Lo与Ld）以特定方式调节膜性质的能力。