Seipin通过调控鞘脂-甘油脂平衡主导caveolin-1的膜运输机制及其在脂质代谢疾病中的意义

本研究揭示了脂滴组装因子seipin通过调控棕榈酸在鞘脂与甘油脂合成途径间的代谢流向，维持高尔基体膜有序性，从而保障caveolin-1(CAV1)正确转运至质膜形成caveolae的重要机制。研究人员通过细胞模型、患者源性成纤维细胞和诱导性基因敲除小鼠模型，结合脂质组学与膜秩序探针技术，发现seipin缺失导致饱和脂质和神经酰胺堆积，破坏trans-Golgi network(TGN)膜结构，致使CAV1错误靶向脂滴而非质膜，最终引发caveolae形成障碍和胰岛素抵抗等病理表型。该研究为先天性全身性脂肪营养不良症（CGL）的分子机制提供了全新视角，并为代谢性疾病治疗提供了潜在靶点。

　　

细胞通过精密调控脂质代谢以维持膜结构与功能稳态，这一过程的紊乱与多种疾病密切相关。caveolin-1（CAV1）作为caveolae（细胞膜上的一种囊状内陷结构）的核心组成蛋白，不仅参与机械信号感知、脂质代谢调控，还与细胞内吞等关键生理过程息息相关。CAV1功能失调会导致细胞衰老、癌症、胰岛素抵抗和脂肪营养不良等疾病。尽管CAV1的重要性不言而喻，但其在细胞内运输和定位的具体调控机制仍不明确。

另一方面，seipin蛋白由BSCL2基因编码，是脂滴（Lipid Droplet, LD）生物发生的关键调控因子，其功能缺失会导致Berardinelli-Seip先天性全身性脂肪营养不良症类型2（CGL2）。值得注意的是，CAV1突变同样会导致临床表现相似的CGL3。这两种蛋白质在脂质代谢和脂滴生物学中均扮演重要角色，但它们之间是否存在功能联系尚未可知。

发表在《Cell Reports》上的这项研究致力于揭示seipin与CAV1之间的功能轴，为解决CAV1运输机制及脂质代谢疾病病因提供了新的见解。

研究人员综合运用了分子细胞生物学技术（包括基因敲除细胞系构建、荧光蛋白标记与活细胞成像）、患者源性成纤维细胞功能验证、诱导性组织特异性基因敲除小鼠模型、脂质组学分析、膜秩序敏感荧光探针（如PK染料）成像、膜张力显微操作技术、膜蛋白运输追踪（RUSH系统）以及超高分辨率显微镜（TIRF）等多种技术手段。

Seipin缺失使CAV1错误定位至胞质囊泡和脂滴，导致caveolae减少

在seipin敲除（SKO）的HeLa细胞中，CAV1-GFP在质膜上的定位显著减少，反而积聚在胞内囊泡结构中。当用油酸（OA）诱导脂滴形成后，在野生型（WT）细胞中CAV1并不存在于脂滴上；而在SKO细胞中，CAV1则被大量招募至脂滴表面。这一现象在过表达和内源性CAV1的检测中均得到证实，且通过N端或C端标记的CAV1构建体也呈现一致结果。与此不同的是，CAV2和CAV3本就天然地定位于脂滴，而caveolae的另一关键组分cavin-1也未在脂滴上积累，说明CAV1在seipin缺失下的脂滴定位具有特异性。在来自CGL2患者的成纤维细胞中，同样观察到了CAV1定位从质膜向脂滴的转变。由于CAV1是caveolae形成所必需的，研究人员进一步发现SKO细胞质膜上的胆固醇富集程度降低，并且TIRF显微镜显示其基底质膜上的CAV1阳性斑点（即caveolae）数量显著减少，表明seipin缺失最终损害了caveolae的形成。

seipin缺失扰乱TGN的脂质组成与功能

CAV1在合成后，会依次在内质网中形成8S寡聚体，在高尔基体/TGN中组装成70S复合物，最后被运输至质膜。为了探究运输过程何处受阻，研究人员利用了RUSH系统来追踪GPI锚定蛋白的运输。发现在SKO细胞中，蛋白从TGN向质膜的运输出现延迟或阻断，表明分泌途径后期存在缺陷。进一步对高尔基体形态的分析发现，SKO细胞中的高尔基体变得更加圆润，提示其结构组织可能受损。

TGN的膜脂质有序微域（富含胆固醇和鞘磷脂，SM）对于货物分选至关重要。这些脂质的供应依赖于ER-TGN膜接触位点上的脂质转移蛋白，如OSBP（负责将胆固醇从ER运至TGN以交换PI4P）和CERT（负责将神经酰胺从ER运至TGN以合成SM）。在SKO细胞中，OSBP异常地“滞留”在高尔基体周围，类似于OSBP被抑制后的表型；同时，PI4P报告蛋白在TGN的信号增强，表明PI4P周转受损；CERT的定位则从集中的核周模式变为分散的胞质模式；与之对应，能够结合SM的溶胞素（lysenin）其信号在SKO细胞中也变得分散。

这些现象暗示SKO细胞中TGN的胆固醇和SM水平异常。通过使用对膜秩序敏感的PK染料进行比率成像，研究人员直接观察到SKO细胞核周区域（富含高尔基体）的膜秩序显著降低。对分离的高尔基体富集组分进行脂质组学分析证实，其中的SM和胆固醇含量确实减少。为了验证TGN膜秩序紊乱是否足以导致CAV1误定位，他们在WT细胞中分别抑制了OSBP和CERT。抑制CERT能够完美地模拟SKO表型：CAV1从质膜减少并错误地定位到脂滴上，这强有力地表明鞘脂代谢紊乱是导致表型的关键原因。

过量的神经酰胺导致CAV1从质膜转位至脂滴

对诱导性脂肪细胞特异性seipin敲除（iATSKO）小鼠的脂肪组织进行脂质组学分析发现，其中最显著的变化是神经酰胺（Cer）水平的显著升高，尤其是在内质网组分中。这表明seipin缺失导致了神经酰胺的积累。

那么，神经酰胺本身是否足以引起CAV1的误定位？实验证明，在WT细胞中外源性添加神经酰胺，确实能够重现SKO的表型：CAV1从质膜减少并出现在脂滴上。相反，添加胆固醇则无此效果。接下来，研究人员尝试在SKO细胞中降低神经酰胺水平。使用myriocin（丝氨酸棕榈酰转移酶SPT的抑制剂）抑制神经酰胺的从头合成后，虽然阻止了CAV1在脂滴上的积累，但并未能恢复其正常的质膜定位，CAV1仍滞留在脂滴附近的囊泡结构中。在iATSKO小鼠中，myriocin治疗虽然降低了脂肪组织中的神经酰胺水平，却未能改善脂肪细胞功能障碍（如成熟脂肪细胞标志物AdipoQ表达下降和ER应激标志物CHOP表达升高）。这些结果表明，神经酰胺水平的平衡（既不能过多也不能过少）对于CAV1的正确运输至关重要。

棕榈酸代谢途径调控CAV1的细胞器定位

对iATSKO小鼠脂肪组织的转录组和脂质组数据进行加权基因共表达网络分析（WGCNA），发现神经酰胺水平与ER应激标志物正相关，而与硬脂酰辅酶A去饱和酶1（SCD1）和延长酶ELOVL6的mRNA水平负相关。这表明seipin缺失可能改变了棕榈酸的代谢流向：本该由SCD1和ELOVL6催化用于合成甘油脂的棕榈酸，转而更多地被用于合成神经酰胺。对SKO细胞ER组分的脂质组学分析证实，其中饱和脂质（如PC 16:0/16:0）的含量确实增加。

根据这一假设，在WT细胞中抑制SCD1的活性应能模拟SKO表型。实验证实，SCD1抑制剂处理确实导致CAV1从质膜错误定位到脂滴，并且同样引起了OSBP滞留和PI4P积累等高尔基体相关运输缺陷。重要的是，在SKO细胞中过表达SCD1，则能够有效逆转CAV1的误定位表型，使其重回质膜，并伴随神经酰胺水平的下降。最后，在WT细胞中同时补充棕榈酸（PA）和油酸（OA）（而非单独使用OA），也足以引起CAV1的误定位；而若在补充PA的同时用myriocin阻断神经酰胺合成，则可阻止CAV1在脂滴上积累（但仍无法使其回到质膜）。相反，在SKO细胞中抑制脂肪酸合酶（FASN）以阻断棕榈酸的从头合成，则成功恢复了CAV1的正常定位。这些数据最终证明，seipin的核心功能是调控棕榈酸在甘油脂和神经酰胺合成途径之间的平衡，这一平衡对维持CAV1的正确运输至关重要。

讨论与结论

该研究揭示了seipin在脂滴生物发生之外的一个全新功能——调控细胞内脂质代谢平衡和蛋白质运输。研究表明，seipin缺失会导致棕榈酸堆积，进而引起神经酰胺过量合成。神经酰胺的积累破坏了TGN的膜脂质秩序，损害了其蛋白质分选功能，导致CAV1无法正常运输至质膜形成caveolae，而是错误地靶向脂滴。

研究人员提出了一个工作模型：seipin寡聚体可能定位于线粒体相关膜（MAM）等特定亚细胞区域，通过与SPT、SCD1、DGAT2等多种脂质代谢酶的相互作用，形成一个微环境来协调棕榈酸在甘油脂和鞘脂合成途径之间的流向。在seipin缺失的情况下，这种局部调控失效，导致代谢失衡。

所有类型的先天性全身性脂肪营养不良症（CGL）都伴随着caveolae的缺失，这可能是脂肪细胞功能障碍的核心因素。CAV1对于维持脂筏结构、稳定胰岛素受体在质膜上的定位及信号传导至关重要。本研究揭示的seipin-CAV1功能轴，为理解CGL2和CGL3的发病机制提供了统一的分子解释，即它们可能通过共同的下游通路（caveolae形成障碍和胰岛素信号受损）导致相似的临床表现。此外，棕榈酸、硬脂酸和神经酰胺等脂质分子本身就是2型糖尿病的重要预测指标，本研究提示它们的致病机制可能部分源于对CAV1运输和膜受体功能的干扰。

总之，这项研究不仅阐明了seipin调控CAV1运输和caveolae形成的新型分子机制，还将蛋白质运输、脂质代谢与人类疾病巧妙地联系起来，为未来治疗脂质代谢疾病和胰岛素抵抗提供了新的理论依据和潜在的治疗策略。