维生素E及其醋酸酯衍生物对不饱和膜系统脂质动力学的影响

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes》：The impact of vitamin E and its acetate derivative on lipid dynamics of unsaturated membrane systems

　　αToc 和 αTocAc 可使流体态 POPC 双层膜变硬，提高该不饱和脂质系统的弯曲模量。αToc 和 αTocAc 会引起 POPC 双层膜系统侧向扩散性的变化，但在代表肺表面活性物质的混合物中未观察到可辨识的变化。在 αTocAc 存在下 POPC 双层膜变硬且侧向扩散性降低，这可能是 αTocAc 在 EVALI 病理生理学中，于储存脂质重新铺展过程中发挥作用的一种潜在机制。**引言**尽管维生素 E 在近一个世纪前就被发现，但它的完整生物学意义，以及其相关类物和衍生品的意义，仍未被完全理解。维生素 E 最初被鉴定为啮齿动物生殖健康所必需的营养素，此后已被牢固地认定为一种保护细胞膜免受氧化损伤的脂溶性抗氧化剂[1]、[2]。随着时间推移，研究已超出其抗氧化作用范围，探索其在细胞功能更广层面中的潜在作用，包括膜调节和脂筏稳定，这归因于其定位于脂质双层膜内[3]、[4]、[5]。尽管取得了这些进展，维生素 E 的确切生物学作用仍持续受到调查和科学争论。维生素 E 包含一系列类物，包括 α-、β-、γ- 和 δ-生育酚及生育三烯酚，其中 α-生育酚（αToc）因其在体内被主要保留，且其清除活性氧的效力较高，而成为研究最为广泛的类物[6]、[7]。除这些天然存在形式外，αToc 还包括众多衍生品和相关化合物，如 α-生育酚醋酸酯和 α-生育酚醌，这些化合物通过合成修饰或代谢转化产生。在此基础上，一个日益受关注的领域是 α-生育酚及其衍生物如何影响细胞膜的生物物理性质，特别是与磷脂动力学的关系。鉴于 α-生育酚在膜中的位置，其改变膜流动性和脂质扩散性的潜力，为进一步理解其抗氧化之外的更广泛生物学功能提供了重要途径。在此背景下，考察在 α-生育酚和 α-生育酚醋酸酯存在与不存在条件下脂质扩散性，可有助于深入了解这些化合物如何与膜相互作用并调节膜行为。此类比较有助于区分活性类物与其更稳定衍生物在生物学效应上的差异，从而进一步明确它们在膜组织和生物学后果中的各自作用。α-生育酚在膜中的位置已在多种磷脂酰胆碱（PC）膜中得到表征，普遍共识是含羟基的色满环位于脂质/水界面附近，碳氢链延伸进入疏水核心[8]。额外研究发现，在 1,2-二肉豆蔻酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DMPC）膜中，该取向显著不同，αToc 实际上位于疏水核心中，这与之前在大 majority 其他 PC 双层膜中确定的位置形成鲜明对比[9]。该位置对整体脂质扩散性的影响已被研究，结果显示在生理温度下几乎无变化，但所使用浓度相对较高，为 10 和 20 mol%[10]。因此，在更具代表性的 PC 膜中开展进一步研究，将有助于深化对 αToc 在脂质扩散性方面作用的理解。此外，就相关 αToc 衍生物而言，α-生育酚醋酸酯（αTocAc）近来已成为电子烟和电子烟使用领域研究的核心，其中醋酸酯衍生物被用作电子烟行业产品的稀释剂[11]。在这一争议领域中，αTocAc 因其纯金色的外观和高粘度特性，被广泛用于大麻基产品，使其可完美用于非法 THC 电子烟弹中。2019 年初其使用案例的出现导致电子烟使用者住院人数增加，所引发的疾病目前被认定为电子烟或电子烟使用相关肺损伤（EVALI）。由此产生的肺功能障碍与肺表面活性物质（PS，一种负责有效气体交换的脂质系统）功能受损相关联。近期研究表明，各种电子烟添加剂（包括 αTocAc）对 PS 系统具有软化作用，间接阐明了 EVALI 病理生理学背后的潜在机制[11]、[12]。由于肺泡表面积不断变化，PS 膜相对动态，因此对 PS 膜中脂质动力学的影响可能是导致生物物理功能受损的一条途径。在该领域的进一步研究，例如对扩散行为的研究，可有助于阐明驱动 EVALI 的精确生物物理机制。本文利用中子后散射（NB）技术，直接研究了在 αToc 和 αTocAc 存在与不存在条件下 1-棕榈酰-2-油酰-甘油-3-磷酸胆碱（POPC）的扩散性。通过 NB 技术并在具有生物学意义的 37 °C 温度下测量扩散性，可探索 αToc 及其相关衍生物的影响，以进一步阐明其生物学作用背后的潜在机制，无论是就信号传导中的膜动力学而言，还是 EVALI 病理生理学机制而言。进一步采用避免能级交叉的 μ 子自旋共振（ALC-μSR）和中子自旋回波（NSE）等技术，可提供脂质移动性的辅助测量，以巩固 QENS 的结论。**章节片段****材料**脂质 1,2-二棕榈酰-d??-sn-甘油-3-磷酸胆碱[di-16:0 PC, d62-DPPC]、1-棕榈酰-2-油酰-甘油-3-磷酸胆碱[16:0/18:1 PC, POPC]、1-棕榈酰-2-油酰-sn-甘油-3-磷脂酰-(1'-外消旋-甘油醇)（钠盐）[16:0-18:1 PG, POPG] 购自 Avanti Polar Lipids（美国阿拉巴马州阿拉巴斯特）。胆固醇、α-生育酚醋酸酯[αTocAc]、α-生育酚[αToc] 购自 Sigma-Aldrich（加拿大艾伯塔省奥克维尔）。*酿酒酵母*（*Saccharomyces cerevisiae*）RH6829 菌株，为一种为胆固醇而工程改造的菌株。**酰基链动力学的 μ 子自旋光谱学**ALC-μSR 测量用于研究在 αToc 存在与不存在条件下 POPC 油酰链的局部重取向动力学（注：未通过 ALC-μSR 评估 αTocAc）。μ 子的加入主要发生在 C?-C?? 双键处，形成对 10?? 至 10?? 秒时间尺度运动敏感的瞬时自旋标签[20]。代表性光谱在约 1.12 T 和 1.26 T 处显示两个洛伦兹型共振峰，分别对应 Δ? 和 Δ? 跃迁。**讨论**本文所提出的多尺度研究结果，提供了 αToc 和 αTocAc 如何影响不饱和脂质环境动力学图景的全面物理视角。通过采用互补的生物物理散射技术，可以确立上述分子对脂质动力学的可观察趋势。具体而言，在应用情境下，αTocAc 近来已成为研究重点，相关研究试图将电子烟使用行为与表面活性物质功能障碍联系起来。**结论**本研究对 αToc 和 αTocAc 对不饱和 POPC 膜系统脂质动力学和机械性质的影响进行了多尺度调查。通过整合 QENS、NSE 和 ALC-μSR 的结果，我们刻画了这些分子如何从单条酰基链旋转的水平到集体双层膜波动层面调节膜行为。研究结果表明，向 POPC 双层膜中添加 αToc 和 αTocAc 会引起脂质侧向扩散性的显著降低。**CRediT 作者贡献声明****Maksymilian Dziura：**写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，调查研究，形式化分析，概念构思。**Iain McKenzie：**写作——审阅与编辑，调查研究，形式化分析。**Kevin L. Weiss：**写作——审阅与编辑，资源，方法学。**Brandon Nusser：**写作——审阅与编辑，方法学，调查研究。**Honghai Zhang：**写作——审阅与编辑，方法学，调查研究。**Hugh M. O'Neill：**写作——审阅与编辑，资源，方法学，调查研究。**利益冲突声明**我们无需声明任何内容。**致谢**本研究所使用的资源来自散裂中子源 BL-2 后散射谱仪和 BL-15 中子自旋回波谱仪，该设施为美国能源部科学办公室用户设施，由橡树岭国家实验室（美国橡树岭）运营。BL-2 BASIS 的束流时间在提案编号 IPTS 34061.1 下完成，BL-15 NSE 的束流时间在提案编号 IPTS 34195.1 下完成。美国能源部生物与环境研究办公室支持了胆固醇……Maksymilian Dziura | Iain McKenzie | Kevin L. Weiss | Brandon Nusser | Honghai Zhang | Hugh M. O'Neill | Piotr A. Zolnierczuk | Eugene Mamontov | Drew Marquardt