LDL受体介导的血浆低密度脂蛋白胆固醇的内吞

范丽娟,等.LDL受体介导的血浆低密度脂蛋白胆固醇的内吞·329·收稿日期：2014-03-31基金项目：国家自然科学基金项目(31271268)；国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(2012CB517503；2013CB530600)*通信作者：E-mail:[e-mail]生命的化学,2014,34(3):329-336doi:10.13488/j.smhx.20140303李仲，男，1975年7月生，博士，现任南京医科大学基础医学院生物化学与分子生物学系教授，博士生导师。科研方向主要集中在使用细胞和疾病动物模型研究肥胖、糖尿病和脂肪肝的发病机制，为脂肪代谢性疾病的治疗提供新的方向。LDL受体介导的血浆低密度脂蛋白胆固醇的内吞范丽娟，李仲*(江苏省人类功能基因组学重点实验室，南京医科大学基础医学院生物化学与分子生物学系，南京210029)摘要：胆固醇是动物细胞细胞膜的重要组成成分，其做为细胞和环境之间的屏障调节细胞膜的流动性。胆固醇是体内所有的类固醇激素和胆酸合成的前体物质，参与体内代谢。同时胆固醇在神经系统的发育中也起着重要的作用。在血浆中胆固醇以低密度脂蛋白和高密度脂蛋白这两种胆固醇运载血脂蛋白的形式运输。动物细胞通过细胞表面的低密度脂蛋白受体(LDLreceptor,LDLR)介导的内吞可以从血液中摄取富含胆固醇的低密度脂蛋白，当细胞表面的LDLR的功能缺陷时，可以导致高胆固醇血症，继而引起动脉粥样硬化、冠心病和中风等严重疾病。本文综述了LDL受体的概述及其通过内吞调节血液中低密度脂蛋白胆固醇水平的作用，并对LDL受体的调节进行了阐述。关键词：LDL受体；胆固醇；受体介导的内吞LDLreceptormediatedendocytosisofplasmaLDL-cholesterolFANLijuan,JohnZhongLi*(JiangsuProvinceKeylaboratoryofHumanFunctionalGenomics,DepartmentofbiochemistryandmolecularBiology,SchoolofBasicMedicalSciences,NanjingMedicalUniversity,Nanjing210029,China)Abstract:Cholesterolisanessentialcomponentoftheplasmamembraneofanimalcells,whichmaintainsthebarrierfunctionbetweencellsandenvironmentmodulatesfluidity.Cholesterolisalsotheprecursorforthemanufactureofallsteroidhormonesandbileacids,anditplaysacrucialroleinthedevelopmentofnervoussystem.Inbloodstream,cholesterolistransportedintwomajorcholesterol-carryingbloodlipoproteins:LDLandHDLlipoproteinparticles.TheprocessofuptakeLDL-CholesterolfrombloodinanimalcellsmediatedbycellsurfacereceptorforLDL.ThedysfunctionofLDLreceptoroncellsurfaceleadstohypercholesterol-emiawhichinturncausesatherosclerosis,coronaryheartdiseaseandstroke.Thisreviewprovidesanover-《生命的化学》2014年34卷3期·330·专题：胆固醇viewoftheLDLreceptoranditsroleinregulatingbloodLDL-CholesterollevelsandtheregulationofLDLreceptoraredescribed.KeyWords:LDLreceptor;cholesterol;receptor-mediatedendocytosis胆固醇是动物细胞细胞膜的重要组成成分，占质膜脂类的20%以上，其做为细胞和环境之间的屏障可以调节细胞膜的流动性。胆固醇是体内所有的类固醇激素和胆酸合成的前体物质，参与体内的正常代谢。同时胆固醇在神经系统的发育中也起着重要的作用。动物细胞中胆固醇的来源主要有体内从头合成和通过受体介导的内吞从血浆中摄取低密度脂蛋白携带的胆固醇两大来源。由于胆固醇不溶或微溶于水，故其在血液中以低密度脂蛋白和高密度脂蛋白这两种胆固醇运载血脂蛋白的形式运输。细胞通过细胞表面的低密度脂蛋白受体(LDLreceptor,LDLR)介导的内吞从血液中摄取富含胆固醇的低密度脂蛋白，这是体内清除血浆中胆固醇的最主要方式。当细胞表面的LDLR出现功能缺陷时，可以导致高胆固醇血症，继而引起动脉粥样硬化、冠心病和中风等严重疾病。本文对LDL受体近些年的研究成果进行了综述，为更好地研究体内胆固醇的代谢提供参考。1血浆中的脂蛋白在人类和其他脊椎动物的血液中，由于脂肪包括甘油三酯、胆固醇等都不溶或微溶于水，故其在血液中是以脂蛋白的形式运输的。脂蛋白，顾名思义，是由脂质与蛋白质组成，它们之间是通过疏水性相互作用而结合在一起。脂蛋白一般都是以不溶于水的甘油三酯(TG)和胆固醇酯(CE)为核心，表面覆盖有极性的磷脂、胆固醇和少量蛋白质，它们的亲水基团暴露在表面，故具有亲水性[1]。应用超速离心法可将血浆脂蛋白分为四类：乳糜微粒(CM)、极低密度脂蛋白(VLDL)、低密度脂蛋白(LDL)和高密度脂蛋白(HDL)，其中LDL是富含胆固醇水平最高的脂蛋白[2]。脂蛋白中的蛋白质被称为载脂蛋白(Apo)，不同脂蛋白含不同的载脂蛋白，如表1所示。LDL是一种球形颗粒的脂蛋白，其直径为19~25nm，核心是1500个胆固醇酯，外面由800个磷脂和500个未酯化的胆固醇分子包裹，最外层有一个相对分子质量为514000的载脂蛋白B-100(ApoB-100)[3-5]，LDL是血浆中主要的胆固醇转运脂蛋白。Brown和Goldstein于1974年研究家族性高胆固醇血症患者代谢缺陷时，在成纤维细胞上发现了LDL受体的存在[6-8]，LDL受体的发现是脂类代谢研究的里程碑，推动了脂蛋白、载脂蛋白的深入研究。在血浆中大约70%的LDL是通过低密度脂蛋白受体(LDLR)介导的内吞作用进入各组织细胞所清除，其余由清道夫受体摄取、氧化，以及由周围组织进行非受体介导途径所摄取[9]。由此可见，LDLR介导的LDL内吞途径对于调节血浆总胆固醇浓度及胆固醇的体内平衡起关键性作用[10]。在血浆中LDL水平的升高已经被证明是冠状动脉疾病和其他动脉粥样硬化疾病的一个普遍的危险因素[11-13]。清除LDL主要通过肝脏的LDLR介导的内吞过程，LDL受体的功能缺陷是引起家族性高胆固醇血症和冠状动脉疾病最主要的原因之一。2低密度脂蛋白受体蛋白结构LDLRmRNA共编码860个氨基酸，但在LDLR蛋白移位至内质网时，其氨基末端的疏水性信号序列与母体断裂，因此成熟的LDLR由839个氨基表1　血浆脂蛋白的分类及其组成脂蛋白脂类载脂蛋白组成主要生理功能CMTGApoB48、E、AI、AII、AIV、CI、CII、CIII转运外源性TG及CholVLDLTGApoB100、Cl、Cll、Clll、E转运内源性TGLDLCEApoB100将肝合成的内源性Chol转运至肝外组织HDLCEApoAl、All参与Chol由肝外组织转运至肝的逆向转运范丽娟,等.LDL受体介导的血浆低密度脂蛋白胆固醇的内吞·331·酸组成[14]。LDLR蛋白是一个单链的糖蛋白，跨膜区由22个疏水的氨基酸组成，为单次跨膜蛋白。在结构上分为5个区，包括N-端配体结合结构域、EGF-前体同源结构域、O-连接糖结构域、跨膜结构域和胞浆结构域，各区域有其独特的功能。2.1配体结合结构域该结构域由位于LDLR氨基末端的292个氨基酸残基组成，包含7个富含半胱氨酸(Cys)的重复单位(R1~R7)，每个重复单位由40个氨基酸残基组成，含有6个Cys。这7个重复单位亦称为LDLRA类重复(LDLR-Arepeats)[14]。R1、R2、R6的核磁共振(NMR)分析和R5的晶体结构分析显示，其三维结构是一个由三个二硫键所稳定的两环结构[15-19]。这三个二硫键分别由第1个Cys与第5个Cys，第2个Cys与第4个Cys，第3个Cys与第6个Cys各自形成的。在每个LDL-A重复的羧基末端区有一个酸性氨基酸保守序列(CDXXXDCXDXSDE，X代表任何氨基酸)，晶体学分析证明许多酸性残基参与了钙离子的协调[19]，这说明LDL-A重复序列的正确折叠、二硫键的形成以及对LDL的结合都需要钙离子的参与[20-22]。2.2EGF-前体同源结构域该结构域由406氨基酸组成，在结构上与表皮生长因子(epithelialgrowthfacor,EGF)前体的胞外域有35%的同源性[23]。此区域含有3个EGF-样重复单位，每个重复单位由约40个氨基酸残基组成，也含有6个Cys。与LDLR-A不同之处在于二硫键的形成方式：分别由第1个Cys与第3个Cys，第2个Cys与第4个Cys，第5个Cys与第6个Cys各自形成。三个重复单位环绕着一个约为260个氨基酸的β-螺旋桨结构域，其含有6个YWTD模体(也称为LD-LR-B重复)[24,25]。EGF-前体同源结构域的缺失并不影响LDL结合，而是阻止了配体在胞内体酸依赖性解离[26]。2.3O-连接糖结构域该结构域由58个氨基酸残基组成，包括18个丝氨酸或苏氨酸残基。丝氨酸或苏氨酸残基上的氧原子以O-糖苷键的连接方式与寡聚糖链相连[27]。O-连接糖基化在LDLR功能上的作用目前还不清楚，但是有研究指出当LDLR位于细胞膜上时该糖基化可以防止LDLR细胞外结构域被水解[28]。该结构域的突变或缺失并不影响配体的结合[29]。2.4跨膜结构域该结构域横跨细胞膜，由25个疏水性氨基酸所组成。该结构域主要为LDLR在细胞膜上的结合提供锚定的功能[30]。如果该区域出现变异体可以导致LDLR和细胞膜结合能力的降低并且可以在细胞浆中发现LDLR[31]。2.5胞浆结构域该结构域位于LDLR的羧基末端，突出于胞浆中，由56个氨基酸组成，其中包含一个保守的NPXY(X代指任何一种氨基酸)模体。该模体与LDLR簇集于细胞质膜的有被小窝及其继发性内移有关，突变分析揭示了FDNPVY序列在招募LDLR进入有被小窝的功能上起主导作用[32]。3低密度脂蛋白受体介导的血浆中低密度脂蛋白胆固醇的内吞在发现LDLR后，Brown和Goldstein进一步提出了由LDLR介导的LDL细胞内吞的过程以及相关的机制[10,33]，这种由LDLR介导LDL内吞的代谢过程称为LDL受体途径(LDLreceptorpathway),该途径依赖于LDLR介导的细胞膜内吞作用完成。如图一所示，当血浆中出现LDL颗粒，LDLR可与LDL的ApoB-100结合形成LDL-受体复合物，出现在有被小窝(coatedpit)，之后深陷的有被小窝脱离质膜形成有被小泡(coatedvesicles)进入细胞。有被小泡的外被很快解聚，形成的无被小泡与胞内体(endo-some)融合，从而引起LDL与其受体分离。LDL受体回到质膜上进行下一次循环再利用，而LDL被传送给溶酶体(Lysosome)，在溶酶体中LDL上的蛋白质被降解，胆固醇酯被水解成游离胆固醇和脂肪酸，游离胆固醇被释放进入胞浆，用于细胞膜的装配或进入其他代谢途径[10]。在此过程如果配体异常或受体异常，就会引起血浆胆固醇水平异