«FAT SIGNALS»: липазы и липолиз в метаболизме липидов и передаче сигналов Часть 1
FAT SIGNALS – Lipases and Lipolysis in Lipid Metabolism and Signaling
Rudolf Zechner, Robert Zimmermann, Thomas O. Eichmann, Sepp D. Kohlwein, Guenter Haemmerle, Achim Lass, and Frank Madeo Cell Metabolism, 2012, 15(3):279-291 https://doi.org/10.1016/j.cmet.2011.12.018
Понятие «липолиз» определяется как катаболизм триацилглицеридов, содержащихся во внутриклеточных липидных каплях. Недавние открытия основных липолитических ферментов и характеристика многочисленных регуляторных белков и механизмов коренным образом изменили наше представление о липолизе и его влиянии на клеточный метаболизм. Новые данные о том, что продукты и интермедиаты липолиза участвуют в процессах клеточной передачи сигналов и что «липолитическая передача сигналов» особенно важна во многих нежировых тканях, раскрывают ранее недооцененный аспект липолиза, который может иметь отношение к заболеваниям человека.
От жировых ферментов к липазам: краткий исторический экскурс
Липолиз описывает гидролиз триацилглицеридов (ТГ), обычно называемых жиром. В середине 19 в. великий французский физиолог Клод Бернар (Bernard, 1856) отметил, что панкреатический сок млекопитающих способен эффективно расщеплять жиры сливочного и растительного масла. Наблюдение ученого привело к частичной характеристике фермента поджелудочной железы, расщепляющего жир, Бальзером (Balser, 1882), Лангергансом (Langerhans, 1890) и Флекснером (Flexner, 1897). Важность липолиза для общего метаболизма стала очевидной, когда Уайтхед (Whitehead, 1909) обнаружил, что жир (ТГ) не способен поступать в клетки в негидролизованной форме. Абсолютная потребность в гидролизе ТГ для поглощения либо высвобождения клеткой жирных кислот (ЖК) и глицерина определяет три процесса в физиологии позвоночных, где липолиз имеет важное значение. Так, желудочно-кишечный липолиз опосредует катаболизм пищевых жиров, сосудистый липолиз отвечает за гидролиз липопротеин-ассоциированных ТГ в крови, а внутриклеточный липолиз катализирует расщепление ТГ, хранящихся во внутриклеточных липидных каплях (ЛК), для последующего экспорта ЖК (из жировой ткани) или их метаболизма (в нежировых тканях).
Хотя фундаментальные аспекты липолиза были поняты достаточно давно, потребовалось более столетия, чтобы идентифицировать, выделить и охарактеризовать основные ферменты, расщепляющие жир, которые с 1900 г. стали называть липазами. Основными липолитическими ферментами желудочно-кишечного тракта являются лингвальная липаза, желудочная липаза, панкреатическая липаза и ассоциированные с панкреатической липазой белки 1, 2 и 3. За гидролиз ТГ в сосудах ответственны липопротеинлипаза (LPL) и печеночная ТГ-липаза. Панкреатические и сосудистые липазы структурно родственны и являются прототипами семейства панкреатических липаз. Во внутриклеточном липолизе ТГ задействованы нейтральные (рН-оптимум около рН 7) и кислые липазы; последние присутствуют в лизосомах (рН-оптимум 4-5). Хорошо охарактеризованные нейтральные ТГ-гидролазы включают липазу триглицеридов жировой ткани (ATGL) и гормончувствительную липазу (HSL), тогда как лизосомальная кислотная липаза (LAL) наиболее важна в лизосомах. Помимо остатка серина в активном центре, эти ферменты не имеют очевидных структурных гомологий и не связаны с семейством панкреатических липаз.
Липолиз – это катаболическая ветвь цикла ЖК, которая поставляет ЖК для потребностей метаболизма и удаляет их, если они присутствуют в избытке. Жирные кислоты необходимы в качестве субстратов для производства энергии и синтеза большинства липидов, включая мембранные липиды и липиды, участвующие в передаче клеточных сигналов. Соответственно, все одно- и многоклеточные организмы способны синтезировать ЖК de novo (эндогенные ЖК) из углеводных и/или белковых метаболитов. Несмотря на их фундаментальную физиологическую важность, избыток ЖК крайне вреден. Повышенные концентрации неэтерифицированных ЖК нарушают целостность биологических мембран, дестабилизируют клеточный кислотно-щелочной баланс и вызывают выработку вредных биоактивных липидов. Эти эффекты, в свою очередь, ухудшают функционирование мембран и вызывают стресс эндоплазматического ретикулума (ЭР), митохондриальную дисфункцию, воспаление и гибель клеток. В совокупности эти разрушительные эффекты объединяются под термином липотоксичность (Unger et al., 2010). В качестве контрмеры, в основном, все клетки способны детоксифицировать неэтерифицированные ЖК путем этерификации глицерином с получением инертных ТГ. Кроме того, высшие организмы накапливают ЖК в специализированном органе (жировой ткани), которая поставляет ЖК в другие ткани с высокой потребностью в данных соединениях, такие как печень и мышцы (экзогенные ЖК). Тщательно отрегулированный баланс этерификации ЖК и гидролиза ТГ создает эффективную буферную систему, обеспечивающую достаточный поток ЖК без необходимости нефизиологического увеличения концентраций неэтерифицированного ЖК в клетках. Более того, в ходе цикла ЖК синтезируются промежуточные продукты метаболизма, которые могут быть использованы в анаболических процессах либо в качестве внеклеточных или внутриклеточных сигнальных молекул.
Данный обзор посвящен катаболической ветви цикла ЖК. Мы суммировали последние достижения в понимании ферментативных механизмов процесса липолиза и (пато)физиологического воздействия липолиза на энергетический гомеостаз и клеточную сигнализацию.
Нейтральный липолиз: три этапа – три фермента
Нейтральный гидролиз ТГ до ЖК и глицерина требует трех последовательных стадий, в которых участвуют по меньшей мере три различных фермента. Так, ATGL катализирует начальную стадию липолиза, превращая ТГ в диацилглицериды (ДГ), HSL в основном отвечает за гидролиз ДГ до моноацилглицеридов (МГ), а МГ-липаза (MGL) гидролизует МГ. В жировой ткани ATGL и HSL ответственны за более чем 90% гидролиза ТГ (Schweiger et al., 2006). Хотя большинство нежировых тканей также экспрессируют ATGL и HSL, уровни экспрессии в некоторых тканях низкие, что поднимает вопрос о том, требуются ли дополнительные липазы для эффективного липолиза.
ATGL: начальный этап липолиза
ATGL – новейший член трио липолитических ферментов. Фермент, впервые описанный в 2004 г. (Jenkins et al., 2004, Villena et al., 2004, Zimmermann et al., 2004), принадлежит к семейству белков, содержащих домен пататина. Это семейство включает девять человеческих и восемь мышиных представителей. Домен пататина был первоначально обнаружен в липидных гидролазах картофеля и других растений и назван в честь наиболее распространенного белка картофельного клубня – пататина. Поскольку некоторые представители семейства действуют как фосфолипазы, члены этого семейства были официально названы белками, содержащими пататиноподобные фосфолипазные домены А1–А9 (PNPLA1–9) (Wilson et al., 2006). К сожалению, такое название вводит в заблуждение, поскольку подразумевает, что все члены этого семейства являются фосфолипазами. Однако некоторые белки PNPLA обладают лишь незначительной фосфолипазной активностью либо вообще не демонстрируют ее. Поэтому следует рассмотреть вопрос о более подходящем названии для этого семейства белков.
ATGL (официальное обозначение PNPLA2) преимущественно гидролизует ТГ. Ферменты-ортологи обнаружены практически у всех видов эукариот, включая позвоночных и беспозвоночных животных, растения и грибы. Человеческая ATGL состоит из 504 аминокислотных остатков (а.о.). По аналогии с пататином, активный центр фермента содержит нестандартную каталитическую диаду (S47 и D166) в пределах домена пататина (Rydel et al., 2003). Этот домен состоит из 180 а.о. и встроен в α−β−α-сэндвич-структуру протяженностью 250 а.о. на N-концевой половине белка. C-концевая половина выполняет преимущественно регуляторную функцию и содержит предсказанную гидрофобную область для связывания ЛК (Duncan et al., 2010, Schweiger et al., 2008). Потеря этой области увеличивает специфическую активность ATGL in vitro в отношении искусственных ТГ-субстратов, но ослабляет внутриклеточную активность в силу неспособности усеченного фермента связываться с клеточными ЛК.
Регуляция ATGL
Регуляция экспрессии ATGL и активности фермента является сложным многоплановым процессом (Lass et al., 2011). Трансляция мРНК ATGL усиливается агонистами рецептора, активируемого пролифератором пероксисом (PPAR), глюкокортикоидами и голоданием, в то время как инсулин и прием пищи подавляют экспрессию ATGL. Было показано, запуск mTOR1-зависимой сигнализации снижает уровень мРНК ATGL (Chakrabarti et al., 2010). И напротив, активация FoxO1 путем, SIRT1-опосредованного деацетилирования активирует липолиз за счет повышения уровня мРНК ATGL. Сайленсинг SIRT1 оказывает противоположный эффект (Chakrabarti et al., 2011). Количество мРНК ATGL (и HSL) не всегда коррелирует с активностью клеточных липаз. К примеру, изопротеренол и TNF-α снижают уровни мРНК ATGL (и HSL) в адипоцитах (Kralisch et al., 2005), но, напротив, стимулируют активность липаз и продуцирование ЖК и глицерина. Несоответствие между уровнями мРНК и активностью ферментов объясняется активной посттрансляционной регуляцией ATGL и HSL (см. далее). Таким образом, уровни мРНК клеточных липаз не всегда могут служить показателями активности ферментов.
В составе ATGL могут быть фосфорилированы, по меньшей мере, два остатка серина (S406 и S430 в мышином ферменте) (Bartz et al., 2007). В отличие от HSL (см. далее), модификация ATGL не опосредована протеинкиназой A (PKA) (Zimmermann et al., 2004). Так, в лаборатории H.-S. Sul было показано, что остаток S406 фосфорилируется AMP-активируемой киназой (AMPK), что усиливает гидролитическую активность мышиной ATGL (Ahmadian et al., 2011). Роль AMPK в регуляции липолиза представлялась спорной, с учетом данных, показывающих, что AMPK активирует липолиз (Gaidhu et al., 2009, Yin et al., 2003), ингибирует липолиз (Daval et al., 2005, Gauthier et al., 2008) либо не оказывает никакого эффекта на процесс (Chakrabarti et al., 2011). Интересно, что у нематод Caenorhabiditis (C.) elegans фосфорилирование ATGL-1 (аналог ATGL млекопитающих) в различных сайтах, опосредованное AMPK, ингибирует гидролиз ТГ (Narbonne and Roy, 2009), сдерживает потребление запасов ТГ и продлевает продолжительность жизни на стресс-индуцированной стадии личинки Дауэра. Функциональная роль второго сайта фосфорилирования (S430) неизвестна.
Для полноценной гидролазной активности ATGL требуется белок-коактиватор – Comparative Gene Identification-58 (CGI-58) (Lass et al., 2006). CGI-58 был первоначально обнаружен при сравнительном скрининге протеомов человека и C. elegans. В настоящее время гену присвоено официальное название α/β Hydrolase Domain-containing protein-5 (ABHD5), в силу наличия α/β-гидролазного домена, обычно встречающегося в эстеразах, тиоэстеразах и липазах. Однако маловероятно, что CGI-58 проявляет гидролазную активность, поскольку вместо нуклеофильного остатка серина, необходимого для наличия ферментативной активности представителей эстераз/тиоэстераз/липаз, в составе белка присутствует аспарагин-153 (N153). Интересно, что замена N153 на серин не приводит к преобразованию CGI-58 в липидную гидролазу ТГ, ДГ, МГ или коротких эфиров ЖК-глицерина (A. Lass et al., неопубликованные данные). В кожном эпидермисе CGI-58, вероятно, также стимулирует другую, неизвестную в настоящее время, ТГ-гидролазу, отличную от ATGL (Radner et al., 2010). Важно отметить полученные в двух лабораториях результаты, показавшие, что CGI-58, по меньшей мере, in vitro, проявляет ферментативную активность в качестве ацетилCoA-зависимой ацилглицерол-3-фосфатацетилтрансферазы (AGPAT) (Ghosh et al., 2008, Montero-Moran et al., 2010). Физиологическая роль данной активности требует уточнения. Например, она может влиять на передачу сигналов фосфатидной кислоты или лизофосфатидной кислоты (Brown et al., 2010).
Также Янгом и др. (Yang et al., 2010b) был обнаружен специфический белковый ингибитор ATGL. Первоначально белок был идентифицирован в мононуклеарных клетках крови как активирующийся при переходе от фазы G0 к G1 клеточного цикла. В соответствии с этой функцией ему было присвоено название G0/G1 Switch protein 2 (G0S2). G0S2 человека и мыши имеют предсказанную первичную структуру 103 а.о. Белок содержится во многих тканях организма, причем самые высокие концентрации наблюдаются в жировой ткани и печени. Аналогично показателям активности липаз, уровень экспрессии G0S2 в жировой ткани во время голодания весьма низок, но увеличивается после приема пищи (Yang et al., 2010b). Напротив, голодание либо агонисты PPARα повышают экспрессию G0S2 в клетках печени (Zandbergen et al., 2005). Белок локализуется в различных клеточных компартментах, включая ЛК, цитоплазму, ЭР и митохондрии. Разнообразие внутриклеточной локализации может отражать многочисленные функции G0S2 в регуляции липолиза, клеточного цикла и, возможно, апоптоза посредством взаимодействия с митохондриальным антиапоптотическим фактором Bcl2 (Welch et al., 2009). In vitro связывание ЛК и ингибирование ATGL зависят от непосредственного взаимодействия между N-концевой областью G0S2 (а.о. 27-42) и пататиновым доменом ATGL (Lu et al., 2010). Выяснение того, регулирует ли G0S2 тканеспецифичный липолиз in vivo, потребует характеристики трансгенных моделей G0S2 и моделей нокаутированных мышей.
ЛК-ассоциированные белки участвуют в CGI-58-опосредованной регуляции ATGL (рис. 1, слева). В гормонально нестимулированных белых и бурых адипоцитах перилипин-1 взаимодействует с CGI-58, предотвращая его связывание с ATGL и, таким образом, активацию фермента. При β-адренергической стимуляции протеинкиназа A (PKA) фосфорилирует перилипин-1 по нескольким сайтам, в том числе, по ключевому остатку серина-517, что приводит к высвобождению CGI-58. Затем кофактор связывается с ATGL и стимулирует ее активность (Granneman et al., 2009, Miyoshi et al., 2007). Таким образом, β-адренергическая стимуляция PKA активирует ATGL путем фосфорилирования перилипина-1, но не прямого фосфорилирования фермента. В соответствии с данной моделью, мутанты перилипина-1 со сдвигом рамки считывания у человека (L404fs и V398fs) не способны связывать CGI-58, что приводит к неконтролируемому липолизу, частичной липодистрофии, гипертриглицеридемии и инсулинорезистентности (Gandotra et al., 2011). ATGL-опосредованный гидролиз ТГ в нежировых тканях с высокой скоростью окисления ЖК, таких как мышцы и печень, протекает по другому механизму. В этих тканях перилипин-1 заменен перилипином-5 (рис. 1, справа). Во время голодания перилипин-5 рекрутирует в ЛК как ATGL, так и CGI-58, напрямую связываясь с ферментом и его коактиватором. Образование тройного комплекса задействует C-концевую область перилипина-5 (а.о. 200-463) (Granneman et al., 2011). Роль перилипина-5 в этом комплексе все еще остается предметом обсуждения. Некоторые данные свидетельствуют о том, что перилипин-5 участвует во взаимодействии ЛК с митохондриями и ингибирует ATGL-опосредованный гидролиз ТГ (Wang et al., 2011). Вопрос о том, взаимодействуют ли перилипины-2, -3 и -4 с ATGL или CGI-58 аналогичным образом, остается открытым. Сверхэкспрессия перилипина-2 в культивируемых гепатоцитах подавляет активность ATGL, ограничивая физический доступ фермента к ЛК, вероятно, без привлечения непосредственных белок-белковых взаимодействий (Bell et al., 2008, Listenberger et al., 2007).
В жировых тканях β-адренергическая стимуляция липолиза приводит к последующему гидролизу ТГ и образованию ЖК и глицерина. В данном процессе задействованы три фермента: ATGL расщепляет первую сложноэфирную связь в ТГ, HSL гидролизует ДГ и MGL – МГ. Для поддержания полноценной гидролитической активности ATGL взаимодействует с коактиватором CGI-58, тогда как HSL фосфорилируется, транслоцируется в ЛК и взаимодействует с фосфорилированным перилипином-1 (PLIN-1). Во время голодания уровень экспрессии ингибитора ATGL G0S2 поддерживается на низком уровне в жировой ткани и на высоком уровне в окислительных тканях (например, печени). В окислительных тканях в составе ЛК вместо PLIN-1 присутствует перилипин-5 (PLIN-5), который взаимодействует как с ATGL, так и с CGI-58, облегчая локализацию этих белков в ЛК. ATGL, липаза триглицеридов жировой ткани; CGI-58, белок-коактиватор Comparative Gene Identification-58; DG, диацилглицерид; FA, жирная кислота; G, глицерин; G0S2, G0/G1 Switch protein 2; HSL, гормоночувствительная липаза; MG, моноацилглицерид; MGL, МГ-липаза; PLIN-1, перилипин-1; PLIN-5, перилипин-5; TG, триацилглицерид.
По сообщениям нескольких научных групп, фактор пигментного эпителия (Pigment Epithelium-Derived Factor, PEDF) индуцирует гидролиз ТГ в жировой ткани, мышцах и печени посредством ATGL (Borg et al., 2011, Chung et al., 2008). PEDF представляет собой повсеместно экспрессируемый белок молекулярной массой 50 кДа из семейства неингибирующих серпиновых ингибиторов сериновых протеиназ (Filleur et al., 2009). Он обладает широким спектром биологических активностей, включая антиангиогенное, противоопухолевое, нейропротекторное, антиоксидантное и противовоспалительное действие. PEDF связывается с ATGL и активирует фермент (Borg et al., 2011, Notari et al., 2006). Хотя механизм процесса еще предстоит выяснить, активация ATGL посредством PEDF может быть вовлечена в патогенез инсулинорезистентности и развития гепатостеатоза.
Другой важный аспект регуляции ATGL был выявлен с помощью исследования образования ЛК на генетическом уровне в клетках Drosophila (D.) melanogaster L2 (Beller et al., 2008, Guo et al., 2008). Результаты убедительно продемонстрировали, что доставка ATGL в ЛК требует нормально функционирующего везикулярного транспорта. В отсутствие основных белковых компонентов данного транспортного механизма, таких как ARF1 (ADP-Ribosylation Factor 1), ГТФазы SAR1, GBF1 (guanine-nucleotide exchange factor Golgi-Brefeldin A resistance Factor), либо при дефиците белков коатамерных комплексов I и II, транслокация ATGL в ЛК блокируется, и фермент остается связанным с ЭР (Soni et al., 2009). Процесс требует физического связывания ATGL с GBF1 (Elling et al., 2011).
HSL: главная ДГ-липаза
В начале 1960-х гг. было отмечено, что липолитическая активность, присутствующая в жировой ткани, индуцируется гормональной стимуляцией. В знаковой статье, опубликованной группой Д. Стейнберга (Vaughan et al., 1964), описаны выделение и характеристика как HSL, так и MGL. Хотя в этой классической работе отмечалось, что HSL является гораздо более эффективной гидролазой ДГ, чем ТГ, впоследствии стандартные сведения из учебников закрепили вывод о том, что действие HSL является лимитирующей стадией катаболизма ТГ в жировой и многих нежировых тканях. Эта точка зрения потребовала пересмотра, когда было обнаружено, что у мышей с дефицитом HSL по-прежнему имел место эффективный гидролиз ТГ (Osuga et al., 2000). У этих мышей не отмечалось признаков накопления ТГ ни в жировых, ни в неадипозных тканях. Вместо этого во многих тканях животных накапливалось большое количество ДГ. Это позволяет предположить, что in vivo фермент играет более важную роль в качестве ДГ-, нежели ТГ-гидролазы (Haemmerle et al., 2002). Хотя первоначально это казалось спорным (Rydén et al., 2007), в настоящее время все же признано, что ATGL отвечает за начальную стадию липолиза в адипоцитах человека, а активность HSL является лимитирующей в процессе катаболизма ДГ (Bezaire et al., 2009). В дополнение к ДГ, HSL также гидролизует сложноэфирные связи многих других липидов (например, ТГ, МГ, сложных эфиров холестерина и ретиниловых эфиров) и эфиров короткоцепочечных карбоновых кислот (Fredrikson et al., 1986).
Профиль экспрессии HSL в основном схож с таковым для ATGL. Самые высокие концентрации мРНК и белка обнаружены в белой и бурой жировых тканях. Низкий уровень экспрессии характерен для многих других тканей, включая мышцы, яички, стероидогенные ткани и островки поджелудочной железы (Holm et al., 2000). Альтернативный сплайсинг приводит к тканеспецифичным различиям в размере мРНК и белка (Holst et al., 1996). В жировой ткани HSL содержит 768 а.о. В отличие от ATGL, ортологи которой были обнаружены у всех эукариот, HSL филогенетически менее распространен. Так, ортолог HSL не известен у птиц, C. elegans, D. melanogaster и Saccharomyces (S.) cerevisiae. Интересно, что ближайшие структурные аналоги HSL обнаружены у прокариот (например, липаза 2 у Moraxella TA144) (Langin et al., 1993). Функциональные исследования выявили в HSL N-концевую липидсвязывающую область, α/β-гидролазный домен, включающий каталитическую триаду, и регуляторный модуль, содержащий все известные сайты фосфорилирования, важные для регуляции активности фермента (Holm et al., 2000).
Регуляция HSL
Поскольку ATGL и HSL гидролизуют ТГ скоординированным образом, неудивительно, что в их механизмах регуляции присутствует много общего. В жировой ткани активность HSL резко индуцируется β-адренергической стимуляцией, тогда как инсулин оказывает сильное ингибирующее действие. Процессы регуляции обеих липаз, однако, имеют и существенные различия. В то время как β-адренергическая стимуляция регулирует ATGL, главным образом, посредством рекрутирования коактиватора CGI-58 (см. ранее), HSL является основной мишенью для PKA-катализируемого фосфорилирования (Strålfors and Belfrage, 1983). Другие киназы, включая AMPK, ERK, киназу гликогенсинтазы-4 и Ca2+/кальмодулин-зависимую киназу, также фосфорилируют HSL для модуляции активности фермента (Lass et al., 2011). Фермент имеет по меньшей мере пять потенциальных сайтов фосфорилирования, из которых S660 и S663, по-видимому, особенно важны для гидролитической активности (Anthonsen et al., 1998). Фосфорилирование фермента умеренно влияет на активность (приблизительно 2-кратное увеличение). Для полной активации HSL должна получить доступ к ЛК, который в жировой ткани опосредуется перилипином-1. Одновременно с HSL PKA также фосфорилирует перилипин-1 по шести консенсусным остаткам серина. В результате HSL связывается с N-концевой областью перилипина-1, тем самым получая доступ к ЛК (Miyoshi et al., 2007, Shen et al., 2009, Wang et al., 2009). В совокупности, фосфорилирование HSL и транслокация фермента в ЛК в сочетании с активацией ATGL CGI-58 приводят к более чем 100-кратному усилению гидролиза ТГ в адипоцитах (см. рис. 1). Этот процесс активации модулируется и другими факторами. Так, было показано, что белок RIP-140 (Receptor-Interacting Protein 140) индуцирует липолиз путем связывания с перилипином-1, стимулируя транслокацию HSL в ЛК и активируя ATGL посредством диссоциации CGI-58 из комплекса с перилипином-1 (Ho et al., 2011). В нежировых тканях, таких как скелетные мышцы, HSL активируется путем фосфорилирования в ответ на адреналин и мышечное сокращение (Watt et al., 2006). В этих тканях отсутствует перилипин-1, и еще предстоит определить, какие альтернативные механизмы регулируют доступ HSL к ЛК.
Инсулин-опосредованное ингибирование липолиза связано с подавлением экспрессии ATGL и HSL на уровне транскрипции (Kershaw et al., 2006, Kralisch et al., 2005). Кроме того, запуск сигналов инсулина приводит к фосфорилированию и активации различных изоформ фосфодиэстеразы (PDE) посредством PKB/AKT (Enoksson et al., 1998), катализируемому PDE гидролизу цАМФ и ингибированию PKA. Эти события останавливают липолиз, предотвращая фосфорилирование HSL и перилипина-1, активацию и транслокацию HSL и активацию ATGL посредством CGI-58. В дополнение к своему периферическому действию, инсулин также действует централизованно через симпатическую нервную систему, подавляя липолиз в организме. Элегантные исследования Шерера и его коллег (Scherer et al., 2011) показали, что повышенные уровни инсулина в головном мозге ингибируют фосфорилирование HSL и перилипина, что приводит к снижению активности HSL и ATGL.
MGL: заключительный этап липолиза
MGL считается ферментом, ограничивающим скорость расщепления МГ, которые продуцируются в результате внеклеточного гидролиза ТГ (с помощью LPL), внутриклеточного гидролиза ТГ (с помощью ATGL и HSL) и внутриклеточного гидролиза фосфолипидов (с помощью фосфолипазы C и мембраносвязанных ДГ-липаз α и β). MGL локализуется в клеточных мембранах, цитоплазме (Sakurada and Noma, 1981) и ЛК (неопубликованные данные). MGL привлекла значительный интерес после понимания того, что синтезируемый из глицерофосфолипидов МГ, 2-арахидонилглицерин (2-AG), является основным агонистом эндоканнабиноидной сигнализации и инактивируется путем гидролиза MGL (см. MG-сигнализация, ниже). Фермент экспрессируется повсеместно, самые высокие уровни экспрессии отмечены в жировой ткани. Важность MGL для эффективной деградации МГ была подтверждена на моделях мутантных мышей (Chanda et al., 2010, Schlosburg et al., 2010, Taschler et al., 2011). Недостаток MGL ухудшает липолиз и связан с повышением уровня MG как в жировых, так и в неадипозных тканях.
MGL гомологична эстеразам, лизофосфолипазам и галопероксидазам и содержит консенсусный мотив GXSXG в каталитической триаде (S122, A239 и H269 для мышиной MGL), который типичен для липаз и эстераз. Совсем недавно была разрешена кристаллическая структура MGL (Bertrand et al., 2010, Labar et al., 2010). Фермент демонстрирует классическую структуру α/β-гидролаз, кристаллизуется в виде димера и обладает широкой гидрофобной областью вблизи каталитического сайта. Неполярная α-спиральная «крышка» покрывает активный центр и опосредует взаимодействие MGL с мембранными структурами, а также рекрутирование субстрата.
Другие липазы, участвующие в катаболизме ТГ
Эксперименты на мышах с дефицитом ATGL, а также с использованием низкомолекулярных ингибиторов HSL показали, что ATGL и HSL ответственны за более чем 90% липолитической активности в белых и культивируемых адипоцитах (Schweiger et al., 2006). В нежировых тканях вклад других нейтральных липаз в катаболизм запасенных ТГ может оказаться более заметным. Например, в печени голодающих мышей на долю ATGL приходится менее 50% нейтральной ТГ-гидролазной активности (Reid et al., 2008). Эта активность физиологически важна, поскольку у мышей с дефицитом ATGL развивается гепатостеатоз (Haemmerle et al., 2006, Wu et al., 2011). Однако значительная остаточная активность печеночной ТГ-гидролазы (гидролаз) у мышей с дефицитом ATGL указывает на вклад других липаз в высокодинамичную конверсию ТГ. Эта точка зрения подтверждается наблюдением, что мыши, у которых отсутствует ATGL в печени, не имеют явных дефектов в биогенезе ЛПОНП (Wu et al., 2011), хотя сборка и секреция частиц ЛПОНП в печени требуют значительной мобилизации запасов печеночных ТГ. Поскольку HSL также слабо экспрессируется в гепатоцитах, существование альтернативных печеночных ДГ-гидролаз представляется вполне вероятным.
В качестве потенциальных ТГ-гидролаз рассматривалось несколько представителей семейства карбоксилэстераз/липаз и семейства PNPLA-фосфолипаз. Один из них, карбоксилэстераза-3/триглицеридгидролаза-1 (Ces-3/Tgh-1, ортолог Ces-1 человека), вызвала большой интерес, поскольку недавняя характеристика мышей с дефицитом Ces-3/Tgh-1 предоставила убедительные доказательства того, что фермент участвует в сборке и секреции печеночных ЛПОНП (Wei et al., 2010). Каким образом эта биологическая функция согласуется со строго люминальной локализацией Tgh-1 в ЭР, еще предстоит выяснить.
Структурные гомологи ATGL среди семейства PNPLA также рассматривались в качестве потенциальных ТГ-гидролаз. Например, PNPLA4 и -5 проявляют ТГ-гидролазную, ДГ-трансацилазную и ретинилэфиргидролазную активности in vitro (Kienesberger et al., 2009b). Предстоит определить, присутствуют ли данные типы активности в условиях in vivo. Членом семейства PNPLA с наибольшей гомологией по отношению к ATGL (более 50% идентичности а.о. в домене пататина) является адипонутрин (PNPLA3). Адипонутрин был первоначально обнаружен как регулируемый питанием специфичный для жировой ткани транскрипт неизвестной функции (Baulande et al., 2001). Интерес к адипонутрину чрезвычайно возрос, когда Х. Хоббс и коллеги на генетическом уровне обнаружили отчетливую связь между несинонимичной заменой I148M в адипонутрине и склонностью к развитию неалкогольного ожирения печени (Romeo et al., 2008). Несколько других групп подтвердили и дополнили это важное открытие, продемонстрировав устойчивые ассоциации I148M с алкогольными и неалкогольными заболеваниями печени, фиброзом печени и циррозом печени (Krawczyk et al., 2011, Tian et al., 2010, Yuan et al., 2008). Близкое сходство с ATGL, а также наличие консервативных структурных мотивов, типичных для липаз/эстераз (α-β-α-сэндвич-структура и мотив GXSXG в каталитической диаде), указывают на наличие у адипонутрина липазной активности. В соответствии с этим предположением несколько групп сообщили, что адипонутрин действует как ТГ-гидролаза и дополнительно проявляет активность ДГ-трансацилазы (He et al., 2010, Huang et al., 2011, Jenkins et al., 2004, Lake et al., 2005). Однако профиль экспрессии, генерируемый в ответ на голодание/прием пищи, а также индукция экспрессии гена адипонутрина посредством SREBP1a/c и CHREBP свидетельствуют против роли адипонутрина в липолизе in vivo (Dubuquoy et al., 2011, He et al., 2010, Kershaw et al., 2006, Lake et al., 2005). Точное определение функциональной роли адипонутрина также оказалось затруднительным, поскольку мыши с дефицитом PNPLA3 не проявляли обнаруживаемого фенотипа в липидном, липопротеиновом или энергетическом метаболизме (Basantani et al., 2011, Chen et al., 2010). Сверхэкспрессия варианта адипонутрина I148M приводила к накоплению ТГ (He et al., 2010), тогда как сверхэкспрессия адипонутрина дикого типа в печени не создавала очевидного фенотипа (He et al., 2010). В целом, биохимическая и (пато)физиологическая роль адипонутрина остается невыясненной.
Аутофагия и кислый липолиз
В дополнение к классическому липолизу при участии экстрализосомальных нейтральных липаз, ТГ и сложные эфиры холестерина также могут быть гидролизованы LAL. Считается, что LAL катаболизирует, главным образом, липопротеин-ассоциированные липиды после их рецептор-опосредованного эндоцитоза и слияния с лизосомами. Соответственно, вклад активности LAL в липолиз внутриклеточных ЛК не считался релевантным. Учитывая лизосомальную локализацию LAL, не представлялось очевидным, каким образом липиды из ЛК попадают в лизосомы. Рассматривая этот вопрос, Сингх и коллеги предоставили убедительные доказательства связи липолиза с макроаутофагией (Singh et al., 2009a). Макроаутофагия – это лизосомальный путь, разрушающий избыточные или поврежденные органеллы, а также цитоплазматические включения, такие как агрегаты неправильно свернутых белков (Levine and Kroemer, 2008). Эти цитоплазматические грузы захватываются внутрь двухмембранных везикул (аутофагосом), которые в конечном счете сливаются с лизосомами, где их содержимое утилизируется. Впоследствии липиды и аминокислоты высвобождаются в цитоплазму и способствуют поступлению энергии и аминокислот при голодании. Таким образом, наряду с липолизом, макроаутофагия является одной из двух консервативных реакций на организменное и клеточное голодание.
Сингх и коллеги (Singh et al., 2009a) обнаружили, что, в дополнение к традиционным нейтральным липазам, аутофагия ЛК необходима для липолиза, индуцируемого голоданием, в печени мыши и культивируемых гепатоцитах. Ученые показали, что рекрутирование белка LC-3 и формирование участков мембраны при помощи конъюгации белка Atg7 приводит к образованию везикул с двойной мембраной, которые захватывают участки цитоплазматических ЛК (аутолипофагосомы). Аутолипофагосомы в конечном счете сливаются с лизосомами, где содержание липидов в них снижается под действием LAL. Согласно роли липоаутофагии при голодании, Сингхом и соавт. было обнаружено, что делеция Atg7 вызывает накопление липидов в печени. Хроническое потребление жиров ухудшает аутофагическую деградацию запасных липидов печени, вызывая их чрезмерное отложение. Хотамислигил и его коллеги (Yang et al., 2010a) подтвердили эти выводы, показав, что у мышей ob/ob значительно снижена печеночная экспрессия Atg7. Данное нарушение способствовало развитию гепатостеатоза у этих животных. Накопление жира в печени снижалось при тканеспецифичном восстановлении экспрессии Atg7.
В то время как эффекты аутофагии у мышей с генетически обусловленным ожирением и у мышей, содержавшихся на высокожировой диете, кажутся схожими, роль аутофагии в метаболизме липидов у нормальных мышей остается спорной. Во-первых, аутофагия, по-видимому, имеет преимущественное значение в печени после аномально длительных периодов голодания. Обычно во время более коротких периодов голодания содержание жиров в печени увеличивается в силу индукции липолиза жировой ткани и усиления поступления ЖК в печень. Поэтому задействование аутофагии при данных условиях маловероятно. Подтверждая данное предположение, Хотамислигил и его коллеги не наблюдали стеатоза печени или изменений уровней ТГ или ЖК в сыворотке крови голодавших мышей после миРНК-опосредованного подавления экспрессии Atg7 (Yang et al., 2010a). Во-вторых, гепатостеатоз в результате дефицита Atg7 наблюдался лишь в некоторых исследованиях. Хотя дефицит Atg7 приводит к заметному увеличению печени, вопрос о накоплении ТГ остается спорным. Утияма и коллеги сообщили, что делеция Atg7 в печени при голодании ингибирует образование ЛК как in vivo, так и in vitro. Это приводит к снижению содержания ТГ в печени (Shibata et al., 2009, Shibata et al., 2010). В соответствии с ролью LC3 в образовании ЛК, подавление экспрессии LC3 интерферирующей РНК предотвращало образование ЛК в группе различных (печеночных и непеченочных) клеточных линий. Примечательно, что LC3 локализован на поверхности ЛК. Авторы утверждали, что липидирование LC3 фосфатидилэтаноламином (образование LC3-II), которое является начальной стадией сборки аутофагосом, также необходимо для формирования ЛК. Потенциальная роль аутофагии в липогенезе, но не в липолизе согласуется с данными о том, что наружное введение ЖК индуцирует, а не ингибирует аутофагию при образовании ЛК в печени натощак (Tang et al., 2011).
Роль аутофагии в липогенезе также стала очевидной по результатам анализа жировой ткани мышей с дефицитом Atg7. Прогнозируя липолитический дефект, мы предположили, что ингибирование аутофагии в адипоцитах приведет к фенотипу ожирения (Zechner and Madeo, 2009). Однако, напротив, тканеспецифичный нокаут Atg7 вызывал снижение жировой массы, повышенную чувствительность к инсулину и повышенную скорость β-окисления (Singh et al., 2009b). Адипоциты содержали меньшие по размеру мультилокулярные ЛК и демонстрировали нормальный базальный липолиз. Соответственно, ингибирование аутофагии в культивируемых адипоцитах с использованием миРНК Atg7 блокировало накопление ТГ (Singh et al., 2009b). В совокупности эти данные свидетельствуют о плохо изученной в настоящее время роли аутофагии в биогенезе ЛК. Интересно, что мыши со специфичным для жировой ткани дефицитом Atg7 демонстрируют снижение массы белых адипоцитов наряду с увеличением массы бурых (Baerga et al., 2009, Singh et al., 2009b). Сингх и др. утверждали, что ингибирование дифференцировки белых адипоцитов может привести к дефектам липогенеза. Также данные авторы предположили, что блокирование аутофагии может способствовать трансдифференцировке белых адипоцитов в бурые.
Таким образом, аутофагия может играть разноплановую роль в метаболизме липидов в зависимости от типа клетки или ткани. В печени аутофагия может способствовать липолизу при диете с высоким содержанием жиров или длительном голодании. С другой стороны, аутофагия может способствовать накоплению липидов при кратковременном голодании. В белых адипоцитах аутофагия, по-видимому, участвует в дифференцировке и липогенезе, но не в липолизе. Роль аутофагии при расщеплении жиров в других липолитически активных типах клеток, таких как мышцы, макрофаги и стероидогенные клетки, еще предстоит определить.
Часть 2: https://feeds.tilda.cc/posts/preview/?postuid=6izp0lt9h1