哺乳动物细胞为什么需要胆固醇？

在哺乳动物生物学中胆固醇是一个谜，构成了生命的基本奥秘。这种蜡状物质可以威胁人类的生命。当主要由胆固醇组成的动脉斑块破裂时，它们会阻塞流向心脏和大脑的血液，导致心脏病发作和中风。但是，胆固醇对于哺乳动物的细胞功能也是必不可少的。

哺乳动物细胞生长需要胆固醇，但细胞和胆固醇之间的相互作用是一种微妙的平衡。即使是胆固醇化学结构的微小变化也会使其无法支持哺乳动物细胞的生长。产生胆固醇是一个能量昂贵的过程，需要30多个生化步骤。考虑到它的重要性，胆固醇究竟是如何发挥其重要作用的?

在20世纪70年代中期，生物化学家和诺贝尔奖得主Konrad Bloch提出胆固醇在细胞功能中起着特殊的作用，但并没有确定这种作用。他提出，从羊毛甾醇到胆固醇的途径是对进化压力的反应，并产生了一种化学结构符合生物学中特定作用的甾醇。自20世纪70年代以来，出现了多种假说，表明胆固醇影响细胞生长的具体方式。

在一种假说中，胆固醇是哺乳动物细胞中至关重要的膜蛋白活性的调节剂。在这一理论中，胆固醇通过与膜蛋白上类似于可溶性酶的激活剂(或抑制剂)的特定位点结合来调节蛋白活性。这些结合位点对胆固醇分子的结构有特异性。具有不同化学结构的甾醇类以不同亲和性与该位点结合，调节蛋白质功能。

这种活性的一个例子是哺乳动物ATP依赖性钠钾泵(Na+/K+ATP酶)，这是一种分子泵，负责Na+和K+离子跨质膜的主动反向转运。在低水平的质膜胆固醇时，Na+/K+ATP酶表达很少或没有活性。膜胆固醇含量增加导致Na+/K+ATP酶活性增加，其方式类似于结合现象。其他固醇不能像胆固醇一样支持Na+/K+ATP酶活性。Na+/K+ATP酶激活对胆固醇的结构是特异性的。这些数据表明，胆固醇与Na+/K+ATP酶上的一个特定位点结合。Na+/K+ATP酶的晶体结构揭示了位于细胞膜内的部分蛋白的胆固醇结合位点。这些数据支持了关键质膜蛋白的胆固醇调节假说。

最近发表在《科学进展》(Science Advances)上的4篇论文提供了更多证据，证明胆固醇与位于细胞内的蛋白质的特定位点结合。这些数据进一步支持胆固醇结合可调节蛋白质功能。他们还表明这种机制是胆固醇在哺乳动物细胞中的重要作用之一。这些发现还为开发针对一系列疾病的治疗方法提供了潜在的靶向途径。

胆固醇调节Smoothened提供了一个例子。Smoothened是一种G蛋白偶联受体，是参与细胞发育和癌症的Sonic Hedgehog信号通路的一部分。调节蛋白Patched 1通过减少胆固醇与Smoothened的结合来抑制Smoothened信号传导。当Sonic Hedgehog与Patched 1结合时，这种抑制作用被解除。

X线晶体结构显示，胆固醇结合Smoothened(图1)。胆固醇结合在受体外的富含半胱氨酸的结构域。该结合位点的结构定向突变提示胆固醇占用支持受体功能。第二个结合位点在假定的受体活性形式的跨膜结构域内被发现。

图1 X线晶体结构(PDB: 6O3C) Smoothened上的两个胆固醇(紫色)结合位点之一。

研究提出了一个问题:胆固醇占据一个或两个位点是否调节Smoothened的功能?Kinnebrew等重点研究了胆固醇激活Smoothened受体的机制。作者发现胆固醇对受体有两种影响。受体跨膜结构域的结合位点的占用导致了在Sonic Hedgehog存在和不存在的情况下信号传导的增加。受体外富含半胱氨酸结构域的胆固醇结合位点的占用支持特异性Sonic hedgehog刺激的受体信号传导增加。后一个位点可能是胆固醇调节Smoothened功能的关键调节位点。

人体细胞所必需的胆固醇在小肠的肠刷状缘膜内源性合成并从饮食中吸收。尼曼-匹克c1样蛋白1 (NPC1L1)位于这些膜中，并参与从肠腔吸收膳食胆固醇。研究表明NPC1L1与胆固醇结合。这种结合的胆固醇是否在NPC1L1的胆固醇吸收中发挥生理作用?

最近的两项冷冻电子显微镜研究表明，在人NPC1L1的三维结构中存在多个胆固醇结合位点。作者认为其中一些位点与Patched 1上的胆固醇结合位点类似。通过增加制备中的胆固醇水平可以诱导胆固醇结合的增加，并且除了胆固醇含量低时明显的位点外，还可以观察到多达两个额外的胆固醇结合位点。结合胆固醇的增加稳定了NPC1L1结构并支持其功能。药物依折麦布使NPC1L1上的胆固醇簇不稳定，并抑制该蛋白质在膳食胆固醇吸收方面的功能。可能存在一个包含多个胆固醇结合位点的“通道”，依折麦布可阻断该通道，从而抑制NPC1L1。依折麦布的生理作用是降低循环LDL，而LDL并入导致心血管疾病的斑块。

程序性死亡配体(PD-L1)是一种小的跨膜蛋白，与某些癌细胞的质膜相关。PD-L1序列包含两个CRAC基序，这是通常构成蛋白质上胆固醇结合位点的氨基酸序列。在Wang等的一项研究中，作者发现用胆固醇富集RKO细胞的质膜会增加PD-L1，而去除胆固醇会降低PD-L1的水平。通过NMR测定PD-L1在胆固醇存在和不存在时的结构。在没有胆固醇的情况下，PD-L1的跨膜结构域主要是螺旋。用胆固醇滴定PD-L1的二维NMR谱揭示了CRAC序列中残基的共振位移。这些数据和其他数据导致了以下结论:胆固醇在PD-L1跨膜结构域的两个CRAC序列上与PD-L1结合。

上述对膜蛋白的研究提供了胆固醇在特定位点与膜蛋白结合并调节这些蛋白功能的有趣例子。这些研究为Bloch提出的问题和胆固醇与人体健康之间的关系之谜提供了部分答案。

Unraveling a mystery: Why human cells require cholesterol | Science Advances