Введение

Сфинголипиды — это класс липидов, содержащих основу из сфингоидных оснований, которые представляют собой набор алифатических аминоалкоголей, включающий сфингозин. Они были обнаружены в экстрактах мозга в 1870-х годах и получили название в честь мифологического сфинкса из-за своей загадочной природы. Эти соединения играют важную роль в передаче сигналов и распознавании клеток. Сфинголипидозы, или расстройства метаболизма сфинголипидов, оказывают особое влияние на нервную ткань. Сфинголипид с концевой гидроксильной группой является керамидом. Другие распространенные группы, связанные с концевым атомом кислорода, включают фосфохолин, образующий сфингомиелин, и различные мономеры или димеры сахаров, образующие соответственно цереброзиды и глобозиды. Цереброзиды и глобозиды коллективно известны как гликосфинголипиды.

Структура

Длинноцепочечные основания, иногда называемые просто сфингоидными основаниями, являются первыми стабильными продуктами de novo синтеза сфинголипидов у дрожжей и млекопитающих. Эти соединения, известные как фитосфингозин и дигидросфингозин (также известный как сфинганин, хотя этот термин используется реже), в основном представляют собой соединения C18, с несколько меньшим содержанием оснований C20. Керамиды и гликосфинголипиды являются N-ацильными производными этих соединений. Сфингозиновый скелет O-связан с (обычно) заряженной головной группой, такой как этаноламин, серин или холин. Скелет также амидно связан с ацильной группой, например, жирной кислотой.

Метаболизм сфинголипидов у млекопитающих

Синтез сфинголипидов начинается с образования 3-кетодигидросфингозина серин-пальмитоилтрансферазой. Предпочтительными субстратами для этой реакции являются пальмитоил-КоА и серин. Однако исследования показали, что серин-пальмитоилтрансфераза обладает некоторой активностью в отношении других видов жирных ацил-КоА и альтернативных аминокислот, а разнообразие сфингоидных оснований было недавно рассмотрено. Далее, 3-кетодигидросфингозин восстанавливается до образования дигидросфингозина. Дигидросфингозин ацилируется одной из шести (дигидро)керамидных синтаз, CerS, первоначально называемых LASS, с образованием дигидроцерамида. Шесть ферментов CerS имеют различную специфичность к субстратам ацил-КоА, что приводит к образованию дигидроцерамидов с различной длиной цепи (от C14 до C26). Затем дигидроцерамиды десатурируются с образованием керамида. Керамид, синтезированный de novo, является центральным звеном сфинголипидной сети и впоследствии подвергается различным метаболическим превращениям. Он может быть фосфорилирован керамидкиназой с образованием керамид-1-фосфата. В качестве альтернативы, он может быть гликозилирован глюкозилцерамид-синтазой или галактозилцерамид-синтазой. Кроме того, он может быть преобразован в сфингомиелин путем добавления фосфорилхолиновой головной группы с помощью сфингомиелин-синтазы, в результате чего образуется диацилглицерол. Наконец, керамид может быть расщеплен керамидазой с образованием сфингозина. Сфингозин может быть фосфорилирован с образованием сфингозин-1-фосфата, который, в свою очередь, может быть дефосфорилирован обратно в сфингозин. Пути распада позволяют обращать эти метаболиты обратно в керамид. Комплексные гликосфинголипиды гидролизуются до глюкозилцерамида и галактозилцерамида. Эти липиды затем гидролизуются бета-глюкозидазами и бета-галактозидазами для регенерации керамида. Аналогично, сфингомиелин может быть расщеплен сфингомиелиназой с образованием керамида. Единственный путь, по которому сфинголипиды превращаются в несфинголипиды, – это сфингозин-1-фосфат-лиаза, которая образует этаноламинфосфат и гексадеценал.

Функции сфинголипидов млекопитающих

Сфинголипиды, как общепринято считать, защищают поверхность клетки от вредных факторов окружающей среды, формируя механически стабильный и химически устойчивый внешний слой липидного бислоя плазматической мембраны. Определенные сложные гликосфинголипиды были обнаружены в качестве участников специфических функций, таких как распознавание клеток и передача сигналов. Распознавание клеток в основном зависит от физических свойств сфинголипидов, в то время как передача сигналов включает специфические взаимодействия гликанных структур гликосфинголипидов с подобными липидами, присутствующими на соседних клетках, или с белками. Недавно было показано, что простые метаболиты сфинголипидов, такие как керамид и сфингозин-1-фосфат, являются важными медиаторами в сигнальных каскадах, вовлеченных в апоптоз, пролиферацию, стрессовые реакции, некроз, воспаление, аутофагию, старение и дифференцировку. Липиды на основе керамида самоагрегируют в клеточных мембранах и формируют отдельные фазы, менее текучие, чем основные фосфолипиды. Эти микродомены на основе сфинголипидов, или "липидные плоты", изначально были предложены для сортировки мембранных белков вдоль клеточных путей мембранного транспорта. В настоящее время большинство исследований сосредоточено на их организационной функции в процессе передачи сигнала. Сфинголипиды синтезируются по пути, начинающемуся в эндоплазматической сети и завершающемуся в аппарате Гольджи, однако эти липиды обогащаются в плазматической мембране и эндосомах, где они выполняют многие свои функции. Транспорт осуществляется посредством везикул и мономерного транспорта в цитозоле. Сфинголипиды практически отсутствуют в митохондриях и эндоплазматической сети, но составляют 20–35 молярную долю липидов плазматической мембраны. В экспериментах на животных добавление сфинголипидов в рацион ингибирует карциногенез толстой кишки, снижает уровень холестерина ЛПНП и повышает уровень холестерина ЛПВП.

Другие сфинголипиды

Сфинголипиды широко распространены у эукариот, но встречаются редко у бактерий и архей, что указывает на их древнее происхождение. Бактерии, способные производить сфинголипиды, обнаружены у некоторых представителей суперфила FCB (Сфингобактерии), в частности в семействе Sphingomonadaceae, а также у некоторых представителей классов Bdellovibrionota и Myxococcota.

Сфинголипиды дрожжей

Из-за невероятной сложности систем млекопитающих дрожжи часто используются в качестве модельного организма для изучения новых метаболических путей. Эти одноклеточные организмы часто более генетически податливы, чем клетки млекопитающих, и доступны библиотеки штаммов, предоставляющие штаммы с удалением практически любой нелетальной открытой рамки считывания. Два наиболее часто используемых вида дрожжей – *Saccharomyces cerevisiae* и *Schizosaccharomyces pombe*, хотя исследования также проводятся с патогенными дрожжами *Candida albicans*. Помимо важных структурных функций сложных сфинголипидов (инозитолфосфорилцерамида и его маннозилированных производных), сфингоидные основания фитосфингозин и дигидросфингозин (сфинганин) играют важную сигнальную роль в *S. cerevisiae*. Эти эффекты включают регуляцию эндоцитоза, убиквитин-зависимого протеолиза (и, следовательно, регуляцию поглощения питательных веществ), динамику цитоскелета, клеточный цикл, трансляцию, посттрансляционную модификацию белков и ответ на тепловой стресс. Кроме того, недавно было описано модулирование метаболизма сфинголипидов посредством сигналинга фосфатидилинозитол(4,5)-бисфосфата через Slm1p и Slm2p, а также кальцинеурина. Также было показано взаимодействие на уровне субстрата между синтезом сложных сфинголипидов и круговоротом фосфатидилинозитол-4-фосфата, катализируемым фосфатидилинозитолкиназой Stt4p и липидной фосфатазой Sac1p.

Растительные сфинголипиды

Высшие растения содержат большее разнообразие сфинголипидов, чем животные и грибы.

Расстройства

Существует несколько нарушений метаболизма сфинголипидов, известных как сфинголипидозы. Основными представителями этой группы являются болезнь Нимана-Пика, болезнь Фабри, болезнь Краббе, болезнь Гоше, болезнь Тай-Сакса и метахроматическая лейкодистрофия. Они обычно наследуются по аутосомно-рецессивному типу, однако болезнь Фабри является Х-сцепленной. В целом, частота встречаемости сфинголипидозов составляет приблизительно 1 случай на 10 000 человек, но значительно выше в определенных популяциях, таких как ашкеназские евреи. Ферментзаместительная терапия доступна в основном для лечения болезни Фабри и болезни Гоше, и люди с этими типами сфинголипидозов могут доживать до взрослого возраста. Другие типы, как правило, приводят к летальному исходу в возрасте от 1 до 5 лет для младенческих форм, но прогрессирование может быть умеренным при ювенильных или взрослых формах. Сфинголипиды также вовлечены в регуляцию белка фратаксина (Fxn), дефицит которого связан с атаксией Фридрейха (FRDA). Потеря Fxn в нервной системе у мышей также активирует железо/сфинголипид/PDK1/Mef2 путь, что указывает на эволюционную консервацию этого механизма. Кроме того, уровни сфинголипидов и активность PDK1 также повышены в сердцах пациентов с FRDA, что позволяет предположить, что аналогичный путь нарушен при FRDA. Другие исследования показали, что накопление железа в нервной системе мух усиливает синтез сфинголипидов, который, в свою очередь, активирует 3-фосфоинозитид-зависимую протеинкиназу 1 (Pdk1) и фактор усиления миоцитов 2 (Mef2), что приводит к нейродегенерации взрослых фоторецепторов. Сфинголипиды играют ключевую роль в выживании нейронов при болезни Паркинсона (БП), а изменения в их катаболическом пути в мозге частично отражаются в спинномозговой жидкости и тканях крови (таблица 1) и обладают диагностическим потенциалом.