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.
Sphingolipids are a class of lipids containing a backbone of sphingoid bases, which are a set of aliphatic amino alcohols that includes sphingosine. They were discovered in brain extracts in the 1870s and were named after the mythological sphinx because of their enigmatic nature. These compounds play important roles in signal transduction and cell recognition. Sphingolipidoses, or disorders of sphingolipid metabolism, have particular impact on neural tissue. A sphingolipid with a terminal hydroxyl group is a ceramide. Other common groups bonded to the terminal oxygen atom include phosphocholine, yielding a sphingomyelin, and various sugar monomers or dimers, yielding cerebrosides and globosides, respectively. Cerebrosides and globosides are collectively known as glycosphingolipids.
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.