破解血脂平衡难题，他一步步锁定锰离子 | 走近科学

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在全球范围内，心血管疾病始终是威胁人类生命健康的头号杀手，而诱发这类疾病的核心元凶，正是失衡的血脂水平。目前临床上主流的降脂药物只能“止损”，不能实现逆转“修复”，研究人员一直迫切寻找能够精准调控血脂平衡的全新治疗方案。由北京大学陈晓伟领衔的团队一直深耕脂蛋白分泌方向，旨在揭示机体内血脂平衡的机制。

01

从一个假设出发

食物摄入后，脂质去哪儿了？经过消化系统简单处理后，食物中的脂质首先会通过血液循环集中到人体内的代谢工厂——肝脏组织之中。在这里，我们的肝脏细胞将来自食物的脂质与自身合成的脂质进行整合，然后再根据其他组织细胞对于脂质的需求，对所有来自食物的脂质资源进行“定额分配”，最后以“寄送快递”的方式通过血液循环分配给其他组织细胞。

肝脏细胞内的快递中心每时每刻都要向身体各处发放装载不同种类货物的快递，而储存脂质分子的“快递包裹”有着特殊的包装需求。

那么问题来了：肝脏细胞是否具有一套专门用于生产“脂质分子快递”的流水线呢？

北京大学陈晓伟作出的假设是存在一条专门用于将“脂质分子快递”送出肝脏这一“快递中心”的细胞通路。

2014年，陈晓伟在北京大学分子医学研究所建立起自己的研究团队，并计划从一种名为“乳糜微粒滞留病”（CMRD）的遗传性疾病入手，对以上假设进行探索。

陈晓伟

北京大学未来技术学院教授

CMRD患者的肠胃细胞难以摄取食物中的脂类物质，导致脂类物质滞留在肠道中，无法被传输到血液循环当中。

针对一些CMRD患者开展的遗传学研究发现，编码SAR1B蛋白的基因存在突变。而SAR1B恰恰是肝脏细胞通用“快递生产线”上的重要一员。

陈晓伟由此推测，在小鼠的肝细胞中敲除编码Sar1b蛋白的基因，应该会导致肝脏细胞快递生产线全面“瘫痪”，“脂质分子快递”自然也难以幸免。

从Sar1b基因编辑小鼠中获得的实验结果，也验证了这一点：在Sar1b基因被敲除后，肝脏细胞的“脂质分子快递”停运，血液中流通的甘油三酯、胆固醇含量都大幅降低。

这个实验帮助陈晓伟确信，Sar1b在“脂质分子快递”生产线中发挥着关键作用。

但Sar1b在肝脏“快递中心”中的工友众多，如何才能找到和Sar1b一起参与“脂质分子快递”这条特定生产线的生物分子呢？

陈晓伟设计的实验思路非常清晰，可以简单分成“生化-遗传”两步走。

第一步采取生物化学手段。研究者给Sar1b添加了一段特殊的序列标记，使其能像手机定位一样追踪下一段时间内与Sar1b蛋白有过近距离接触的蛋白分子，其中当然既包括了与Sar1b一起加工“脂质分子快递”的工友，也包括与Sar1b在其他生物分子流水线共事的工友。

第二步则借助遗传学手段。研究者把精力集中在那些与Sar1b“共事时间”最长的蛋白，并在小鼠肝脏中将它们逐一敲除。如果敲除的分子不参与“脂质分子快递”加工，那么小鼠的血脂应该变化不大；而如果敲除的分子工作岗位恰好也在“脂质分子快递”这条生产线上，那么将会引起小鼠血脂的显著降低。就这样，一个名为Surf4的分子在陈晓伟团队的科研故事中登台亮相。

Surf4蛋白在演化上高度保守，在单细胞生物酿酒酵母中甚至也能够找到它的同源蛋白。同时它在细胞中的定位恰好就在生产出“脂质分子快递”的内质网膜上。

那么问题来了：它在这条特别的快递生产线上具体的工作职责是什么呢？

为了回答这个问题，陈晓伟团队再次采取了生物化学手段，他们用特异性抗体将肝脏细胞中的Surf4蛋白富集出来，然后通过分析富集出的复合物组分对与Surf4发生相互作用的蛋白进行鉴定。

实验结果非常有趣。Surf4能与一些专属于“脂质分子快递”的“标签”进行相互作用。这意味着，Surf4扮演着类似于快递分拣员的角色：他们能准确识别出装载完成的“脂质分子快递”，然后将其送出内质网加工厂，再装载进一种名为“COP-II囊泡”的特殊包装中分泌出细胞。用专业点的话来说，Surf4是“脂质分子快递”的“受体”分子。

当陈晓伟兴致勃勃地与博士后导师大卫·金斯伯格（David Ginsburg）分享自己的发现时，他惊讶地发现其导师团队也碰上了Surf4分子。金斯伯格团队对于肝脏细胞如何分泌一类名为PCSK9蛋白的调控机制很感兴趣，并在细胞里展开了遗传学筛选，由此发现Surf4分子还参与PCSK9蛋白的快递生产线。

大卫·金斯伯格

美国国家科学院院士

主要研究分子神经病理学和与凝血机制相关的疾病分子遗传机制

有趣的是，Surf4也能与PCSK9直接发生相互作用，因此很可能也是PCSK9分拣、寄出的“受体”分子。

看来，Surf4在细胞中很忙，要负责多条快递生产线上货物的分拣工作，也许会招募助手、组成团队。

02

意外长出“鹅肝”的倒霉小鼠

在研究与Surf4发生相互作用的蛋白组分时，陈晓伟团队还发现了一种名为Tmem41b的分子。

他们猜想Tmem41b可能协助Surf4将“脂质分子快递”送出内质网，由此构建了肝细胞Tmem41b基因敲除小鼠。研究者推测，Tmem41b基因敲除小鼠应该与Surf4基因敲除小鼠类似，都会出现血脂降低的表型。

左图为野生型小鼠的肝脏，右图为肝细胞中敲除了Tmem41b基因小鼠的肝脏

实验结果的确如他们所料。

但当研究者对Tmem41b基因编辑小鼠的肝脏组织进行解剖时，眼前的一幕令他们震惊了：原本应该为红色的肝脏组织，竟然充满了厚厚的、白花花的脂肪组织！

“看来生产鹅肝的养殖场应该尝试敲除Tmem41b基因，没准能生产出新品种的鹅肝呢！”陈晓伟跟实验室的同事们开玩笑地说。

只是一个基因的敲除，竟然就导致小鼠长出了“鹅肝”，背后的原因一定不简单。

无论是Sar1b基因敲除，还是Surf4基因敲除，都不会导致肝脏组织产生如此严重的脂肪堆积。

毫无疑问，Tmem41b在脂质平衡方面发挥着未知的重要功能。

查阅文献后，研究人员发现，不久前有人刚刚发现Tmem41b参与细胞自噬的调控。

这让陈晓伟感到非常困惑：细胞自噬将生物大分子分解成更基本的组成单位，是一种典型的“分解代谢”；而肝脏细胞装配、分泌“脂质分子快递”则是将成千上万的脂质分子包装在一起，是一种典型的“合成代谢”。

合成与分解，是相反的过程。可Tmem41b究竟是如何做到同时对这两个过程都发挥作用的呢？这个问题困扰了团队很长一段时间。

直到2020年4月，陈晓伟在实验室中忽然灵光一现：细胞自噬和加工分泌“脂质分子快递”，这两条看似无关的细胞通路，存在着哪些共同之处呢？

循着求同存异的理念，陈晓伟意识到，这两条通路的正常运作，都需要消耗内质网膜上大量的磷脂分子。

换句话说，内质网膜作为两条不同生产线的工作台，生产过程中会受到很大程度的磨损。

细胞为了保障生产线运转的正常，需要不断向内质网膜补给原料，以修复损耗。而Tmem41b的功能，很可能就与内质网膜这个工作台的修复机制有关。

不难想象，一旦内质网膜修复能力被破坏，罢工的生产线绝不只有上面提到的两条，这也就解释了为何Tmem41b敲除会对肝脏组织的脂质平衡造成如此严重的破坏。

想通了这个，接下来的实验验证就顺利得多了。陈晓伟团队发现Tmem41b具有“磷脂翻转酶”活性，对于维持内质网膜的脂质平衡非常重要。

2020年，随着新冠疫情暴发，理解新冠病毒侵染细胞的机制一时间成了众多研究者关注的焦点问题。多个研究团队通过遗传学筛选的手段独立发现，敲除TMEM41B能显著抑制新冠病毒在细胞中的增殖能力。但很遗憾，TMEM41B蛋白结构的特征决定了它自身很难成为一个良好的药物靶点。

陈晓伟团队与中国医学科学院病原生物学研究所钱朝晖团队展开合作，发现TMEM41B通路中的LIPIN-1基因在被敲除后同样能够起到抑制新冠病毒增殖的作用。

幸运的是，靶向LIPIN-1蛋白的抑制剂已经在临床得到批准。研究者通过细胞实验和小鼠模型论证LIPIN-1蛋白抑制剂有良好的抗新冠病毒作用，具有被开发成为新型抗病毒药物的潜力。

但TMEM41B究竟是如何影响病毒在细胞内部增殖的呢？

陈晓伟推测病毒很可能是“劫持”了原先细胞中的“脂质分子快递”生产线，将大量本应被分泌出细胞的脂质分子占为己有，用于自身的复制。

循着这条线索，一个意外的发现在前方等待着研究者们。

03

原来锰离子能治疗高血脂

为了研究病毒感染对肝细胞“脂质分子快递”生产线的影响，陈晓伟团队选择了一种能引发肝炎的腺病毒作为实验对象。

出乎他们的意料，对于不同基因型的小鼠模型，同样的腺病毒居然会导致截然相反的效果：对于野生型小鼠来说，腺病毒感染会导致血脂水平降低；而对于血脂水平本来就很低的Sar1b基因敲除小鼠来说，腺病毒感染则会大幅提升血脂水平。

该如何解释这看似互相矛盾的实验现象呢？

Sar1b在肝脏“快递生产线”上扮演着类似于装配工人的角色——他们利用水解GTP分子产生的能量组装成COP II囊泡的临时包装盒，将待分拣的快递货物包装起来。陈晓伟由此立刻联想到了实验室不久前通过体外实验发现的另一个有趣现象： COP II囊泡的临时包装盒也能通过“相分离”的方式堆积起来，有助于高效地组装。

于是，一个由此产生的猜想在陈晓伟心中逐渐成型。在Sar1b基因敲除小鼠中，由于Sar1b这位工人的缺失，COP-II囊泡相分离的动力不足以支撑脂质快递分子的分泌，导致血脂水平很低；而病毒感染对于COP-II囊泡相分离具有推动作用，因此会引发血脂水平的升高。与之相反，在野生型小鼠中，COP-II囊泡在Sar1b的加持下生成的动力本来已经拉满，腺病毒过犹不及，更高程度的相分离加剧了过度堆积，反而降低了COP-II囊泡包装货物的效率。

他们发现感染过腺病毒的肝脏组织提取物，能够促进体外实验中COP-II囊泡发生相分离，有力地支持了病毒感染增强肝细胞COP-II囊泡相分离这一猜想。

那么，病毒感染是如何影响COP-II囊泡相分离的呢？

为了回答这个问题，陈晓伟团队再一次采取了生物化学的手段，将感染过腺病毒的肝脏组织提取物根据不同理化性质进行分离，发现是其中包含的金属离子成分能够促进COP-II囊泡发生相分离。更准确地说，促进COP-II囊泡发生相分离的真正助推力来自二价锰离子。

类似于腺病毒的影响，低浓度锰离子能够通过促进COP-II囊泡相分离，提升从内质网释放的效率；而一旦锰离子浓度超过了临界值，则会导致相分离的COP-II囊泡流动性降低，从内质网释放的效率降低。

根据这一特性，陈晓伟不禁联想：是否可以通过调节细胞中锰离子的浓度，对肝细胞中“快递生产线”的运行效率进行精确控制呢？

他们与中国科学院自动化研究所田捷团队的冯欣研究员合作，对小鼠口服锰离子疗法展开研究，发现口服锰离子疗法具有强效降低血脂、清除动脉粥样硬化斑块的神奇效果。

口服锰离子在人体中是否安全？锰离子疗法是否有机会发展成为一种新型的降血脂药物呢？这是陈晓伟为自己团队未来几年设定的重要课题。

-本文作者黄宇翔是密歇根大学医学院博士后研究员，致力于用涡虫系统研究衰老与再生的分子机制-

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