Opinion: Lipid droplets: a unified view of a dynamic organelle
Sally Martin and Robert G. Parton Nature Reviews Molecular Cell Biology 7, (May 2006) | doi:10.1038/nrm1912
Lipid droplets form the main lipid store in eukaryotic cells. Although all cells seem to be able to generate lipid droplets, their biogenesis, regulatory mechanisms and interactions with other organelles remain largely elusive. In this article, we outline some of the recent developments in lipid droplet cell biology. We show the mobile and dynamic nature of this organelle, and advocate the adoption of a unified nomenclature to consolidate terminology in this emerging field.
The storage of lipids in mammalian cells was long considered to be a relatively benign process in which excess fatty acids are converted to neutral lipids and deposited in cytoplasmic inclusions. In recent years, the cell biology of the lipid droplet (LD), the molecular mechanisms that underlie its regulation and the diverse connections of this organelle to other compartments in the cell have begun to be understood in more detail. Despite this, there is still considerable resistance to the idea of the LD as a bona fide organelle. Although the term lipid droplet is most widely used to describe this storage organelle, the range of terms that are variously used highlights the perceived secondary nature of lipid storage in most cell types. This point was eloquently made in 2001, in a comprehensive review of eukaryotic and prokaryotic lipid droplets by Murphy1. Despite this, the range of terms that are used has not decreased, but rather has increased since this time. In this article, we suggest that a unified approach to LD nomenclature is more important now than it has ever been (Box 1) and summarize some of the recent data that link LDs to signalling and trafficking events.
Превращение нейтральных липидов и последующая секвестрация в LDs является стратегией для накопления жирных кислот и стеролов, которая законсервирована от прокариот до эукариот1,2. В клетках млекопитающих LDs состоят из сердцевины в виде нейтральных липидов, преимущественно триглицеридов или cholesteryl эфиров, которые окружены монослоем фосфолипидов и ассоциированных белков (rev. Ref. 3). Нейтральные липиды, которые хранятся в LDs используются для метаболизма, синтеза мембран (phospholipids и cholesterol) и синтеза стероидов. Кроме того, LDs выполняют критическую роль в хранении холестерола в форме cholesteryl эфиров, как часть сложных гомеостатических механизмов, которые участвуют в регуляции уровня внутриклеточногого свободного холестерола (Box 2).
Интересно, что исследования помимо классических LD-содержащих типов клеток, таких как адипоциты и стероидогенные клетки, включают широкий круг клеток млекопитающих3,4. Наблюдается, что все типы клеток, которые были изучены, обладают способностью генерировать LDs в ответ на повышенные уровни жирных кислот и постепенно метаболизируют и раздают эти LDs, когда условия меняются на обратные. Эти данные указывают на то, что они не являются органеллами, ограниченными специализированными типами клеток, LDs являются фундаментальными компонентами внутриклеточного гомеостаза липидов во всех типах клеток. LDs привлекают также внимание как критические органеллы во время развития. LDs обнаруживают онтогенетически регулируемое позиционирование в клетках эмбрионов Drosophila melanogaster5. Это является результатом взаимодействий LD-микротрубочки, которые также являются свойством LDs в клетках млекопитающих6-8 (Box 3). LDs, следовательно, универсальное свойство эукариотических клеток и они могут создавать быстро метаболизируемые источники липидов для многих важных биологических процессов.
Lipid droplet formation
LDs быстро образуются в ответ на повышение уровней жирных кислот, как это видно на культивируемых клетках (Fig. 1a) и in vivo8. Исследования подтверждают гипотезу, что LDs образуются в дискретных регионах эндоплазматического ретикулема (ER)9,10. Рис. 1b показывает одну из моделей образования LD, но многие аспекты этой модели всё ещё плохо изучены на молекулярном уровне (альтернативная модель образования LD в Ref. 11). В модели, показанной на Рис. 1b, нейтральные липиды синтезируются между листками ER мембраны. Зрелые LD затем. как полагают, отпочковываются от ER мембраны, чтобы сформировать независимые органеллы, которые заключены внутри ограничивающего монослоя фосфолипидов и ассоциированных LD белков. Однако, неясно, остаются ли зрелые LDs в физическом контакте с ER или почкуются, чтобы стать полностью независимыми органеллами. Способность выделения LDs высокой чистоты вместе с современными техниками протеомики позволяют выявлять протеом LD в разных экспериментальных условиях12-15. Это привело к созданию карт 'housekeeping' белков из LDs, а также пролило свет на их возможные взаимодействия с др. органеллами. Описание большого количества белков, которые ассоциированы с LDs, лежит вне задач данной статьи. Мы сфокусируемся на небольшом субнаборе этих белков, которыя чрезвычайно интересны в терминах новых путей клеточного трафика и функции LD.
Среди белков, которые были идентифицированы на LDs, имеются некоторые, которые интимно связаны с везикулярным транспортом, слиянием мембран и модвижностью цитоскелета. Сюда входят семейства Rab и ADP-ribosylation factor (ARF) малых GTPases, caveolins и phospholipase D (PLD). Присутствие этих белков на LDs указывает на то, что LDs могут регулироваться таким же образом, что и др. связанные с мембранами компартменты в клетке, в ходе циклов слияния и разделения мембран, хотя эти процессы могут работать в контексте однослойных структур.
Lipid droplets and PAT-domain proteins
Некоторые из хорошо изученных LD компонентов являются членами семейства PAT-доменовых (perilipin, ADRP и TIP47-related protein domain) белков (rev. Refs 16,17). Термин PAT домен означает регион сходных последовательностей, который присутствует в членах основателях этого семейства: perilipin, adipose differentiation-related protein (ADRP; также наз. adipophilin) и tail-interacting protein of 47 kDa (TIP47). PAT-доменовые белки эволюционно законсервированы с гомологами у Dictyostelium discoideum и D. melanogaster18 (including lipid storage droplet-2 (LSD2); Box 3).
The best-characterized PAT-domain protein is perilipin. Perilipin является ключевым компонентом LDs в адипоцитах и стероидогенных клетках и участвует в стабилизации хранилищ нейтральных липидов в этих клетках. Гетерологичная экспрессия perilipin способствует образованию LD19, тогда как perilipin-нулевые мыши являются тощими и резистентными к тучности, индуцируемой диетой20,21. Хотя молекулярные механизмы, лежащие в основе активности perilipin на поверхности LD полностью неизвестны, perilipin функционально взаимодействует с hormone-sensitive lipase (HSL) и непосредственно вовлекается в активацию липолизиса22. Активация липолизиса в адипоцитах приводит к цАМФ-зависимому protein kinase A (PKA)-обусловленному фосфорилированию и perilipin и HSL23. HSL затем транслоцируется из цитозоля на поверхность покрытых perilipin LDs, где она обеспечивает гидролиз triacylglycerols и diacylglycerols24. Транслокация HSL зависит от фосфорилирования perilipin22. Экспрессия только perilipin достаточна для восстановления PKA-активируемого липолизиса в клетках25. Эти данные указывают на то, что функция perilipin в базовых клетках заключается в стабилизации хранилищ нейтральных липидов и что его функции в активированных клетках связаны с обеспечением PKA-активированного липолизиса. Хотя мало известно об активностях др. членов PAT-доменового семейства белков, возможно. что они функционируют сходным образом.
Недавниее данные начали прояснять молекулярные механизмы, лежащие в основе регуляции др. PAT-доменового белка, ADRP. ADRP, как было установлено, соединяется с жирными кислотами и холестеролом26,27, чтобы обеспечить накопление triacylglycerols28 и стимулировать потребление жирных кислот29. Показано, что ADRP соединяется непосредственно с ARF1 (Ref. 30), малой GTPase, которая непосредственно активирует PLD1 (reviewed in Ref. 31). Кроме того, и активная PLD1 локализуются на LDs32, а сборка LDs зависит от активности PLD как в бесклеточной системе33, так и культивируемых клетках32. Активация участвует в регуляции разнообразных биологических процессов, включая везикулярный трафик, слияние мембран и реорганизацию цитоскелета (rev. Ref. 31). Экспрессия GDP-ограниченной формы ARF1 вызывает отсоединение ADRP от существующих LDs и предупреждает образование новых LDs без ингибирования образования triacylglycerol, это указывает на ингибирование отпочкования LD30. Хотя молекулярные механизмы, лежащие в основе взаимодействия между ADRP, ARF1 и PLD на LDs ещё не известны, LD монослой содержит большое количество phosphatidylcholine и lysophosphatidylcholine9, оба являются субстратами для PLD (rev. Ref. 31). Продукты активности PLD - phosphatidic кислота и lysophosphatidic кислота - как полагают, функционируют в везикулярном переносе путем инсерции в мембрану и индукции или стабилизации искривленности мембран (rev. Ref. 31). Этот метод может быть потенциально использован, чтобы сделать возможным слияение маленьких LDs для образования более крупных капель34, чтобы потенциировать фрагментации более крупных LDs на более мелкие LDs, или чтобы способствовать отшнуровке готовых LDs от ER мембраны.
Lipid droplets and membrane trafficking
Помимо малой GTPase ARF1, выявляются многочисленные Rab белки в LD фракциях12-15. Некоторые из этих Rabs, как было показано ранее, участвуют в самостоятельных ступенях membrane-trafficking в эндосомной системе или в биосинтетических путях (rev. Ref. 35). Из ассоциированных с LD Rabs, только ограниченное количество были изучено в деталях в контексте LD36,37, но существует интересная возможность, что многочисленные Rab белки могут облегчать связи между LDs и др. органеллами (такими как phagosomes, которые формируются во время фагоцитоза38), или координируют подвижность LD.
привлек особое внимание, т.к. обнаруживает специфическую регулируемую локализацию на поверхности LDs. Rab18 рекрутируется на LDs в адипоцитах после стимуляции липолизиса с помощью beta-adrenergic агонистов37 (Fig. 2a), a экспрессия Rab18 увеличивает обороты ER мембраны вокруг LDs36 (Fig. 2b,c). Более того, Rab18 и ADRP обнаруживают реципрокный паттерн локализации36, a Rab18 исключается из LDs, которые содержат укороченный мутантный caveolin, который как было показано, ингибирует липолизис и подвижность LD8,37. Эти данные указывают на то, что Rab18 локализуется на LDs, которые липолитически активны, и возможно обеспечивает повышенную ассоциацию с ER, чтобы облегчить перенос жирных кислот или нейтральных липидов между LD монослоем и бислоем ER (Fig. 2c).
Сайты мембранных контактов или ER соединения, обнаруживаются между ER и широким кругом внутриклеточных органелл и они, как было предположено, обеспечивают тесное соприкосновение мембран, чтобы облегчить перенос малых молекул в отсутствие слияния мембран39. Эти данные указывают на то, что имеются самостоятельные популяции LD в клетке, потенциально отличающиеся метаболическим состоянием, и что их ассоциации с белками и их соединения с др. органеллами соотв. регулируются.
Lipid droplets and caveolae
Caveolins являются интегральными мембранными белками, которые обычно ассоциируют с ямками клеточной поверхности, наз. кавеолами40. Первыми указаниями, что caveolins могут играть роль в регуляции LD, явились наблюдения, что N-терминально укороченный мутантный caveolin, Cav3DGV, локализуется на поверхности LDs и вызывает увеличение накопления внутриклеточных нейтральных липидов. Это происходит одновременно со снижением холестерола на клеточной поверхности и нарушением передачи сигналов клеточной поверхности посредством доменов липидных платформ41,42. В дальнейшем было установлено, что эндогенный caveolin-1 и caveolin-2 обнаруживают регулируемую локализацию на LDs, в культивируемых клетках и регенерирующей печени8,43. Caveolin-1 соединяется с жирными кислотами44 и холестеролом45, и может быть интернализован с клеточной поверхности в ответ на разные стимулы, включая cholesterol и glycosphingolipids46. Как caveolin перемещается с клеточной поверхности на LDs в ответ на стимуляцию липидами и возможная роль эндоцитоза в этом процессе остаются неизвестными. Недавно было показано, что triacylglycerols может быть синтезирован на кавеолах клеточной поверхности47, это указывает на то, что в определенных типах клеток кавеолы могут функционировать как центральные регуляторные места для синтеза и снабжения triacylglycerols.
Дальнейшие доказательства роли caveolin в регуляции LD получены в исследованиях caveolin-1-нокаутных мышей, которые обнаруживают аномальный липолизис вследствие beta-adrenergic стимуляции48. Исследование мышиных эмбриональных фибробластов, которые были изолированы от этих мышей, показало, что раздельная активация PKA от фосфорилирования perilipin может лежать в основе нарушенной реакции на beta-adrenergic агонисты. Осталось определить, является ли на самом деле это механизм действия caveolin-1.
Lipid droplets and lipolysis
Помимо успехов в нашем понимании молекулярной кухни, которая регулирует функциональное взаимодействие LDs с др. органеллами и с цитоскелетом, недавнее открытие нового липолитического энзима в адипоцитах (rev. Ref. 49) явилось началом детальной расшифровки энзиматической регуляции LDs. Тот факт. что этот энзим избегал идентификации прежде, теперь является удивительным фактом, указывающим на важность липидной регуляции как на клеточно-биологическом, так и на физиологическом уровне. Вплоть дол недавнего времени HSL был известен как lipase энзим для катализа гидролиза нейтральных липидов. И только вследствие наблюдения, что липолизис не устраняется у мышей после целенаправленного разрушения гена HSL было предположено присутствие др. липолитических энзимов50-52. Недавно второй энзим был идентифицированы в трех независимых исследованиях. По-разному описанный как adipose triglyceride lipase53, desnutrin54 или Ca2+-independent phospholipase A2zeta (Ref. 55), этот второй энзим, как было установлено, катализирует гидролиз triacylglycerols до diacylglycerols, первую ступень липолитической реакции. Присутствие др. ещё не идентифицированных энзимов, которые катализируют гидролиз нейтральных липидов и синтез в адипоцитах и др. типах клеток, исключить нельзя.
Concluding remarks
Despite recent advances, the LD is still a poorly understood organelle. New insights into the enzymes that mediate lipolysis, the connections between LDs and other organelles, and the role of membrane trafficking and cytoskeletal motility in LD function have provided some clues as to the complex regulation of this organelle. Rather than being an inert lipid inclusion, the LD is potentially a central node for the regulation of cellular lipids. A concerted research endeavour will be needed to determine whether this is the case, and the adoption of a unified nomenclature at this time (Box 1) will be invaluable for the future.
