碱性鞘磷脂酶与脂类代谢相关疾病的研究进展

李欣+张萍+张涛

[摘要] 碱性鞘磷脂酶（Alk-SMase）存在于肠道和人的胆汁中，是消化道中水解鞘磷脂的关键酶。鞘磷脂的消化水解作用减弱，代谢活性产物减少，将导致细胞增生、凋亡、炎症等失去调控，最终导致癌症的发生。脂类代谢是人类体内重要的代谢过程，Alk-SMase及其代谢产物也能影响肠道中磷脂、胆固醇和三酰甘油等脂类的代谢，最终导致肝胆疾病、肠道炎症以及结肠肿瘤的发生。本文将重点讨论Alk-SMase与脂类代谢的关系，对近年来Alk-SMase与脂类代谢相关疾病的研究进展作一简要综述。

[关键词] 碱性鞘磷脂酶；鞘磷脂；脂类代谢；结肠癌

[中图分类号] R575.5 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2018）01（b）-0036-03

[Abstract] Alkaline sphingomyelinase （Alk-SMase） is the key enzyme for the hydrolysis of sphingomyelin in the digestive tract， which exists in the intestine and human bile. Decreased sphingomyelin hydrolysis and metabolic active products will cause cell proliferation， apoptosis， inflammation and ultimately leading to cancer. Lipid metabolism is an important metabolic process in humans. Alk-SMase and its metabolites can affect the metabolism of phospholipids， cholesterol and triglycerides in the intestine， leading to hepatobiliary diseases， intestinal inflammation and colon tumors. This article will focus on the relationship between Alk-SMase and lipid metabolism， and make a brief review of the research progress of Alk-SMase and lipid metabolism related diseases.

[Key words] Alkaline sphingomyelinase； Sphingomyelin； Lipid metabolism； Colon cancer

最初，碱性鞘磷脂酶（Alk-SMase）作为水解肠道中鞘磷脂（SM）生成神经酰胺的关键酶而被人们所熟知，而神经酰胺可调节细胞生长、分化及凋亡，是SM代谢通路中的重要信使分子，在肿瘤的发生发展过程中发挥重要的功能[1]。近年来，越来越多的文献报道，Alk-SMase不仅能参与SM的代谢，抑制结肠肿瘤的发生发展，对胆固醇和三酰甘油的代谢也有一定的调节作用。Alk-SMase的活性变化能直接影响肠道中胆固醇吸收、脂肪酸及三酰甘油的生成。脂类代谢紊乱可引起一系列病理生理的变化和多种疾病发生发展。那么，能否通过调节Alk-SMase，来调节脂类代谢，从而改善脂类代谢相关疾病呢？本文将对近年来Alk-SMase与脂类代谢疾病关系的研究进展作一简要综述。

1 Alk-SMase的特性

Alk-SMase属于核苷酸焦磷酸酶磷酸二酯酶（nucleotide pyrophosphatase phosphodiesterase，NPP）家族，它与其他鞘磷脂酶没有结构相似性，又被命名为NPP7[2]。作为NPP家族成员的细胞外酶，Alk-SMase和其他NPPs结构相似，通过N末端和C末端膜域绑定在质膜上，主体部分（包括催化域）都位于细胞外[2-3]。鞘磷脂酶（SMase）主要有三种类型：酸性、中性及Alk-SMase[3]。Alk-SMase和其他SMase相比，具有组织表达特异性、胆汁盐依赖性和胰酶消化抵抗性等独具特性。Alk-SMase的组织表达特异性表现为其只在哺乳动物肠道黏膜中表达（人的肝脏中也有表达），并通过肠道黏膜上皮细胞分泌到肠腔中发挥活性，而其活性在胆汁盐存在时可增加二十几倍[4]，同时肠道中胰酶不但不能使其灭活，还能促进酶蛋白释放并增加其活性。因此，当其他SMase被胰酶灭活时，它的活性可以从小肠一直持续到结肠乃至粪便中，而成为水解肠道中SM的关键酶。

2 Alk-SMase与脂类代谢的关系

2.1 调节肠道中磷脂的代谢

Alk-SMase具有磷脂酶C活性，可水解SM的磷酸酯键生成神经酰胺和磷酸胆碱。SM存在于大多数哺乳动物细胞的质膜内，是髓鞘的主要成分，人体含量最多的SM是神经鞘磷脂，由鞘氨醇、脂肪酸及磷酸胆碱构成。神经鞘磷脂是构成生物膜的重要磷脂，它常与卵磷脂并存于细胞膜外侧。一些食物中也含有SM，如牛奶、肉类、鸡蛋和鱼[5]。Alk-SMase水解SM生成神经酰胺，进一步水解生成鞘胺醇和1-磷酸鞘胺醇等脂类信号分子[6]，它们对肠道细胞增殖、分化和凋亡发挥重要的调节作用。除了SM以外，血小板坏死因子（PAF）、溶血卵磷脂（lyso-PC）等带有磷酸酯键的磷脂也是它的底物。Alk-SMase可通过磷脂酶C活性水解lyso-PC生成甘油一酯，竞争NPP2的磷脂酶D活性将lyso-PC水解生成溶血磷脂酸（LPA），從而降低LPA的生成量[7]。LPA可刺激Ark和Erk1/2释放IL-8，引起细胞增殖和炎症，促进肠道炎症和肿瘤的发生[8-9]。Alk-SMase还可以水解并灭活PAF，PAF也是一种潜在的促炎因子，促进细胞因子释放和细胞增殖效应，引发肠道的炎症和肿瘤[10]。在肠腔和肠道黏膜中，Alk-SMase通过水解各类磷脂，参与磷脂的代谢，是NPPs家族中唯一一个具有抗癌作用的成员[11]。endprint

2.2 調节胆固醇的代谢

胆固醇平衡取决于它的从头合成，分解代谢，分泌入胆汁，以及胆汁和膳食胆固醇在肠道的吸收。小肠在调节体内胆固醇平衡过程中起着重要作用，约30%的血浆胆固醇从小肠吸收而得[12]。通过抑制胆固醇的吸收，可以减少约37%的血浆胆固醇[12]。众所周知，肠道胆固醇的吸收是个多步骤的过程，其中胆固醇由胆汁酸和磷脂微粒化，再由肠细胞吸收，组装成脂蛋白，并输送到淋巴和循环。饮食中的SM已被证明能抑制肠道中胆固醇的吸收，当喂食等摩尔量的SM和胆固醇混合物时，只有10%的胆固醇被吸收[8]。这一发现也被Nyberg等[11]证实和扩充，发现牛奶鞘磷脂比鸡蛋鞘磷脂更有效。并且，这种抑制作用在啮齿动物中比在人类中更明显[11-12]。在肠道，SM由Alk-SMase催化水解产生神经酰胺，并能进一步由肠中性神经酰胺酶水解生成鞘氨醇，神经酰胺降解的过程是缓慢的、不完全的，而鞘氨醇可以被肠细胞有效吸收[8]。又有研究发现，神经酰胺对胆固醇的吸收也有抑制作用，而且由Alk-SMase催化产生的神经酰胺比SM对胆固醇的吸收具有更强的抑制作用[13]。但最近，Zhang等[14]利用Alk-SMase基因敲除鼠进行粪便双同位素法进行实验，表明Alk-SMase能通过降低肠内SM以促进胆固醇的吸收。所以，Alk-SMase对胆固醇吸收的影响究竟是促进还是抑制以及SM是否可能影响人体内源性胆固醇，还有待我们进行进一步深入的研究。

2.3 调节三酰甘油的代谢

膳食中的SM由肠道Alk-SMase和中性神经酰胺酶水解成鞘氨醇，鞘氨醇能被吸收并转化为棕榈酸，并酰化成乳糜微粒三酰甘油（TGs）[8]。在肠道中，SM及其代谢物会影响三酰甘油水解，胆固醇吸收，脂蛋白形成和黏膜生长。有研究表明，SM能抑制三酰甘油的代谢，而鞘磷脂酶的存在能激活三酰甘油的水解[15]。此外，磷脂的存在可能会抑制胰脂肪酶水解三酰甘油的速率，但同时加入磷脂酶A2处理则能明显缩短三酰甘油的水解时间[15]。Rezhdo等[16]也通过研究证实，胆汁盐磷脂微团（包括胆汁盐鞘磷脂微团）可用于替代阿拉伯胶乳化底物的合成酶，并抑制三酰甘油的分解。因此，SM的存在和SM的缓慢水解可能延长三酰甘油水解过程。

3 Alk-SMase与脂类代谢相关疾病的关系

3.1 与肝胆疾病的关系

肝脏是人体主要的代谢器官，肝脏在脂类的消化、吸收、分解、合成及运输等代谢过程中均起着重要作用。胆汁主要负责乳化脂质，亦会帮助消化一些蛋白质和糖类。Alk-SMase能在人的肠道和肝脏表达，在其他哺乳动物的肝脏中尚未发现其活性[17]。人的胆囊黏膜并没有Alk-SMase活性而胆汁中有，表明胆汁中的Alk-SMase也是来源于肝脏[5，18]。已有文献报道，恶性肝胆疾病时Alk-SMase活性降低。在易于发生肿瘤的肝脏疾病中，Alk-SMase水平也趋于下降[5]。近来胆管癌的发病率逐年增加，除了手术切除外几乎是不可治愈的，由于缺乏早期标记，大多数胆管癌患者都错过了可手术切除治疗的阶段，并且5年生存率几乎为零[18]。有研究显示，胆管癌患者的Alk-SMase水平明显降低。因此，胆汁中的Alk-SMase大量减少可以作为胆管癌的早期诊断标志物[19-20]。

3.2 与瘤肠道炎症和结肠肿的关系

不同类型的SMase负责不同器官和细胞SM的分解代谢[21]。Alk-SMase是水解SM的关键酶[17，22]，其存在于肠道黏膜和内腔中，在小肠中部具有峰值活性[21]。动物研究表明，膳食SM的消化主要发生在Alk-SMase丰富的小肠中下部，这说明Alk-SMase对肠道鞘磷脂的水解起到重要作用[21]。此外，膳食SM可能对结肠的细胞增殖和肿瘤发生具有调节作用[10，23]。喂食小鼠SM并用二甲基肼处理时，结肠异常隐窝病灶数量减少了70%[21]。同时，膳食SM也能降低二甲基肼处理小鼠的恶性肿瘤发生比例。在结肠Alk-SMase可以通过产生神经酰胺和鞘氨醇来保护结肠黏膜，并抵抗肿瘤的发生[8]。长期结肠炎[24]，结肠腺瘤、癌[18]，腺瘤性息肉病时，Alk-SMase活性显著降低[8]，因此，Alk-SMase对结肠癌有潜在的化学预防作用[21]。Chen等[25]利用Alk-SMase基因敲除鼠模型发现，肿瘤发生率、肿瘤数目、肿瘤大小和恶变程度均明显增加，这也证明了在结肠中Alk-SMase是一种能抵抗肿瘤发生和恶变的生理因素。

4 小结

近年来，Alk-SMase在肝胆疾病和结肠癌方面的研究逐渐引起了广泛关注，Alk-SMase也将有望成为为结肠癌的早期诊断、疗效评价及预后效果的判断指标。因此，研究Alk-SMase与脂类代谢疾病的关系，不但有生理学意义，更有临床意义。所以，我们下一步将利用Alk-SMase基因敲除鼠进行研究来进一步确定Alk-SMase与脂类代谢疾病的关系。相信随着我们对Alk-SMase生物学功效不断深入的研究和认识，一定会为脂类代谢相关性疾病的研究做出更加深远的影响。

[参考文献]

[1] Adada M，Luberto C，Canals D. Inhibitors of the sphingom?yelin cycle：Sphingomyelin synthases and sphingomyelinases [J]. Chem Phys Lipids，2016，197：45-59.

[2] Gorelik A，Liu F，Illes K，et al. Crystal Structure of the Human Alkaline Sphingomyelinase Provides Insights into Substrate Recognition [J]. J Biol Chem，2017，292（17）：7087-7094.endprint

[3] Parrill AL，Wanjala IW，Pham，TC，et al. Computational identification and experimental characterization of substrate binding determinants of nucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 7 [J]. BMC Biochem，2011，12：65.

[4] Maldonado-Valderrama J，Wilde P，Macierzanka A，et al. The role of bile salts in digestion [J]. Adv Colloid Interface Sci，2011，165（1）：36-46.

[5] Bienias K，Fiedorowicz A，Sadowska A，et al. Regulation of sphingomyelin metabolism [J]. Pharmacol Rep，2016，68（3）：570-581.

[6] Airola MV，Allen WJ，Pulkoski-Gross MJ，et al. Structural Basis for Ceramide Recognition and Hydrolysis by Human Neutral Ceramidase [J]. Structure，2015，23（8）：1482-1491.

[7] Duan RD，Nilsson A. Metabolism of sphingolipids in the gut and its relation to inflammation and cancer development [J]. Prog Lipid Res，2008，48（1）：62-72.

[8] Nilsson A，Duan RD. Absorption and lipoprotein transport of sphingomyelin [J]. J Lipid Res，2005，47（1）：154-171.

[9] Keune WJ，Hausmann J，Bolier R，et al. Steroid binding to Autotaxin links bile salts and lysophosphatidic acid signaling [J]. Nat Commun，2016，7：11248.

[10] Nilsson ?. Role of Sphingolipids in Infant Gut Health and Immunity [J]. J Pediatr，2016，173 Suppl：S53-S59.

[11] Nyberg L，Duan RD，Nilsson A. A mutual inhibitory effect on absorption of sphingomyelin and cholesterol [J]. J Nutr Biochem，2000，11（5）：244-249.

[12] Ohlsson L，Hertervig E，J？nsson BA，et al. Sphingolipids in human ileostomy content after meals containing milk sphingomyelin [J]. Am J Clin Nutr，2010，91（3）：672-678.

[13] Feng D，Ohlsson L，Ling W，et al. Generating ceramide from sphingomyelin by alkaline sphingomyelinase in the gut enhances sphingomyelin-induced inhibition of choles?terol uptake in Caco-2 cells [J]. Dig Dis Sci，2010，55（12）：3377-3383.

[14] Zhang P，Chen Y，Cheng Y，et al. Alkaline sphingomye?linase（NPP7）promotes cholesterol absorption by affecting sphingomyelin levels in the gut：A study with NPP7 knockout mice [J]. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2014，306（10）：G903-908.

[15] Venuti E，Shishmarev D，Kuchel PW，et al. Bile salt stimu?lated lipase：Inhibition by phospholipids and relief by phos?pholipase A2 [J]. J Cyst Fibros，2017，16（6）：763-770.

[16] Rezhdo O，Di Maio S，Le，P，et al. Characterization of coll?oidal structures during intestinal lipolysis using small-angle neutron scattering [J]. J Colloid Interface Sci，2017， 499：189-201.

[17] Duan RD. Alkaline sphingomyelinase：an old enzyme with novel implications [J]. Biochim Biophys Acta，2006，1761（3）：281-291.endprint

[18] Duan RD，Hindorf U，Cheng Y，et al. Changes of activity and isoforms of alkaline sphingomyelinase（nucleotide pyrophosphatase phosphodiesterase 7）in bile from patients undergoing endoscopic retrograde cholangiopancreatography [J]. BMC Gastroenterol，2014，14：138.

[19] Khan SA，Thomas HC，Davidson BR. et al. Cholangiocarcinoma [J]. Lancet，2005，366（9493）：1303-1314.

[20] Reddy SB，Patel T. Current approaches to the diagnosis and treatment of cholangiocarcinoma [J]. Curr Gastroenterol Rep，2006，8（1）：30-37.

[21] Liu JJ，Nilsson A，Duan RD. In vitro effects of fat，FA，and cholesterol on sphingomyelin hydrolysis induced by rat intestinal alkaline sphingomyelinase [J]. Lipids，2002， 37（5）：469-474.

[22] Zhang Y，Cheng Y，Hansen GH，et al. Crucial role of alkaline sphingomyelinase in sphingomyelin digestion：a study on enzyme knockout mice [J]. J Lipid Res，2010， 52（4）：771-781.

[23] Maceyka M，Spiegel S. Sphingolipid metabolites in inflammatory disease [J]. Nature，2014，510（7503）：58-67.

[24] Foersch S，Waldner MJ，Neurath MF. Colitis and colorectal cancer [J]. Dig Dis，2012，30（5）：469-476.

[25] Chen Y，Zhang P，Xu SC，et al. Enhanced colonic tumorigenesis in alkaline sphingomyelinase（NPP7）knockout mice [J]. Mol Cancer Ther，2014，14（1）：259-267.

（收稿日期：2017-10-03 本文編辑：张瑜杰）endprint