摘要：鞘脂是生物细胞中最主要的膜脂之一，作为信号分子介导细胞生长、增殖、迁移及死亡等重要的生理反应。异常鞘脂代谢与心血管疾病、糖尿病、癌症、神经变性病以及自身免疫性疾病等相关。鞘磷脂（Sphingomyelin，SM）是细胞中最丰富的鞘脂Sphingolipids（
鞘脂是生物细胞中最主要的膜脂之一，作为信号分子介导细胞生长、增殖、迁移及死亡等重要的生理反应。异常鞘脂代谢与心血管疾病、糖尿病、癌症、神经变性病以及自身免疫性疾病等相关。鞘磷脂（Sphingomyelin，SM）是细胞中最丰富的鞘脂Sphingolipids（SPs），在哺乳动物组织中普遍分布，在中枢神经系统（Central nervous system，CNS）中含量特别高。SM是质膜（Plasma membrane，PM）的基本元素，其水平的高低对细胞功能至关重要。
鞘脂详细的结构和功能介绍参考上一篇文章：鞘脂：“千变万化”的信号调节剂
2024年初，在国际著名期刊《npj Parkinson's Disease》发表了关于ABCA5对帕金森疾病（Parkinson's Disease，PD）的调节机制研究的文章。研究发现鞘脂是与年龄有关的神经退行性疾病发病的重要调节剂，ABCA5可以降低PD相关升高的鞘脂水平，PD患者血浆中的饱和神经酰胺显著升高。
图1. 文章首页
亮点
帕金森病是一种影响运动系统的慢性神经退行性疾病。
溶酶体功能障碍是帕金森病发病机制的关键，其典型特征是溶酶体中鞘脂的失调。
ATP结合盒亚家族A成员5 (ABCA5)是一种溶酶体转运蛋白，调节溶酶体中过量鞘磷脂的清除。
PD患者的鞘磷脂水平显著增加，并且仅在杏仁核中与疾病持续时间相关，而其他五种鞘脂水平略有改变或不变。
ABCA5在PD杏仁核中的表达上调，并与鞘磷脂水平密切相关。
在神经元细胞中证实了ABCA5的表达依赖于鞘磷脂的细胞水平。
鞘磷脂水平与杏仁核中的α-突触核蛋白密切相关，并与α-突触核蛋白表达相关。
PD血浆中的鞘磷脂水平也增加了，并且在脑和血浆中五种鞘脂种类都有所增加。
PD中α-突触核蛋白积聚的区域，ABCA5上调以降低溶酶体鞘磷脂水平，这可能是一种保护措施。
为帕金森病的治疗干预和生物标志物的开发提供新的靶点。
前言
帕金森病是最常见的神经退行性运动障碍。其标志性病理学是由与脂质相关的累积α-突触核蛋白组成的神经元内含物。鞘脂是一类包含类鞘氨醇主链的脂质，包括神经酰胺、葡糖神经酰胺（又名葡糖脑苷脂）、鞘磷脂和葡糖神经鞘氨醇。
越来越多的人认识到鞘脂代谢或转运在PD发病机制中的重要性，葡萄糖脑苷脂水解基因GBA1是PD3最强的遗传风险因素。在散发性PD4和GBA1突变的PD中，葡萄糖脑苷脂酶活性降低，葡萄糖基鞘氨醇与PD脑特定区域的α-突触核蛋白病理学密切相。GBA1突变的纯合子形式会导致戈谢病，这是一种以葡萄糖神经酰胺积聚为特征的溶酶体脂质沉积疾病。
脂质（包括鞘脂）的转运由一组称为ATP结合盒亚家族A (ABCA)转运蛋白的蛋白质介导。这些膜结合蛋白负责过量脂质流出（即清除）细胞或细胞器。近年来，它们被确定为许多神经退行性过程调节的关键。例如，原型ABCA1介导胆固醇流出细胞，调节淀粉样前体蛋白加工为淀粉样β肽。淀粉样变小鼠中ABCA1的缺失显著增加了淀粉样β蛋白的形成，表明ABCA1对阿尔茨海默病相关的细胞过程具有神经保护作用。
尽管ABCA转运蛋白在神经退行性疾病中有明显的重要性，但对ABCA转运蛋白在帕金森病病理过程中的作用知之甚少。2009年，一项PD全基因组关联研究表明，ABCA5 SNPs与PD15风险降低相关(P = 2.53E-5)。ABCA5的确切功能尚不清楚，尽管它被认为介导鞘磷脂的流出。2005年的一项研究表明，小鼠中ABCA5的缺失复制了类似于戈谢病的溶酶体贮积症。ABCA5在小鼠大脑中高度表达，并定位于溶酶体。鞘磷脂和其他鞘脂是溶酶体补救途径（LSP）的一部分，在PD18中被改变。
在这项研究中，对PD脑中的鞘磷脂以及LSP（lysosomal salvage pathway，溶酶体补救途径）中的其他鞘脂进行了全面的评估（图2）。研究了ABCA5的功能作用，它是如何被转录调控的，以及鞘磷脂是如何与α-突触核蛋白发生病理联系的。最后检测了PD血浆中的鞘磷脂，并确定了可能作为PD外周生物标志物的鞘磷脂种类。
溶酶体中的鞘脂代谢途径
溶酶体中的鞘脂合成通过溶酶体补救途径（LSP）进行，其中鞘磷脂通过ABCA5转运出（流出）溶酶体，溶酶体内的鞘磷脂可以进一步合成为神经酰胺，以及己糖神经酰胺（葡糖苷酰鞘氨醇和半乳糖酰基鞘氨醇）也可以转化为神经酰胺，神经酰胺转化为1磷酸神经酰胺和鞘氨醇等更小的分子，从而降低鞘磷脂和神经酰胺的含量。
图2. 溶酶体中的鞘脂代谢途径LSP（lysosomal salvage pathway，溶酶体补救途径）
研究结果
1. 帕金森病杏仁核中的鞘磷脂（SM）水平显著升高
鞘磷脂是在PD中失调的LSP（lysosomal salvage pathway，溶酶体补救途径）的一部分（图1）。使用液相色谱-质谱（LC-MS）对散发性帕金森病和对照组大脑中受疾病影响的杏仁核和未受疾病影响的视觉皮层中的鞘磷脂进行了全面分析。与对照组相比，检测到的20种鞘磷脂中有10种在PD杏仁核中显著增加（图3a），但在视觉皮层中没有增加（图3b）。从所有鞘磷脂种类的添加中获得的总鞘磷脂水平在PD杏仁核中也显著增加（图3a插图），但在视觉皮层中没有增加（图3b插图）。分析了每个脂质组中鞘磷脂种类的分布，发现仅在PD杏仁核中有五种种类（d18:1/16:1、d18:1/20:0、d18:1/20:1、d18:1/23:0、d18:1/24:0）发生了显著改变（图3c）。总鞘磷脂水平也仅在杏仁核中与疾病持续时间相关（图3d）。评估了负责鞘磷脂合成的基因鞘磷脂合酶（SGMS1）的表达，该基因在两个区域都没有改变（图3e），表明PD中鞘磷脂的增加是由于鞘磷脂加工/周转而不是合成。
图3. 散发性帕金森病脑组织中鞘磷脂种类的LC-MS分析
a.与对照组相比，PD杏仁核中十种鞘磷脂显著增加；从添加所有鞘磷脂种类中获得的总鞘磷脂水平在PD杏仁核中也显著增加。b.与对照组相比，PD视觉皮层中没有一种鞘磷脂发生显著变化；PD视觉皮层的总鞘磷脂水平没有显著变化。c.每个脂质体中鞘磷脂种类的分布。d.总鞘磷脂水平仅在杏仁核中与疾病持续时间相关。e.鞘磷脂合酶（SGMS1）的表达在两个区域都没有改变。
2. 其他鞘脂没有显著变化
为了确定这些变化是否仅限于鞘磷脂，分析了作为LSP（lysosomal salvage pathway，溶酶体补救途径）一部分的其他五种鞘脂（图1）。与对照组相比，PD杏仁核中的六种神经酰胺（图4）减少，六种己糖基神经酰胺（图5）和三种硫苷脂（图6）增加。与对照组相比，PD杏仁核中的鞘氨醇和神经酰胺-1-磷酸没有显著变化（图7）。相比之下，PD视觉皮层几乎没有变化（图4-7）。重要的是，五种鞘脂的总水平在两个区域都没有改变（图4-7）。综上所述，这些结果表明PD杏仁核中鞘磷脂的变化最大。
(1) PD脑组织的神经酰胺（Ceramide, Cer）水平没有显著变化
图4. 帕金森病脑组织中神经酰胺种类的液相色谱-质谱分析
a. 与对照组相比，PD杏仁核中的六种神经酰胺减少；PD杏仁核的总神经酰胺水平没有显著变化。b. 与对照组相比，PD视觉皮层中的两种神经酰胺减少；PD视觉皮层的总神经酰胺水平没有显著变化。
(2) PD脑组织的己糖神经酰胺（hexosylceramide）水平没有显著变化
图5. PD脑组织中己糖神经酰胺类物质的液相色谱-质谱分析
a. 与对照组相比，帕金森病患者杏仁核中六种己糖神经酰胺增加；帕金森病患者杏仁核中的己糖神经酰胺总水平没有显著变化。b. 与对照组相比，PD视觉皮层中一种神经酰胺增加；PD视觉皮层的总神经酰胺水平没有显著变化。
(3) PD脑组织的硫苷脂（sulfatide）水平没有显著变化
图6. PD脑组织中硫苷脂种类的液相色谱-质谱分析
a. 与对照组相比，PD杏仁核中的三种硫苷脂种类增加；PD杏仁核的硫苷脂总水平没有显著改变。b .与对照组相比，PD视觉皮层中没有硫苷脂种类发生改变；PD视觉皮层中的总硫苷脂水平没有显著变化。
(4) PD脑组织的鞘氨醇（sphingosine）和神经酰胺1磷酸（ceramide-1-phosphate）没有显著变化
图7. PD脑组织中鞘氨醇和神经酰胺-1-磷酸的液相色谱-质谱分析
与对照组相比，PD杏仁核和视皮层中的 (a) 鞘氨醇和 (b) 神经酰胺-1-磷酸没有显著改变。
3. 帕金森病患者神经鞘磷脂水平升高导致ABCA5上调
虽然ABCA5在溶酶体中表达，但是其在大脑中的位置尚未得到评估。通过免疫荧光法分析了杏仁核中的ABCA5，通过qPCR分析了原代脑细胞中的ABCA5。在脑组织中，ABCA5蛋白存在于整个神经元细胞质中（图8a），在培养的不同脑细胞中，神经元的表达最高（图8b）。由于PD中鞘磷脂水平增加，ABCA5从溶酶体中去除了过量的鞘磷脂（图1）。评估了与脂质测量相同的组织样本中ABCA5、ABCA1的表达（ABCA1作为阴性对照，它是不转运鞘磷脂的ABCA亚家族原型）。与对照组相比，ABCA5在PD杏仁核中的表达显著增加（图8c），并且仅在杏仁核中与鞘磷脂强烈相关（图8d），而ABCA1没有变化（图8c）。
图8. PD杏仁核中ABCA5表达的上调
a. 通过免疫荧光评估，ABCA5在PD杏仁核的神经元中广泛表达。b. ABCA5在初级人类神经元中高度表达。c. ABCA5在帕金森病杏仁核中上调，在帕金森病视觉皮层中无变化；ABCA1(阴性对照)在两种组织中都没有改变。d. 外源性鞘磷脂处理SK-N-SH神经元细胞时，ABCA5表达仅在杏仁核中与鞘磷脂水平密切相关。e. 当用SGMS1抑制剂D609处理细胞时，ABCA5表达减少。
4. 帕金森病病人血浆中的鞘磷脂显著升高
帕金森病患者大脑中的鞘磷脂水平增加，外周血中的鞘磷脂水平是否也发生变化？
使用相同的LC-MS方法测量了散发性帕金森病患者和对照组血浆中的鞘磷脂。与对照组相比，检测到19种鞘磷脂，其中13种在PD中增加（图11a）；总鞘磷脂水平在PD中也增加了（图11b）。5种鞘磷脂种类——d18:1/18:0、d18:1/20:1、d18:1/22:0、d18:1/24:1和d18:1/24:2——在血浆和大脑中均有增加（图11c）。这些鞘脂彼此之间有很强的相关性（图11d），鞘磷脂d18:1/22:0与血浆α-突触核蛋白水平相关（图11e）。ROC曲线分析显示鞘磷脂d18:1/24:1是PD和对照组之间最强的鉴别因子（AUC = 0.760，75%的灵敏度和76%的特异性）（图11f）。五条ROC曲线的组合分析产生了0.819的改善的AUC值（88%的灵敏度和71%的特异性）（图11g）。
图11. 散发性PD血浆中鞘磷脂的液相色谱-质谱分析
a.与对照组相比，PD血浆中13种鞘磷脂增加。b. PD血浆中的总鞘磷脂水平也增加了。c. PD血浆和杏仁核中五种相同的鞘磷脂种类增加。d. 五种鞘磷脂之间强相关的典型例子。e. 鞘磷脂d18:1/22:0水平与血浆α-突触核蛋白水平显著相关。f. 鞘磷脂d18:1/24:1产生最强的ROC曲线。(AUC = 0.760; 75% sensitivity，76% specificity)。g. 5个指标的联合ROC曲线。(AUC=0.819；88% sensitivity，71% specificity)。
讨论和结论
溶酶体中鞘脂的失调是帕金森病的发病机制。神经鞘磷脂在帕金森病中的病理作用的线索来自1975年的一项研究，该研究表明未经左旋多巴治疗的帕金森病患者大脑中的神经鞘磷脂水平升高。在这项研究中，对散发性帕金森病大脑中受疾病影响的杏仁核和未受疾病影响的视觉皮层中的六种LSP鞘脂进行了全面评估。发现与对照组相比，PD杏仁核中10种鞘磷脂和总鞘磷脂水平显著增加。仅在杏仁核中，鞘磷脂水平也与疾病持续时间相关。视觉皮层没有发现明显变化，其他五个鞘脂类别的总水平没有变化。在散发性帕金森病杏仁核中，鞘磷脂似乎是最受影响的鞘脂类。
由于ABCA5基因的多态性似乎对PD15具有保护作用，并且ABCA5是一种溶酶体转运蛋白，可介导溶酶体中过量鞘磷脂的清除，在脂质分析的同一组织样本中测量了ABCA5的表达。与对照组相比，ABCA5在PD杏仁核中的表达上调，并且与神经鞘磷脂水平密切相关，神经鞘磷脂水平在PD患者的血液样本中也有所升高。此外，使用神经元模型的体外研究证实了ABCA5的表达依赖于神经鞘磷脂的细胞水平。在帕金森病中，ABCA5增加可能对溶酶体鞘磷脂水平升高起保护作用，而溶酶体鞘磷脂水平升高可能会通过血液从大脑中清除。
就α-突触核蛋白病理学而言，在患病杏仁核中，鞘磷脂水平和α-突触核蛋白负荷之间有很强的相关性，而在视觉皮层中没有这种相关性。最近的一项研究报道，葡萄糖基鞘氨醇(一种鞘脂)与帕金森病患者大脑受疾病影响区域的α-突触核蛋白病理学密切相关。细胞数据显示，细胞鞘磷脂水平对α-突触核蛋白表达有直接影响，已知α-突触核蛋白水平升高导致其聚集，α-突触核蛋白具有结合富含鞘磷脂的脂质结构或脂质膜的倾向，并且α-突触核蛋白的加工/转换依赖于脂质筏的鞘磷脂组成，因此增加的细胞鞘磷脂可以捕获α-突触核蛋白。综合起来看，这些结果表明来自功能障碍溶酶体的鞘磷脂的转运与α-突触核蛋白病理学相关，可能通过调节α-突触核蛋白表达和/或鞘磷脂细胞浓度。
由于ABCA5可能通过降低帕金森病脑中升高的溶酶体鞘磷脂水平发挥保护作用，我们对ABCA5如何转录控制感兴趣。ABCA转运蛋白亚家族成员通常受核受体转录因子家族调节。ABCA转运蛋白的转录控制已被证明在许多神经退行性过程中是重要的。例如，LXR/RXR配体促进ABCA1转录刺激了胆固醇流出，随后增加了淀粉样β肽的清除，减少了AD小鼠模型大脑中淀粉样β沉积。ABCA5转录被清楚地证明是由PPARγ/RXR以时间和剂量依赖的方式调节的。这是一个重要的发现，因为这将提供一种控制ABCA5功能的方法，并因此提供一种针对PD中观察到的升高的鞘磷脂水平的可能的药理学干预。
与对照组相比，偶发性帕金森病患者血浆中的鞘磷脂水平，无论是单个种类还是总水平，都有所增加，有五个鞘脂与PD杏仁核中增加的鞘脂种类相同，这表明它们可能是相关的。基于ROC曲线分析，这些显示了将PD与对照区分开的一些潜力，并且也可以用于测量药物治疗下的靶结合。此外，鞘磷脂d18:1/22:0显示与血浆α-突触核蛋白水平相关。这些是重要的发现，因为它们将为发展外周生物标志物提供新的途径，以检测PD相关的病理生理学变化。
ABCA5可能是帕金森病（PD）的保护基因，这一发现为理解帕金森病中观察到的鞘磷脂失调带来了希望。总之，ABCA5似乎在清除与受影响PD脑区α-突触核蛋白增加相关的过量溶酶体鞘磷脂中起保护作用。神经元鞘磷脂本身的增加可能是α-突触核蛋白聚集的促发因素，强调了鞘磷脂途径作为疾病改善靶点的重要性。这项研究为帕金森病可能的治疗干预和生物标志物开发提供了与帕金森病脑内α-突触核蛋白聚集相关的新通路和靶点。
参考文献
1. Fu, Y., Pickford, R., Galper, J. et al. A protective role of ABCA5 in response to elevated sphingomyelin levels in Parkinson’s disease. npj Parkinsons Dis. 10, 20 (2024). https://doi.org/10.1038/s41531-024-00632-2
PDF全文下载：https://www.nature.com/articles/s41531-024-00632-2.pdf
说明：文章中图片均来自参考文献1。
2. Leyns CEG, Prigent A, Beezhold B, Yao L, et al. Glucocerebrosidase activity and lipid levels are related to protein pathologies in Parkinson's disease. NPJ Parkinsons Dis. 2023 May 11;9(1):74. doi: 10.1038/s41531-023-00517-w
来源：健康导报滴滴
