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引言
現(xiàn)代生物物理學(xué)研究的一個(gè)重要目標(biāo)就是闡述生物分子和它們聚集體的結(jié)構(gòu)、組織及功能之間的聯(lián)系。自從1972年S．Single和G．Nicolson提出膜的流動(dòng)鑲嵌模型以來(lái)，生物膜的研究有了飛速的發(fā)展，大量的科學(xué)家進(jìn)入這一領(lǐng)域，推動(dòng)了膜生物學(xué)的發(fā)展。流動(dòng)鑲嵌模型是人們理解膜結(jié)構(gòu)和功能的經(jīng)典理論基礎(chǔ)，它強(qiáng)調(diào)了膜的流動(dòng)性和膜蛋白質(zhì)在膜脂中分布的不對(duì)稱(chēng)性，但是隨著對(duì)膜結(jié)構(gòu)與功能研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)膜脂的分布也是不對(duì)稱(chēng)和不均一的。不同膜微區(qū)具有不同膜脂與蛋白質(zhì)組成，因而具有不同的理化性質(zhì)及生物學(xué)功能。實(shí)際上生物膜是一個(gè)由許多不同微區(qū)組成的微觀上相對(duì)獨(dú)立而宏觀上聯(lián)系的對(duì)立統(tǒng)一體系，正是這種特殊的膜體系才能使膜具有復(fù)雜而多變的功能。早在1977年，Jain和White就提出了生物膜結(jié)構(gòu)的微區(qū)(Microdomain or lipid domains)模型，指出生物膜是由處于動(dòng)態(tài)的微區(qū)(domains)組成(實(shí)驗(yàn)已證實(shí))，這一模型強(qiáng)調(diào)了質(zhì)膜的流動(dòng)鑲嵌模型的鑲嵌塊特征。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在這些富含鞘脂類(lèi)和膽固醇的微區(qū)(現(xiàn)稱(chēng)為脂筏)具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性，即其形成的液態(tài)有序相漂浮于甘油磷脂的流體海洋中，在生物生理過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。
1992年Brown和Rose通過(guò)周密詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)提出了脂筏(lipid rafts)的假設(shè)，旨在說(shuō)明這類(lèi)脂錨定蛋白和信號(hào)激酶可以進(jìn)出的特殊微區(qū)，而且脂筏已被證實(shí)是由大小為10～100nm的膜片(membranepatches)組成，且可以作為中介將與它相互作用的細(xì)胞蛋白和外周蛋白輸送到細(xì)胞表面。近幾年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的實(shí)驗(yàn)手段，如掃描探針顯微鏡(SPM)等已經(jīng)可以觀察到生物膜納米尺度上的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性，從而使在分子水平上闡述生物膜微結(jié)構(gòu)和功能的物理化學(xué)機(jī)制成為可能。
脂筏
脂筏是指膜脂雙層內(nèi)具有富含膽固醇和鞘脂(鞘磷脂和鞘糖脂)及蛋白質(zhì)的微區(qū)，微區(qū)內(nèi)陷可形成囊泡。這些具有一定功能的結(jié)構(gòu)漂浮于二維流動(dòng)的細(xì)胞質(zhì)膜中，被人們形象地稱(chēng)之為“功能筏”。脂筏的組分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于蛋白質(zhì)之間相互作用和構(gòu)象轉(zhuǎn)化，脂筏區(qū)主要參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)。近年發(fā)現(xiàn)脂筏不僅存于質(zhì)膜，亦可在高爾基體膜上。
脂筏的概念早在發(fā)現(xiàn)小窩時(shí)即有了，經(jīng)長(zhǎng)期的爭(zhēng)論，直至1988年Simon才正式提出“脂筏”之稱(chēng)。
脂質(zhì)的雙層有不同的脂筏：外層的微區(qū)主要含有鞘脂、膽固醇及GPI-錨固蛋白，因?yàn)榍手虚L(zhǎng)鏈飽和脂肪酸，Tm溫度較高，流動(dòng)性差，而且粘稠，鄰近的磷脂區(qū)其脂肪酸多不飽和，Tm溫度較低，所以出現(xiàn)分相；膜內(nèi)側(cè)也有相似的微區(qū)，與外側(cè)的脂質(zhì)不完全相同，主要是在此區(qū)有許多?；牡鞍踪|(zhì)，特別是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白。雖然兩層分別有脂筏，但它們是偶聯(lián)的，因?yàn)橛梅请x子去污劑提取時(shí)，不僅有外層的GPI-錨固蛋白，還有許多信息分子共同被提出。用一種GPI-錨固蛋白的抗體介導(dǎo)錨固蛋白聚集，與此同時(shí)Src家族的酪氨酸激酶也被激活。如換成糖鞘脂的抗體，也有同樣的現(xiàn)象。GPI蛋白及糖鞘脂都存于膜外側(cè)，Src酪氨酸激酶在膜內(nèi)側(cè)，這表明脂筏內(nèi)外層之間是有聯(lián)系的。
用不同的去污劑或改變?nèi)芙鈺r(shí)的溫度，所得到的脂質(zhì)及蛋白質(zhì)都有差異，說(shuō)明細(xì)胞膜上的脂筏并不都等同。脂筏可能有三類(lèi)：小窩、富含糖鞘脂膜區(qū)(Slycosphingolipid enrich membrane)、富含多磷酸肌醇(PIP2)膜區(qū)。不同的脂筏有其各自的特異蛋白，并有不同的功能。
脂筏內(nèi)的蛋白質(zhì)，有的是經(jīng)跨膜直接插入膜，但更多的蛋白質(zhì)需酰化，由?；蟮闹舅岵迦肽?。Zacharias的實(shí)驗(yàn)表明，用水母蛋白的兩個(gè)變異體，分別融合藍(lán)熒光蛋白(CFP)及綠熒光(YEP)蛋白，然后在多肽鏈上分別聯(lián)接脂化(棕櫚酸、豆蔻酸、異戊二烯)的特異共同序列，用熒光能量共振轉(zhuǎn)移(fluorescence resonanceenergy transfer)測(cè)定鄰近效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)棕櫚酰化及豆蔻?；牡鞍踪|(zhì)在脂筏的小窩區(qū)，而異戊二烯化的蛋白質(zhì)形成二聚體，不在小窩區(qū)，對(duì)膽固醇不敏感，可能是另一類(lèi)的脂筏。說(shuō)明不同的?；鞍撞迦氩煌闹ぁ?/p>
脂筏的主要功能
近年來(lái)的研究表明，脂筏(包括質(zhì)膜微囊)具有如下主要的功能：
①信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。從脂筏所含有的蛋白質(zhì)和脂類(lèi)來(lái)看，其中很多都是與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的組分，為信號(hào)的起始和交叉作用提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)平臺(tái)。
②跨細(xì)胞運(yùn)輸。包括內(nèi)吞和外排，同時(shí)也包括胞外毒素、細(xì)菌以及病毒的內(nèi)吞。
③膽固醇的運(yùn)送。
④維持胞內(nèi)Ca2+的穩(wěn)態(tài)平衡。
眾所周知，物質(zhì)通過(guò)細(xì)胞膜的內(nèi)吞或外排或分泌都是以微囊形式來(lái)運(yùn)送的。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，這些微囊表面富含脂筏結(jié)構(gòu)。同時(shí)脂筏是多種病原體進(jìn)入宿主細(xì)胞的位點(diǎn)，支持病毒粒子的組裝和出芽，其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能一方面可以啟動(dòng)宿主細(xì)胞的保護(hù)性免疫應(yīng)答，另一方面也被病原體利用，以利于病原體的傳播和疾病發(fā)生。此外，脂筏在朊蛋白感染、HCV基因組復(fù)制、多種細(xì)菌毒素作用以及維持瘧原蟲(chóng)的胞內(nèi)寄生生活等方面也都有重要作用。
據(jù)估計(jì)脂筏的面積可能占膜表面積的一半以上。脂筏的大小是可以調(diào)節(jié)的，小的獨(dú)立脂筏可能在保持信號(hào)蛋白呈關(guān)閉狀態(tài)方面具有重要作用，當(dāng)必要時(shí)，這些小的脂筏聚集成大一個(gè)大的平臺(tái)，在那里信號(hào)分子(如受體)將和它們的配件相遇，啟動(dòng)信號(hào)傳遞途徑。
脂筏生物物理特性
Meer于2002年在《Science》上綜述了此專(zhuān)題：脂筏是膜脂雙層內(nèi)含有特殊脂質(zhì)及蛋白質(zhì)的一種液態(tài)有序相微區(qū)。在生物物理方面，比較關(guān)心這種微區(qū)的相行為、結(jié)構(gòu)、大小、分子成分、動(dòng)力學(xué)以及脂類(lèi)之間的相互作用等問(wèn)題。根據(jù)溫度等因素的影響，膜脂一般具有液晶(liquid disordered phase)和凝膠相(gel phase)，而脂筏由于主要含有鞘脂與膽固醇，因而呈現(xiàn)介于液晶相與凝膠相之間的Lo相或稱(chēng)liquid ordered phase。換言之，脂筏中的脂質(zhì)分子既是有序的又呈現(xiàn)液相，這是由鞘脂分子本身結(jié)構(gòu)以及與膽固醇相互作用的結(jié)果。鞘磷脂的兩條疏水鏈大多較長(zhǎng)且高度飽和，這使得它們能夠充分伸直而緊密排布，這也是脂筏組裝體的一個(gè)重要特征。鞘脂類(lèi)和磷脂不同的排布能力可能正是他們的混合膜發(fā)生相分離的關(guān)鍵因素。因此，富含鞘磷脂的脂筏與大家熟悉的疏松無(wú)序排布的磷脂區(qū)是共存的。處于不同相態(tài)(大多是液態(tài)凝聚相和類(lèi)固態(tài)的凝膠相)的脂類(lèi)之間發(fā)生的相分離已得到了廣泛的研究。眾所周知，在純的磷脂雙層中加入膽固醇，可使正常的膠態(tài)和液態(tài)凝聚相之間明顯的熱轉(zhuǎn)變相消失，這表明了在高濃度膽固醇環(huán)境下，含有不同種類(lèi)磷脂的脂質(zhì)體會(huì)形成不同組分相分離的微區(qū)，已為大家理解和接受。有序態(tài)和無(wú)序態(tài)不能共存。進(jìn)一步研究表明，在膽固醇和兩種磷脂的混合體系中可發(fā)生一種不同的相分離行為：類(lèi)液晶相區(qū)和一種新的液態(tài)有序相區(qū)共存，在這種新的液態(tài)有序相中，脂類(lèi)的脂肪酰鏈充分伸直并密集排布和膠態(tài)類(lèi)似，但有高度的側(cè)向流動(dòng)性。脂筏可能存在于這種液態(tài)有序相或者具有與之類(lèi)似的相態(tài)中。因此可以說(shuō)脂筏以液態(tài)有序相存在。這些研究結(jié)果證實(shí)，在含有兩種磷脂(或其中一種是鞘磷脂)與膽固醇的三項(xiàng)混合體系(它們具有不同的熔點(diǎn))中，可以發(fā)生兩個(gè)并列的液態(tài)有序相/液晶相和膠態(tài)相/液晶相的相分離：磷脂/鞘脂類(lèi)混合體系既可在沒(méi)有膽固醇存在的情況下發(fā)生膠態(tài)和液晶態(tài)之間的相分離，也可以在膽固醇存在的情況下發(fā)生液態(tài)有序相和液晶相之間的相分離。膽固醇可以促使相分離行為的發(fā)生。因此，膽固醇存在條件下形成液態(tài)有序相所需要的鞘脂類(lèi)含量，比沒(méi)有膽固醇情況下形成膠態(tài)需要的鞘脂類(lèi)量少，在鞘脂類(lèi)含量相對(duì)較少的細(xì)胞膜中形成脂筏，膽固醇的耗盡導(dǎo)致脂筏的破裂而影響脂筏的功能，這也可以解釋相變溫度處于37～41℃的神經(jīng)鞘磷脂，可以和具有較高熔點(diǎn)的鞘甘脂一樣有效地促使脂筏的形成，但其穩(wěn)定性沒(méi)有膽固醇形成的脂筏好。究其原因，可能是飽和脂類(lèi)與膽固醇之間的相互作用。另外，SpM有更多的官能團(tuán)參與在極性頭基區(qū)形成氫鍵，然而氫鍵對(duì)膽固醇和SpM相互作用到底有多大的貢獻(xiàn)，目前仍不清楚。由于類(lèi)脂的頭基也是調(diào)節(jié)類(lèi)脂排布結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因素，因此它們對(duì)脂筏的形成起著重要的作用。比如，磷脂酰乙醇胺，頭基很小，和對(duì)應(yīng)的磷脂酰膽堿相比，具有較高的熔點(diǎn)溫度，這種作用可能在鞘脂類(lèi)含量較少而磷脂酰乙醇胺較多的脂雙層內(nèi)葉中更為重要。
從結(jié)構(gòu)及組分分析，脂筏有兩個(gè)特點(diǎn)：
①許多蛋白質(zhì)聚集在脂筏內(nèi)，便于相互作用。
②脂筏的環(huán)境有利于蛋白質(zhì)的變構(gòu)，形成有效的構(gòu)象。
在細(xì)胞中脂筏更重要的作用就是它在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件中所發(fā)揮的功能。目前已研究發(fā)現(xiàn)，有多種類(lèi)型的信號(hào)分子與脂筏相關(guān)，如受體分子類(lèi)、離子通道和泵相關(guān)分子、蛋白激酶、GTP結(jié)合蛋白、配體蛋白、鈣離子結(jié)合蛋白、黏附分子、細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白質(zhì)類(lèi)、轉(zhuǎn)錄因子和脂類(lèi)等。脂筏是如何積聚這些信號(hào)分子并激發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)是值得深入探討的問(wèn)題。脂筏調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的兩個(gè)主要模式；在簡(jiǎn)單的模式中，脂筏作為一個(gè)募集特定信號(hào)分子的平臺(tái)，有助于信號(hào)分子之間的相互作用和下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件的發(fā)生。在此模式中，受體、偶合因子、效應(yīng)酶和底物共定位于同一個(gè)脂筏區(qū)域。由于各個(gè)信號(hào)分子之間的空間結(jié)構(gòu)彼此相鄰，細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件能快速有效的發(fā)生。通過(guò)將受體分子嚴(yán)格定位到含有一組特定信號(hào)元件的脂筏區(qū)域，能提高信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件發(fā)生的特異性。這種嚴(yán)格定位將限制受體與其他信號(hào)通路上分子的相互作用，阻止非特異性信號(hào)的發(fā)生。而且，脂筏本身空間積聚的能力也證實(shí)了脂筏能募集參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的一組特定的信號(hào)分子，從而特異地激發(fā)細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。在更為復(fù)雜的模式中，起初信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上相互作用的各信號(hào)分子分散在不同脂筏區(qū)域；激素或生長(zhǎng)因子的刺激導(dǎo)致了脂筏微區(qū)瞬間融合。當(dāng)正常定位于質(zhì)膜非脂筏微區(qū)的受體或其他特定的分子積聚到脂筏微區(qū)時(shí)，脂筏將含有能被激活的完整信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上幾乎所有的信號(hào)分子。脂筏微區(qū)將不同的信號(hào)分子積聚在同一區(qū)域，促進(jìn)了它們之間的相互作用和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活。在這個(gè)模式中，脂筏微區(qū)通過(guò)區(qū)域化信號(hào)分子來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的發(fā)生。存在于不同生理?xiàng)l件下的信號(hào)分子的積聚，嚴(yán)格限定了在特定信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上各信號(hào)分子之間的流動(dòng)；但信號(hào)通路所介導(dǎo)的生物學(xué)功能，并非特異地需要信號(hào)蛋白募集于脂筏微區(qū)；而由脂筏介導(dǎo)的原本相互作用的蛋白質(zhì)之間的分離，也可能導(dǎo)致某些信號(hào)通路的失調(diào)節(jié)。通過(guò)分析分離出來(lái)的各種細(xì)胞的脂筏及小窩中的蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)許多信號(hào)分子富集在脂筏和小窩中。
附錄：關(guān)于脂筏的國(guó)際規(guī)范定義
2006年3月23～28日，在美國(guó)康州汽艇泉港(Steamboat Spring)組織召開(kāi)了“脂筏與細(xì)胞功能”的基本原理專(zhuān)題討論會(huì)。世界生物物理、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者共聚一堂，討論了脂筏的結(jié)構(gòu)和功能。在會(huì)上主要探討了五個(gè)問(wèn)題：
1．決定棄用“脂筏”而優(yōu)選“膜筏”一詞。雖然公認(rèn)脂類(lèi)的相分離(phase separation)可為膜域的形成提供基本的能量驅(qū)動(dòng)，但膜筏的形成“只決定于脂類(lèi)驅(qū)動(dòng)的相互作用”這一概念已被“蛋白質(zhì)和脂類(lèi)兩者均與膜微域生成有關(guān)”的觀點(diǎn)所取代。
2．膜筏不僅見(jiàn)于質(zhì)膜，細(xì)胞內(nèi)膜如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線(xiàn)粒體上也含有筏樣域。
3．雖然富集膽固醇與鞘脂己成為膜筏的特征，但維奇(Veatch)等學(xué)者認(rèn)為，在缺乏高濃度Ch的條件下也可能生成膜筏。
4．介紹用于膜筏研究的成像和分析方法，如電鏡的單獨(dú)應(yīng)用及同空間統(tǒng)計(jì)的聯(lián)合使用，異源熒光與同系熒光共振能量轉(zhuǎn)移，熒光猝滅，熒光衰期成像顯微鏡檢查，光漂白后的熒光恢復(fù)，熒光相關(guān)光譜分析，光柵掃描成像相關(guān)光譜分析及單粒跟蹤等。
5．膜筏的非均一性不僅呈現(xiàn)在三維空間，而且伸展到第四維，即時(shí)間范疇。筏可能短暫出現(xiàn)或呈相對(duì)穩(wěn)定，但皆可視為動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)相互作用，幾個(gè)小型筏可聚集以生成穩(wěn)定的重要生物學(xué)結(jié)構(gòu)，如免疫突觸或全刷緣膜(entire brush border membrane)即為其特殊示例。
會(huì)議集思廣益，之后達(dá)成一致意見(jiàn)，提出膜筏定義：膜筏是一種非均一性富集固醇和鞘脂的高動(dòng)態(tài)小型域，約10～200nm大小。它能使細(xì)胞過(guò)程隔室化。有時(shí)小型筏會(huì)借助蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)-脂類(lèi)的相互作用，穩(wěn)定地形成較大平臺(tái)。此定義將有助于澄清因筏的非均一性和短暫性而困擾近期該領(lǐng)域的理念紛紜。為與國(guó)際公認(rèn)的提法接軌，建議我國(guó)生化名詞采納膜筏的此規(guī)范定義。