脂质储存与代谢细胞器－脂滴的进化研究

The lipid droplet (LD) is a spherical organelle that is composed of a protein-coated phospholipid monolayer membrane and a neutral lipid core. The LD is involved in the control of cell energy homeostasis, thus its dynamic changes, especially the evolution of lipid storage and metabolism, not only affects human health, but also is related to human future development. Since we established LD purification and revealed its proteome and lipidome, the LD research has progressed significantly. Based on the research in recent 10 years, especially our research on bacterial and nematode LDs, we speculate that the organelle may be the earliest membrane-bound organelle evolutionarily, and LDs in humans and other animals may originate from bacterial LDs. Therefore, first of all, we must confirm that LDs are ubiquitous in bacterial domain, and reveal the conservation of the LD among bacteria to find out the last universal common ancestor of the LD. The conservation of the LD within eukaryotic cells will be further elucidated. We will then search for the conservation of LDs between bacteria and eukaryotes. Triacylglycerol synthetases and hydrolases will be selected for relative evolution analysis. These studies are to test if LD originates from bacteria and in turn to correct the conclusion that prokaryotic cells do not have membranous organelles. The study will shed some light on the evolution of cells from prokaryotic to eukaryotic in 2 billion years, including the origin of other membranous organelles. This study will also reveal the evolution of lipid storage and metabolism, and provide an important theoretical basis for improving human health and promoting human development in the future.

脂滴是由单层磷脂膜（monolayer）和蛋白包被中性脂核心构成的球形细胞器。它参与细胞能量稳态的控制，其动态变化，特别是有关脂质储存与代谢的进化规律，不但影响人类健康，还与人类未来发展相关。自我们建立脂滴纯化方法和揭示脂滴蛋白组及脂质组以来，脂滴研究突飞猛进。基于近10年我们关于细菌和线虫脂滴的研究，我们推测脂滴可能是进化中最早出现的膜性细胞器，人类及其他动物的脂滴可能来源于细菌脂滴。为此，首先要确认脂滴普遍存在于细菌域，揭示菌间脂滴的保守性。进一步阐明真核细胞间脂滴的保守性。然后寻找细菌和真核细胞间脂滴的保守性。选择甘油三酯合成酶和水解酶做相关进化分析。证实脂滴起源于细菌，争取修正原核细胞没有膜性细胞器的结论。该研究会给探索原核到真核20亿年间细胞进化提供线索，其中包括其他膜性细胞器的起源。该研究还将揭示脂质储存与代谢的进化规律，为改善人类健康状况及推动人类未来发展提供重要理论依据。

脂滴是一种特殊的膜性细胞器，由单层磷脂膜（monolayer）和蛋白包被中性脂核心构成的球形细胞结构。脂滴是控制细胞能量稳态的重要细胞器，脂滴动态调控的紊乱，能够引起一系列代谢类疾病。同时，脂滴又是植物及真核单细胞生物发育生长必需的营养和碳源，因此也是人类营养，以及生物燃料的主要来源。因此，脂滴动态变化，特别是脂质储存与代谢的进化规律，不仅仅是影响人类健康，还与人类未来发展密切相关。本项目研究内容的核心在于从进化角度开展脂滴研究，从而为最早出现的膜性细胞器的探索提供线索，更为重要的是为研究脂质储存与代谢规律、改善人类健康状况，推动人类未来发展提供重要的理论依据。.我们发现脂滴存在于非人工培养的细菌中。我们成功在肠道原位的肠道菌中观察到脂滴的存在，并发现肠道菌脂滴可能参与宿主代谢的调控，这就提供了从细胞器水平研究肠道菌影响人类健康的新思路。进一步，我们成功建立将含有脂滴的肠道菌分离富集的方法，获得了含有脂滴细菌占比75%以上的肠道菌组分，这就为肠道菌的调控提供了有力手段。进一步，我们成功分离纯化人的两株肠道菌的脂滴，并进行了脂质成分鉴定，以及脂滴蛋白保守性分析，结果提示，肠道菌中广泛存在有脂滴。原位观察到脂滴存在于细菌中，以及肠道菌中广泛存在脂滴，这些结果提示我们脂滴确实可能保守存在于细菌中。因此，我们进一步筛选了近700株无重复的菌株，这些菌株与全球土壤中细菌的相对丰度和组成是相似的，表明本研究筛选菌种的代表性和普遍性。研究结果表明土壤菌脂滴具有普遍性和保守性。自此，我们的结果表明不但土壤细菌（包含水里的细菌）普遍含有脂滴，而且寄生细菌-肠道细菌也普遍含有脂滴。更为重要的是，我们将无法观察到脂滴的大肠杆菌里表达脂质代谢相关酶，发现了脂滴的形成，表明大肠杆菌具有形成脂滴的能力。这些结果表明，脂滴是古老的膜性细胞器, 经过进化分析，我们推测脂滴可能起源于31.9亿年前。而以细菌Protein Z蛋白的脂滴定位分析及定位机制研究为工具，我们发现脂滴蛋白的脂滴定位有着进化与分化。此外，在项目开展过程中，基于前期建立的体外研究单层磷脂膜的体系—脂肪体，我们研究了脂滴蛋白定位识别单层磷脂膜的机制，并将其应用于载药及药物靶向中。以上结果，从脂滴角度出发，结合脂滴进化的规律，研究脂质的贮存、代谢，能够为人类健康改善的研究提供思路、理论依据。