全 文 ：第27卷 第7期
2015年7月
Vol. 27, No. 7
Jul., 2015
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
文章编号：1004-0374(2015)07-0847-12
DOI: 10.13376/j.cbls/2015117
收稿日期：2015-01-18
基金项目：国家杰出青年科学基金项目(30925012)
*通信作者：E-mail: blsong@whu.edu.cn
胆固醇的内源合成与小肠吸收
魏　健1，江路易2，宋保亮1,2*
(1 中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所，上海 200031；2 武汉大学生命科学学院，武汉 430072)
摘　要：以乙酰辅酶 A为原料的从头合成和小肠从食物中吸收是人体获得胆固醇的主要来源。胆固醇的内
源合成在转录水平上受 SREBP通路调控，在转录后水平上主要受胆固醇合成途径限速酶 HMGCR和 SM
的降解调控。小肠对胆固醇吸收是一个涉及胆汁乳化、转运及酯化等多个步骤的复杂过程。定位于小肠上
皮刷状缘膜上的 Niemann-Pick C1 Like 1 (NPC1L1)是介导胆固醇吸收的关键蛋白，负责跨膜运输胆固醇进
入小肠吸收细胞。现主要总结胆固醇合成途径的调控机制、NPC1L1蛋白介导胆固醇吸收的分子途径，以
及讨论小肠胆固醇吸收与人体血液胆固醇水平之间的相关性。
关键词：胆固醇合成；胆固醇吸收；SREBP；HMGCR；NPC1L1；低密度脂蛋白
中图分类号：R963；R394.3　　文献标志码：A
Cholesterol de novo synthesis and intestinal absorption
WEI Jian1, JIANG Lu-Yi2, SONG Bao-Liang1,2*
(1 Institute of Biochemistry and Cell Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences,
Shanghai 200031, China; 2 College of Life Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China)
Abstract: The humans obtain cholesterol through de novo synthesis from acetyl-CoA and intestinal absorption from
food. The de novo synthesis of cholesterol is regulated both transcriptionally by SREBP pathway and
posttranscriptionally by the degradation of rate-controlling enzymes HMGCR. Intestinal cholesterol absorption is a
complex process that involves multiple steps including emulsification by bile, transport and esterification. Niemann-
Pick C1 Like 1 (NPC1L1) residing on enterocyte brush border membrane, a key protein for cholesterol absorption,
transports cholesterol into cells across plasma membrane. This review summarizes the regulation of cholesterol
宋保亮，武汉大学生命科学学院教授、院长、长江学者、杰青。2002年
毕业于中科院上海生科院生化与细胞所，2002年至 2006年在美国西南医学中
心从事博士后研究，2006年至 2014年在中科院上海生科院生化与细胞所任研
究员，2014年起到武汉大学生科院工作。长期从事胆固醇代谢研究，揭示了
内源胆固醇合成途径的负反馈调控机制；小肠胆固醇吸收的分子机制；以及发
现细胞内过氧化物酶体介导胆固醇运输的新途径。他的系统性工作推动了胆固
醇研究领域的发展，是本领域最前沿的实验室之一。已在国际学术期刊上发表
研究论文 30余篇，其中作为通讯作者发表 Cell 1篇、Nature Medicine 1篇、
Cell Metabolism 4篇和 PNAS 1篇。曾获得首届陈嘉庚青年科学奖和中国青年科
技奖等奖项，并担任 JBC杂志的 Editorial Board Member、JMCB副主编、国际
脂质协会 (ICBL)筹划委员。
生命科学 第27卷848
胆固醇是哺乳动物细胞膜的成分之一，同时也
是一些生物活性分子的前体，对于生命活动至关重
要。人体获得胆固醇主要通过两个途径：细胞利用
乙酰辅酶 A经 30多步酶促反应从头合成胆固醇；
小肠直接从食物中吸收胆固醇。然而，过量的胆固
醇合成或吸收会导致高胆固醇血症，进而诱发动脉
粥样硬化等心血管疾病，严重威胁人类健康。因此，
了解胆固醇合成与吸收的机制及调控因素不仅有助
于加深对人体胆固醇代谢稳态的认识，而且能够为
相关疾病的防治提供必要的思路和方法。
1　胆固醇内源合成的调控
作为生物体内经典的反馈调控途径之一，胆固
醇合成调控的研究无疑具有重要的意义。经过数代
科学家的不懈努力，人们对于胆固醇的合成代谢调
转录因子SREBP经过剪切入核后，能够启动脂质代谢相关基因的表达。GSK-3β对nSREBP的磷酸化修饰能够招募SCFFBW7复
合体对其进行泛素化修饰，进而导致nSREBP的降解。microRNA-182可以负调控Fbw7，稳定nSREBP。RNF20也可以泛素化
修饰SREBP-1c导致其降解，但该过程不依赖于磷酸化修饰。nSREBP-1的乙酰化能增强其转录活性，同时竞争性地占据其泛
素化位点，起到稳定蛋白的作用; 而其SUMO化会减弱其转录活性。胆固醇合成途径限速酶HMGCR和SM的蛋白水平严格地
受细胞内甾醇水平的调控，泛素连接酶(E3)gp78和TRC8参与HMGCR的降解过程，参与SM降解的E3是MARCH3。
图1 SREBP通路和胆固醇合成途径限速酶降解通路
synthesis, the molecular mechanism whereby NPC1L1 effectively and specifically transports cholesterol, and the
correlation between intestinal cholesterol absorption and human blood cholesterol level.
Key words: cholesterol synthesis; cholesterol absorption; SREBP; HMGCR; NPC1L1; low-density lipoprotein
控已经有了比较系统和深入的了解。现有的研究成
果认为，转录因子 SREBP介导的转录调控和转录
后胆固醇合成途径限速酶 HMGCR和 SM的降解调
控均在胆固醇合成代谢中发挥了重要作用 (图 1)。
1.1　通过转录因子介导的调控
转录因子SREBPs (sterol regulatory element bind-
ing proteins)能够激活所有胆固醇合成所需要基因的
表达。现已知存在 3种形式的 SREBP：SREBP1a、
SREBP1c和 SREBP2，其中前两者是由同一基因通
过不同的转录起始位点产生的，其 N端具有行使转
录 调 控 功 能 的 bHLH-Zip (basic helix-loop-helix–
leucine zipper)结构域，中部是两个跨膜区和两者中
间的约 30个氨基酸的朝向内质网 (endoplasmic
reticulum, ER)的亲水区，C端则是 SREBP的自剪
切调控区。
魏 健，等：胆固醇的内源合成与小肠吸收第7期 849
1.1.1　SREBP的剪切调控
SREBP的剪切入核是受胞内胆固醇水平调节
的。在细胞内胆固醇水平高时，SREBP通过 C端
结构域与 Scap (SREBP cleavage-activating protein)
及 Insig-1 (insulin-induced gene-1)共同组成一个复
合结构，从而被锚定在 ER上，此时 SREBP的 N
端转录调控结构域无法入核，这样胞内胆固醇的合
成被限制；当细胞内胆固醇水平低时，Insig-1会与
Scap分离，之后 Scap带着全长的 SREBP从 ER上
转运到高尔基体 (golgi)， 经过由 Site-1 protease 和
Site-2 protease介导的两步酶切后，SREBP最终释
放出独立的 nSREBPs (nuclear forms of SREBPs)，入
核行使转录调控功能，结合 SRE (sterol regulatory
element)元件，激活下游基因的表达，包括激活胆
固醇的合成途径的相关基因，以弥补胞内较低的脂
质水平 [1]。
1.1.2　SREBP的修饰与调控
Hirano等 [2]最先揭示了 SREBP与泛素 -蛋白酶
体 (ubiquitin-proteasome)途径存在联系，当抑制蛋白
酶体后 SREBP的稳定性会增加，而介导此过程的是
Skp1–Cul1–FBW7 泛素连接酶复合体 (SCFFBW7)[3]。此
过程是通过GSK-3β (glycogen synthase kinase 3 beta)对
SREBP的 3个苏氨酸或丝氨酸进行磷酸化修饰来
调控的，nSREBP1 (nuclear forms of SREBP1)上磷
酸化的苏氨酸和丝氨酸会招募 SCFFBW7对其进行泛
素化修饰，从而启动 nSREBP1的降解 [2-3]。在此过
程中，nSREBP1与 DNA的结合会加速其磷酸化和
随后的泛素化降解 [4]。2013年，Jeon等 [5]研究发现，
miR-182可以负调控 Fbw7，进而影响 SREBP通路。
与磷酸化相反，乙酰化可以促进 SREBP通路。
首先，乙酰化可以增强 nSREBP的转录活性；其次，
乙酰化也可以调节 nSREBP的稳定性，通过竞争性
地乙酰化修饰同样为泛素化修饰位点的赖氨酸，可
以抑制其泛素化修饰和降解过程 [6]。而去乙酰化酶
SIRT1则可以直接将所有 nSREBP的乙酰化修饰去
掉，从而促进 nSREBP的降解 [7-8]。SREBPs的 SUMO
化则能够减弱其转录活性 [9]。这些实验结果能够部
分印证 SREBP通路在禁食条件下被关闭的现象 (此
时 SIRT1的活性和 SREBP1c的 SUMO化均增加 )。
2014年，Lee等 [10]研究发现，RNF20 (ring finger
protein 20)可以介导 SREBP1c的降解。RNF20可
以直接与 SREBP1c相互作用，进而泛素化修饰
SREBP1c。在小鼠的原代肝细胞和肝脏内表达
RNF20会抑制 SREBP1c及其下游基因的表达；
nSREBP1的蛋白水平和其下游基因的表达会随着
RNF20蛋白的减少而明显增加；PKA可以正调控
RNF20的表达与RNF20对SREBP1c的泛素化修饰。
TRC8 (translocation in renal cancer from chro-
mosome 8) 也参与稳定 SREBP的过程。2009年，
Irisawa等 [11]报道，TRC8与 SREBP存在相互作用，
阻止其向高尔基体的转运；同时，TRC8能够调控
SREBP-2前体的蛋白水平，这是通过蛋白酶体介导
的；TRC8也可以对 Insigs进行泛素化修饰，这与
SREBP的剪切密切相关 [12]。
1.1.3　白桦酯醇影响SREBP通路
SREBP作为脂质代谢的一类关键转录调控因
子，毫无疑问有着发展成为药物靶点的潜质，我们
实验室针对 SREBP通路进行了大规模的药物筛选，
最终发现了能够负调控 SREBP途径的白桦酯醇
(Betulin) [13]。白桦酯醇是从桦木的树皮内提取的一
种三萜类化合物。白桦酯醇能够将 SCAP限制在内
质网上，促进 SCAP和 Insigs的相互作用，阻止
SREBP剪切入核。后果是 nSREBP的减少会下调胆
固醇和脂肪酸的生物合成。对小鼠喂食白桦酯醇能
够降低其血清中的脂质水平，也能够增加其胰岛素
敏感性。进一步，白桦酯醇能够让LDLR (low-density
lipoprotein receptors)敲除小鼠体内的血管动脉粥样
硬化斑块显著减少，具有临床意义。
1.2　胆固醇合成途径限速酶的降解
1.2.1　HMGCR的降解
生物体以乙酰辅酶 A (acetyl-CoA)为原料最终
合成胆固醇。此过程的最初几步反应是将乙酰辅酶
A合成为甲羟戊酸 (mevalonate)，被称为甲羟戊酸
途径，其中HMGCR (3-hydroxy-3-methylglutarylcoen-
zyme A reductase)负责将 3-羟基 -3-甲戊二酸单酰
辅酶 A (HMG-CoA)催化转化为甲羟戊酸，是甲羟
戊酸途径的限速酶 [14]。
在酵母内，HMGCR存在一种受调控的结构转
变，使得 HMGCR能够被 HRD (HMG-CoA reductase
degradation protein)识别为其降解底物 [15]；而在哺
乳动物细胞内， HRD1参与到了 HMGCR的最基本
的降解过程中，但这种降解是不受胞内甾醇水平调
控的 [16]。大量的实验结果表明，在哺乳动物细胞内，
HMGCR的蛋白水平的确受到了甾醇的严格调控。
首先，HMGCR 的 mRNA水平会受到 SREBP的调
节，胞内的高甾醇水平使得 HMGCR的 mRNA显
著减少 [14]，胞内的低甾醇水平诱导产生的 nSREBP
会激活 HMGCR基因的转录；而翻译后层面上，
生命科学 第27卷850
HMGCR会积极地响应胞内甾醇水平。具体来说，
在缺乏甾醇的细胞内，HMGCR的半衰期超过 12 h，
而一旦细胞内积累过多的甾醇时，HMGCR的半衰
期缩短至 1 h，说明 HMGCR被迅速地降解了，说明
此过程也是受甾醇水平影响的负反馈调控 [17]，而且
这种调控也是依赖于 Insigs的 [18]。
最先被发现的参与 HMGCR降解过程的泛素
连接酶是 gp78[19]。gp78由 4个结构域组成：(1)一
个 N端的长 298个氨基酸的膜结合区域，此区域也
可以与 Insigs相互作用；(2)一个长 43个氨基酸的
包含 RING finger结构域，行使泛素连接酶功能；(3)
一个与酵母的 ER膜蛋白 Cue1p同源的由 42个氨基
酸构成的区域，作为一个名叫 Ubc7的泛素交联
酶 (ubiquitin conjugating enzymes, E2)的锚定位点；
(4)一个长 48个氨基酸的结构域，能够介导 gp78
与 VCP (valosin-containing protein)的相互作用。VCP
是一种 ATP 酶，参与了内质网介导的蛋白质多
聚泛素化降解途径 (ER-associated protein degradation,
ERAD)。
在正常的生理状态下，细胞内一部分膜结合的
Insig-1预先与 gp78进行结合，同时 gp78分别与
Ubc7和 VCP结合，在此基础上添加羊毛固醇 [20]
(lanosterol，胆固醇代谢的中间产物之一 )会使得
HGMCR与此复合物结合，之后 gp78将泛素分子
转移到 HMGCR的 89和 248位的赖氨酸上 [21]，进
而 VCP就会介导 HMGCR向蛋白酶体的转运与降
解过程。我们实验室在对 gp78的研究过程中发现，
Ufd1 (ubiquitin fusion degradation 1) 能 够 直 接 与
gp78相互作用进而促进 gp78的泛素连接酶活性，
加速 HMGCR的降解 [22]。
同时，研究还发现 gp78也调控了人源 Insig-1
的降解，这是通过对其 156和 158位的赖氨酸进行
多聚泛素化来实现的 [23-24]。甾醇能够通过 SCAP的
SSD区域 (sterol-sensing domain)使 SCAP的构象发
生改变从而与 Insig-1结合，抑制 SREBP的剪切成
熟，此过程一方面如前文所述使得 SREBP的入核
大大减少，能够响应胞内高的甾醇水平，直接减少
内源合成基因的表达；另一方面又可以使得 Insig-1
与 gp78分离，使得 gp78无法有效地对 Insig-1进
行泛素化修饰，这样 Insig-1就能够更加稳定的存在，
对滞留 SCAP-SREBP过程进行“巩固”。
综上所述，Insig-1和 HMGCR在胆固醇内源
合成中均具有重要的作用，Insig-1调节 SREBP的
入核和 HMGCR的降解，HMGCR则是胆固醇合成
反应中的限速酶，两者的降解均是通过gp78实现的。
众所周知，肝脏是脂质代谢的核心器官，更是胆固
醇合成的核心器官，为了进一步研究 gp78对生物
体的意义，我们实验室构建了肝脏特异性敲除 gp78
的小鼠 (L-gp78–/–)并对其进行了深入研究 [25]。首先，
我们发现 L-gp78–/–小鼠的肝脏内 HMGCR和 Insig-1
均有明显的增加，同时其 Insig-2也明显增加，这
表明在小鼠肝脏内 gp78也可以调控 Insig-2的降解；
与此同时，伴随着 Insigs的增多，SREBP的入核则
被大幅削弱，这直接导致了 L-gp78–/–小鼠肝脏内脂
质合成的减少。与WT相比，L-gp78–/–小鼠的 SREBP
途径耐受饥饿 -再进食调控，也能够抵抗饮食和年
龄引起的肥胖；它们具有更多的能量消耗，更低的
体内脂质水平，以及高于正常的胰岛素敏感性。这
些实验结果都说明，在小鼠肝脏内敲除 gp78能够
通过 SREBP途径显著地影响其体内的脂质水平，
这提示我们 gp78是一个潜在的药物靶点，我们有
可能通过抑制生物体内的 gp78活性来下调 SREBP
代谢通路，进而达到治疗高胆固醇血症和 II型糖尿
病等代谢疾病的目的。
TRC8也能够作为泛素连接酶对 HMGCR进
行泛素化修饰，此过程也依赖于 Insig。TRC8能
够与 Insig-1和 Insig-2相互作用，通过甾醇介导的
HMGCR与 Insigs的结合，调控 HMGCR的降解。
一个值得注意的现象是，在 gp78敲除的细胞内，
TRC8的稳定性会显著增加，可能原因是 TRC8被
用以弥补胞内 gp78的非正常的低水平。通过动态
调节 gp78/TRC8的比例，来更加精确地调控胆固醇
合成代谢途径 [12]。
Aup1 (ancient, ubiquitous protein-1)能同时促进
Ubc7与 gp78和 TRC8的相互作用，介导泛素化修
饰的 HMGCR进入 26S蛋白酶体进而被降解，此过
程由与 ER结合的脂滴介导其与 ER的解离。除了
HMGCR外，Aup1也广泛地影响 SREBP通路：在
细胞内沉默 Aup1基因会抑制 Insig-1、SREBP-1和
SREBP-2的降解 [26]。
然而，2012年 Tsai等 [27]研究发现，在 gp78 KO
的小鼠的原代MEF细胞 (mouse embryonic fibroblasts)
内，HMGCR仍然可以正常地被甾醇调控降解，后
续通过 RNAi在另外两种成纤维细胞 Rat-1和 SV-
589内沉默 gp78和 TRC8之后，HMGCR仍然能够
正常被降解，这提示我们在这些细胞内应该是另外
的泛素连接酶参与到了 HMGCR的降解过程中，所
以可以期待后续的研究能够解开这个谜团。
魏 健，等：胆固醇的内源合成与小肠吸收第7期 851
1.2.2　鲨烯单加氧酶的降解
鲨烯单加氧酶 (squalene monooxygenase, SM)
能够将鲨烯转化为 2,3-环氧鲨烯，近年来针对此酶
的降解也开展了相关研究。参与 SM降解调控的泛
素连接酶是MARCH6 (membrane-associated ring finger
(C3HC4) 6)，一个在 ER上多次跨膜的蛋白质 [28]。
胆固醇的加入能够加速 SM的降解 [29]，而不饱和脂
肪酸则可以通过减弱胆固醇与MARCH6的相互作
用，进而减缓 SM的降解 [30]。与被广泛研究的
HMGCR降解受氧化性甾醇 (oxysterols)和甲羟戊酸
合成途径的代谢中间产物调控不同，SM的降解则
是直接受胆固醇调控。胞内胆固醇水平并不在转录
层面调控MARCH6基因的转录，而是直接影响了
MARCH6的活性，具体的影响机制目前并不清楚。
但是，SM的降解并不依赖于 Insigs或 SCAP，或
者其他通过 SREBP-2激活的基因 [29]，这说明有可
能是类似与 HMGCR的 SSD一样通过生物分子影
响了蛋白质的结构从而启动降解程序的。研究也
发现胆固醇能够与 SM发生直接的相互作用，所以，
有可能是这种相互作用影响了 SM跨膜区的空间
结构。
在哺乳动物细胞内，MARCH6活性缺失会导
致 SM的大量富集 [28]。这种调节机制在哺乳动物和
植物里面是保守的 [28, 31]。而在酵母里，催化 SM的
同源蛋白 ERG1 泛素化降解的泛素连接酶是
MARCH6的同源蛋白 Doa10[32]。MARCH6的 N端
的 100个氨基酸是胆固醇调控其降解所必需的 [29]，
与MARCH6序列相比，Doa10缺乏MARCH6 N端
的 100个氨基酸，这提示我们 Doa10对 ERG1的泛
素化修饰可能与 MARCH6 调控 SM 不是完全一
致的。
SM的降解并不会对依赖于甲羟戊酸途径的其
他类异戊二烯分子的合成有决定性的影响，鉴于甲
羟戊酸途径处于甾醇合成通路的最上游，避开
HMGCR的降解直接对 SM或其他下游酶的调控在
某种程度上更加显示出生物体对代谢调控的精确性。
2　小肠胆固醇吸收
小肠从饮食中吸收胆固醇是人体获得胆固醇的
另一重要途径。在现代饮食条件下，人体平均每日
摄取的胆固醇量约为 300~500 mg，可达胆固醇更
新总量的 50%[33]。此外，肝脏分泌的胆汁和脱落的
消化道上皮细胞在流经小肠时，其中含有的胆固醇
也可以被重新吸收利用。
2.1　小肠胆固醇吸收过程
小肠胆固醇吸收是受多因素调控的涉及若干步
骤的复杂过程，在这一过程中来源于食物和胆汁的
胆固醇经由小肠上皮细胞摄取并最终进入淋巴系
统。虽然整个小肠都具有吸收胆固醇的能力，但主
要的吸收部位在肠道的上段，如十二指肠、空肠和
回肠段 [33]。
食物进入小肠后，经多种消化酶 (如胰甘油三
酯酶和 1B型磷脂酶 A2)作用，其中的甘油三酯和
磷脂被逐渐分解消化，释放出胆固醇 [34]。只有未经
酯化的胆固醇才能够穿过小肠上皮细胞的刷状缘膜
进入细胞内，因此，食物中的胆固醇酯需预先经消
化液中的胆固醇酯酶水解为游离胆固醇 [33]。胆固醇
是高度疏水的，其本身无法扩散通过肠腔与吸收细
胞之间的静水层屏障，需要依赖胆汁酸的乳化作用。
由肝脏分泌进入肠腔的胆汁酸是既包含亲水性的羟
基和羧基，又含有疏水烃基的两性分子。高浓度的
胆汁酸能够将包括胆固醇在内的脂类分子乳化形成
羧基端朝外而疏水脂类在内的球状微团 (micelles)，
协助穿越静水层屏障并成功将胆固醇递送到上皮细
胞表面。胆汁酸的乳化作用对于小肠高效吸收胆固
醇是至关重要的。在小鼠体内通过干扰胆汁酸合成
途径的关键基因胆固醇 7α-羟化酶 (cholesterol 7α-
hydroxylase, CYP7A1)或固醇 27-羟化酶 (sterol 27-
hydroxylase, CYP27)的表达，减少胆汁酸的合成，
均能显著降低胆固醇的吸收效率 [35-36]。
被递送到小肠上皮细胞表面后，胆固醇穿越细
胞膜并进入细胞内是吸收过程的关键步骤。近期研
究发现小肠绒毛上一个名为 Niemann-Pick C1 Like 1
(NPC1L1) 的跨膜蛋白负责高效特异地转运胆固
醇进入吸收细胞 [37]。有关 NPC1L1转运胆固醇的分
子机制下文将作具体阐述。进入吸收细胞后，胆固
醇最终被运输到内质网上，由 ACAT2 (acyl-CoA:
cholesterolacyltransferase isoform 2 ) 催化形成胆固
醇酯 [38-40]。之后，在载脂蛋白 Apo-B48和微粒体
甘油三酯转移蛋白 (microsomal triglyceride transfer-
protein, MTTP)等的作用下，胆固醇酯同甘油三脂、
磷脂及少部分游离胆固醇一起组装形成乳糜微粒
(chylomicron)，后经基底膜分泌进入淋巴循环 [41-43]。
2.2　关键蛋白NPC1L1的发现及功能
长期以来，人们对于胆固醇如何跨越刷状缘膜
转运进入小肠吸收细胞并不清楚，但 1997年以来
对 Niemann-Pick C1 (NPC1)蛋白的研究为相关机制
的揭示提供了极具价值的线索。NPC1蛋白广泛存
生命科学 第27卷852
在于体内各个组织，在细胞内定位于溶酶体膜上，
负责将胆固醇跨膜转运出溶酶体。NPC1功能缺失
会导致胆固醇等脂质在溶酶体内过量累积，引起严
重的神经退行性疾病 [44-45]。由于不分布于细胞质膜
上，NPC1蛋白并不能转运胞外胆固醇进入细胞。
2004年，Altmann等 [37]运用生物信息学的方法鉴
定出 NPC1的类似蛋白 NPC1L1，并揭示了其在小
肠胆固醇吸收过程中的关键作用。NPC1L1与
NPC1约有 50%的氨基酸序列同源性，是一个由
1 332个氨基酸残基组成的 13次跨膜蛋白 [46-47]，其
3~7跨膜区段构成在多个胆固醇代谢相关基因中保
守的甾醇感受结构域 (sterol sensing domain, SSD)[48]。
NPC1L1在小肠中大量表达，尤其在空肠和回肠段
表达最高，主要定位于小肠上皮细胞刷状缘膜上 [37,49]，
其 NH2端位于细胞膜外侧朝向肠腔，而 C端在细
胞内 [46]。
相较于野生型小鼠，NPC1L1缺陷小鼠的胆固
醇吸收效率下降约 70%，而甘油三酯等其他脂类的
吸收不受影响，表明 NPC1L1蛋白特异地参与胆固
醇的吸收过程 [37]。饲喂胆固醇吸收抑制药物依泽麦
布 (Ezetimibe，又名依泽替米贝 )不能进一步降低
NPC1L1缺陷小鼠的胆固醇吸收，证明 NPC1L1依
赖的胆固醇吸收通路正是 Ezetimibe的作用靶点 [37,50]。
NPC1L1的组织表达具有种属特异性：在啮齿类动
物中，NPC1L1仅表达于小肠中，参与小肠对胆固
醇的吸收；而在人或其他灵长类动物体内，除小肠
外，NPC1L1也在肝脏中朝向胆汁的胆小管膜
(canalicular membrane)上表达，负责重吸收肝脏分
泌到胆汁中的胆固醇 [51-52]。因此，在人体小肠和肝
脏中表达的 NPC1L1协同作用，既实现了对饮食胆
固醇的高效率吸收，又防止胆汁分泌造成的胆固醇
过量流失，作用效果都是增加血液中的胆固醇水平。
目前对于 NPC1L1基因在肝肠特异表达的机制还不
清楚，但有证据提示细胞内胆固醇含量可通过
SREBP-2 (sterol regulatory element binding protein 2)
通路调节 NPC1L1的转录 [53-55]。此外，NPC1L1基
因启动子区 DNA甲基化水平可能是决定其在肠道
不同区段表达差异的主要因素 [56]。
2012年，Sainz等 [57]研究发现，NPC1L1蛋白
还参与了丙型肝炎病毒 (hepatitis C virus, HCV)侵
染肝细胞的过程。沉默 NPC1L1的表达能够阻断
HCV感染的起始阶段，NPC1L1的拮抗剂 Ezetimibe
也可以阻断病毒侵染进入细胞的过程，为丙型肝炎
的治疗提供了一个新的抗病毒靶点和潜在药物。
2.3　NPC1L1介导胆固醇吸收的机制
动物实验证明 NPC1L1蛋白对于小肠胆固醇高
效吸收是必需的，那么 NPC1L1介导胆固醇进入吸
收细胞的分子机制是怎样的？对此，我们开展了深
入研究，提出并证明了 NPC1L1介导胆固醇吸收的
工作模型，鉴定发现了参与该途径的多个蛋白因子
(图 2)。
2.3.1　NPC1L1通过囊泡内吞的方式转运胆固醇
表达在大鼠肝细胞 CRL-1601中的 NPC1L1主
要定位于质膜和由多囊泡构成的内吞循环体 (endocytic
recycling compartment, ERC)，并在两者之间循环转
运。当细胞处于低胆固醇水平时，大量的 NPC1L1
会从 ERC沿微丝转运到细胞质膜上；给细胞补充
外源胆固醇后，质膜上的 NPC1L1将携带胆固醇一
起发生囊泡内吞，之后转运胆固醇至 ERC[51,58]。
NPC1L1内吞依赖于 Clathrin/AP2复合物，干扰
Clathrin表达能够阻断 NPC1L1的内吞并显著降低
胆固醇的吸收。胆固醇吸收抑制剂 Ezetimibe也可
阻断NPC1L1的内吞 [58]。细胞内胆固醇含量下降时，
内吞进入 ERC的 NPC1L1会与胆固醇分离，激活
的 Cdc42蛋白通过调控 N-WASP、Arp2/3、Rab11a/
Rab11-FIP2/Myosin Vb 等膜泡运输相关蛋白将
NPC1L1重新转运回质膜 [59-60]。在小鼠体内，我们
观察到食物中的胆固醇会诱导 NPC1L1携带胆固
醇从小肠绒毛刷状缘膜内吞进入细胞 [49]。Xie 等 [61]
在研究中同样发现，喂食胆固醇可以诱导在小鼠
小肠刷状缘膜下出现包含 NPC1L1的囊泡，而
Ezetimibe处理则会抑制上述囊泡的出现。一系列发
现证明 NPC1L1通过 Clathrin依赖的囊泡运输模式
介导胆固醇的吸收。Ezetimibe通过结合 NPC1L1
胞外第二个 loop区，阻断 NPC1L1的内吞从而抑
制胆固醇进入吸收细胞 [58,61-62]。
2.3.2　胆固醇的感受与内吞启始
NPC1L1的N端和 C端序列是重要的功能区域。
N端结构域 (N-terminal domain, NTD)构成一个疏水
“口袋”，可以特异地结合 1个胆固醇分子 [63]。2014
年，Li 等 [64]研究发现 NPC1L1 蛋白 C端含有一
个进化保守的内吞信号序列 YVNxxF (x代表任意氨
基酸 )。该信号可以被细胞质内接头蛋白 (adptor
protein) Numb的PTB结构域 (phosphotyrosine-binding
domain)识别并结合。Numb蛋白会同时招募 Clathrin/
AP2，启动囊泡内吞。在细胞内干扰 Numb表达会
减弱 NPC1L1的内吞。相应地，小肠 Numb基因敲
除小鼠呈现显著降低的胆固醇吸收效率。
魏 健，等：胆固醇的内源合成与小肠吸收第7期 853
NPC1L1与 Numb是如何感受细胞的胆固醇水
平，从而决定内吞起始的。我们首先注意到 NPC1L1
的 C端与 Numb的结合受质膜胆固醇含量的影响，
质膜胆固醇含量高时 NPC1L1与 Numb的结合要比
胆固醇含量低时强。之后发现 C端的内吞信号序列
在低胆固醇时与质膜磷脂内层结合，而高胆固醇水
平会诱导分离 [64]。据此，我们提出了 NPC1L1感受
胆固醇浓度的分子模型：细胞质膜胆固醇水平较低
时，NPC1L1在胞内的 C端内吞信号序列与质膜磷
脂内层结合，此时 Numb 无法识别内吞信号，
NPC1L1会滞留在吸收细胞的质膜上；当食物或胆
汁来源的胆固醇被运送到吸收细胞表面后，
食物中的胆固醇酯(CE)进入小肠后会被酯酶水解为游离的胆固醇(cholesterol)，在胆汁(bile)的乳化作用下形成球状微团
(micelles)，其携带胆固醇扩散通过肠腔和肠上皮细胞刷状缘膜之间的静水层屏障。刷状缘膜上的NPC1L1通过囊泡内吞的机
制将胆固醇吸收进入细胞内的内吞循环体(ERC)。胆固醇吸收抑制剂Ezetimibe通过阻断NPC1L1内吞抑制胆固醇进入吸收细
胞。“卸载”胆固醇后，NPC1L1可转运回到细胞质膜上。内吞循环体上的胆固醇会被继续运输到内质网(ER)，在ACAT的催
化下转化为胆固醇酯(CE)。Apo-B48和MTTP装配胆固醇酯进入乳糜微粒(chylomicrons)，经基底膜分泌最终进入淋巴循环。
NPC1L1介导胆固醇内吞进入细胞是胆固醇吸收的关键步骤。细胞质膜上的NPC1L1可感受胆固醇浓度决定内吞的起始。质
膜胆固醇含量较低时，NPC1L1蛋白C端的YVNxxF内吞信号区段会与质膜结合而无法启始内吞。当肠腔内有胆固醇流过时，
NPC1L1的N端会结合胆固醇并将其插入到质膜上，Flotillin蛋白协助在NPC1L1周围形成富含胆固醇的微结构域。胆固醇浓度
升高会诱导NPC1L1构象发生变化，YVNxxF序列与质膜解离。Numb蛋白进而识别和结合暴露的YVNxxF序列，并招募脚手
架蛋白Clathrin/AP2，装配形成内吞复合体，最终启动内吞。
图2 NPC1L1介导的小肠胆固醇吸收过程
NPC1L1朝向肠腔的 NTD会结合胆固醇并将其插
入到细胞质膜，高浓度的胆固醇诱导 NPC1L1构象
发生变化，C端内吞信号序列与质膜解离，之后被
Numb识别而发生内吞。
NPC1L1的内吞信号序列类似于最早在低密度
脂蛋白受体 (low-density lipoprotein receptor, LDLR)
中发现的经典内吞信号 NPxF，后者可被接头蛋白
ARH和 Dab2识别结合 [65-67]。尽管两种信号在序列
上十分相似，然而，参与两者内吞过程的接头蛋白
却是不同的。Numb不具有结合 NPxF信号启动
LDLR内吞的能力；类似地，ARH和 Dab2也不能
够识别 NPC1L1的内吞信号序列 YVNxxF，其表达
生命科学 第27卷854
缺陷不影响 NPC1L1的内吞 [68]。因此，NPC1L1蛋
白 C端的 YVNxxF序列可能代表了一类新的可被
Numb识别的内吞信号。
2.3.3　胆固醇高效吸收的分子基础
一个 NPC1L1蛋白的 NTD只能结合一分子的
胆固醇，然而，小肠吸收胆固醇的效率最高却可达
80%。假如 NPC1L1是以“一对一”的方式携带胆
固醇内吞进入细胞的话，显然无法达到如此高的吸
收效率。那么，NPC1L1是如何高效率地转运胆固
醇的，脂筏 (lipid raft)组成蛋白 Flotillin在胆固醇吸
收中功能的揭示为我们揭开了谜题 [69]。细胞质膜上
的脂质并非均匀分布，其中胆固醇会富集在脂筏区
域。Flotillin-1和 Flotillin-2蛋白对脂筏的形成和维
持是至关重要的。在质膜上，Flotillin-1和 Flotillin-2
与 NPC1L1相结合，协助在其周围形成一个富含胆
固醇的微结构域 (micro-domain)，局部高浓度的胆固
醇会诱发 NPC1L1构象变化启动内吞。NPC1L1会
连同 Flotillin蛋白及膜微结构域一起内吞，从而实
现将大量胆固醇转运进入吸收细胞 [69]。
2.4　小肠胆固醇吸收与低密度脂蛋白胆固醇水平
胆固醇吸收效率在不同个体间存在较大差异，
从 29%~80%不等 [70]。小肠胆固醇吸收是一个复杂
的多步骤过程，因此，影响胆固醇吸收效率的因素
也是多种多样的。从年龄、饮食结构、小肠蠕动速率、
肠道菌群到消化酶、胆汁的合成与分泌、吸收相关
基因的表达和突变等因素均会影响胆固醇的最终吸
收效率。在此我们主要讨论可遗传的基因变异对胆
固醇吸收的影响，及其与心血管疾病风险因素血液
低密度脂蛋白胆固醇 (low-density lipoprotein cholesterol,
LDL-C)水平的关联性。
作为介导胆固醇吸收的关键因子，NPC1L1基
因的表达水平与变异必然与胆固醇的吸收效率密切
相关。目前，利用测序技术已在人群中鉴定出多个
NPC1L1的非同义突变 [71-73]。部分变异被证明会导
致 NPC1L1的表达、亚细胞定位、糖基化及蛋白质
稳定性的异常，影响 NPC1L1介导胆固醇吸收的正
常功能 [74]。另外，少数突变被发现能够改变
NPC1L1对胆固醇吸收抑制剂 Ezetimibe的敏感性
[75-76]。统计数据显示，大约每 650个人中就有 1个
是 NPC1L1 基因功能性变异的杂合携带者 [73]。在内
吞起始阶段，Numb作为连接 NPC1L1蛋白和内吞
复合物的“桥梁”发挥作用，其功能性变异也会影
响胆固醇的吸收效率。从来自中国新疆的血液胆固
醇异常样本中我们鉴定出一个 Numb的变异 G595D，
发现其仅存在于低 LDL-C的人群中且与低血液胆
固醇水平具有相关性 [68]。功能研究表明，G595D
变异会减弱 Numb与 Clathrin/AP2的亲和力，引起
NPC1L1内吞缺陷而降低胆固醇吸收。
高 LDL-C水平是动脉粥样硬化等心血管疾病
的主要风险因素之一。作为人体获得胆固醇的重要
途径，小肠胆固醇吸收对血液 LDL-C水平的贡献
是怎样的；其在心血管疾病发生中又扮演什么样的
角色。由于小肠胆固醇吸收被抑制，NPC1L1基因
敲除小鼠和 Ezetimibe喂食的野生型小鼠的血液胆
固醇水平均显著降低，能够抵抗饮食诱导的高胆固
醇血症 [77]。Xie 等 [61]利用基因工程小鼠模型的研
究确证 NPC1L1介导的小肠胆固醇吸收是决定血液
中 LDL-C水平的主要因素。越来越多的实验和临
床数据表明在人体中，血液 LDL-C水平同样与小
肠胆固醇的吸收效率存在正相关性 [78-79]：过量的胆
固醇吸收会导致高胆固醇血症，进而诱发动脉粥样
硬化等心血管疾病 [80]；相反，药物抑制或遗传因素
导致的小肠胆固醇低效率吸收会有效降低血液胆
固醇水平及心血管疾病发生的风险 [81]。1987年，
Kesäniemi 等 [78]以血液中植物甾醇 betasitosterol含
量作为胆固醇吸收水平的指标，在随机选取的芬兰
中年人群中测量数据提示，胆固醇吸收效率与血液
LDL-C水平存在显著的正相关性，在决定血液胆固
醇水平中发挥了重要作用。近年来多篇文章报道，
人群中影响 NPC1L1正常功能的自发突变通常与较
低的 LDL-C 水平和低心血管疾病风险具有关联
性 [71-73,82]。临床上使用 Ezetimibe治疗可抑制约 50%
的胆固醇吸收，降低 LDL-C水平约 15%~20%[83-84]。
因此，NPC1L1介导的小肠胆固醇吸收过程可作为
治疗高胆固醇血症的作用靶点，发展更高效的胆固
醇吸收抑制药物将有益于动脉粥样硬化等心血管疾
病的防治。
3　总结和展望
HMGCR作为胆固醇合成途径的限速酶之一，
除了使用他汀类药物抑制其活性外 [85-87]，控制其蛋
白水平也是另外一种策略，这可以降低罹患高胆固
醇血症等病症的患者体内的胆固醇水平。我们的研
究表明，gp78通过影响 HMGCR降解通路与 SREBP
通路也有可能成为胆固醇合成途径的药物靶点 [25]。
不过值得注意的是，2012年，Tsai等 [27]研究表明，
在不同的细胞内介导 HMGCR降解的泛素连接酶应
该不尽相同，这让我们有理由开展更多的研究来寻
魏 健，等：胆固醇的内源合成与小肠吸收第7期 855
找还未被发现的参与到此过程的泛素连接酶，从而
对各种泛素连接酶在 HMGCR的降解过程中贡献多
少的比重进行一个精确地衡量，这会让我们研发相
关药物能够更有针对性。值得注意的另外一点是，
泛素连接酶介导的底物泛素化修饰能够有效地被去
泛素化酶 (deubiquitylases, DUBs)逆转 [88]。到目前
为止，已知的去泛素化酶接近 100种，到底是哪些
去泛素化酶通过何种方式参与到胆固醇合成途径的
负反馈调控机制中来亟待探索和揭示。最后，由于
胆固醇合成通路并不是简单的几步酶促反应来完成
的，所以，在此过程中可能存在未被发现的潜在的
调控节点和药物靶点 [89]。
小肠胆固醇吸收对于维持人体胆固醇代谢平衡
至关重要，虽然先前的研究已经取得重要进展，但
对胆固醇吸收的部分细节仍不清楚，如胆固醇是如
何诱导 NPC1L1蛋白构象变化从而使 C端从质膜解
离的；内吞至ERC的胆固醇如何继续运输到内质网；
与胆固醇解离后，启动 NPC1L1从 ERC转运回到
细胞质膜的信号是什么。另外，目前临床上仅有
Ezetimibe一种抑制胆固醇吸收的药物，小肠胆固醇
吸收机制的阐明将为研发新的降胆固醇吸收药物提
供理论基础。Numb与 NPC1L1的特异性结合将是
一个可行的药物靶点。
[参　考　文　献]
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