解偶联蛋白2的功能调控方式

1、解偶联蛋白2的功能调控方式解偶联蛋白(uncoupling protein, UCP)是线粒体内膜的一类线粒体载体蛋白。大量的研究 结果显示，UCP功能的异常与多种疾病关系密切。UCP2是UCP的一种重要类型，现综述 概括UCP2的主要功能调控方式以及这些调控的生理意义。肥胖、动脉粥样硬化、糖尿病、免疫失调等慢性疾病是严重影响人民群众身心健康的重要公 共卫生问题。深入探讨这些疾病发生的分子机制并在此基础上探索有效的防护措施具有重要 的意义。解偶联蛋白(uncoupling protein，UCP)属于一类存在于线粒体内膜的线粒体离子 转运体家族成员。近年的研究发现解偶联蛋白在前述多种慢性疾病的

2、发生发展过程中发挥着 重要作用。而其本身的功能又受到多种机制的调控，现对这方面的进展进行综述。1解偶联蛋白概述线粒体是真核细胞内主要的供能细胞器，通过对底物的降解反应产生ATP。在这个过程中， 通过质子电化学梯度将底物的氧化与ATP合成偶联起来。但这种偶联并不是绝对的，质子 可以通过线粒体内膜漏出(质子漏)而不引起ATP的产生，这个过程中一部分氧化产生的 能量最后以热量的形式被消耗掉。质子漏与解偶联蛋白相关联，通过允许质子进入线粒体基 质的方式，解偶联蛋白使质子梯度下将，从而导致氧化呼吸链的解偶联以及热量的产生1。 最具特征性的解偶联蛋白为UCP1，UCP1在1978年被鉴定并在1988年被首

3、次克隆。UCP1 表达于棕色组织，在寒冷和食物所导致的非寒战性产热过程中发挥重要作用2。1997年，2 种与UCP1相似的基因被克隆并分别命名为UCP2和UCP3。随后又筛选出2种新的UCP1 相似物，并被分别命名为UCP4和UCP5/BMCP3。在各种UCP中，UCP2的组织分布最为 广泛。UCP2功能概述人类的UCP2基因定位于11号染色体，主要表达于脂肪组织、骨骼肌、脾、肺、胰腺的8 细胞以及巨噬细胞。虽然结构与UCP1相似，但是干扰、抑制UCP2的表达不会导致肥胖以 及对寒冷敏感性的升高4。关于UCP2是否参与对寒冷应答的研究结果不尽一致，一般认 为它不是主要的产热调控因子。但当特定的

4、效应因子激活时，UCP2同样可以发挥促进产热 的作用。由于对偶联过程、活性氧产物ROS)产生以及脂肪酸代谢等多方面都有着广泛的 影响，UCP2已经被发现参与多种生理、病理过程，如糖尿病、肥胖、动脉粥样硬化、感染、 衰老、肿瘤发生等。例如UCP2能够抑制8细胞分泌胰岛素，从而与II型糖尿病有关5。 UCP2诱导质子漏的一个重要作用是减少线粒体ROS的产生。UCP2的高表达可预防氧化损 伤，而抑制UCP2的表达则可在多种细胞类型中促进氧化损伤6。此外，UCP2还通过缓解 氧化应激抑制结肠癌以及动脉粥样硬化的发生7。UCP2功能调控3.1遗传多态性在加拿大魁北克开展的一项人群研究发现UCP2基因的3

5、个微随体与能量 消耗有关8。此外，UCP2启动子866有一个G/A单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism， SNP)。而该SNP被证实与血液三酰甘油、总胆固醇以及低密度脂蛋白 (low-density lipoprotein， LDL)胆固醇水平有关9。在II型糖尿病患者，866-A等位基因 携带者的胰岛素分泌能力比G等位基因携带者要低得多10。在德国的高加索人中，携带同 样等位基因的糖尿病患者神经病变发生危险性显著降低11。而在中国人、马来人以及印度 人，携带同样等位基因者拥有更高的腰/臀比，同时代谢性综合征的危险性也增高12。虽然 在女性韩国人866-

6、G等位基因携带者UCP2的表达和转录水平都显著降低，同时具有更高的 体重指数(body mass index，BMI)以及脂肪量13，拥有866-G等位基因的澳大利亚高加 索人却拥有较低的血清三酰甘油以及较高的胰岛素敏感性水平14。另外，UCP2基因4号 外显子第55个氨基酸位点的缬氨酸向丙氨酸(Ala55Val)的置换改变已被证实与肥胖有关 3。而在丹麦，与AA、A/V基因型携带者相比，VV基因型携带者拥有更低的解偶联活性 以及能量消耗15。在美国的印第安人中，携带同样基因型的个体拥有更高的代谢率、肥胖 以及糖尿病危险度16。这些结果表明UCP2基因的多态性与一些代谢相关疾病相关联。3.2脂

7、肪酸在体内实验中，禁食、高脂膳食、婴儿吸吮、败血症以及链脲霉素所诱导的糖 尿病模型中均伴随血液中长链脂肪酸水平的增高，这种增高可进一步诱导UCP2表达水平的 增高。而在体外研究中，单不饱和脂肪酸(n-9)和多不饱和脂肪酸(n-6、n-3)均可诱导 3T3-L1前脂肪细胞、原代培养的肌管、大鼠成纤维细胞系L6、大鼠胰岛素瘤细胞系INS-1、 大鼠原代培养的脂细胞以及克隆培养的牛乳房上皮细胞中UCP2水平的增高3。长链脂肪酸对UCP2转录激活作用的一个可能作用靶点是过氧化物酶体增生物激活受体(peroxisomal proliferators-activated receptor， PPAR)。在

8、哺乳动物，已经发现 3 种 PPAR基 因，即PPARa、8 /6、丫。他们在能量动态平衡的调控以及脂肪代谢过程中都发挥着重要 作用。不饱和脂肪酸可作为配体激活这3种PPAR。此外，人工合成的PPAR配体也可以上 调UCP2的表达17。另一类长链脂肪酸可能的作用靶点是固醇反应元件结合蛋白(sterol response element binding protein，SREBP)，这是一个转录因子家族，能够通过与启动子的固 醇调节元件(sterol regulatory elements，SRE)相结合并进一步参与胆固醇和脂肪酸的合成。 目前，已知道有3种SREBP亚型，其中2种即SREBP-

9、1a和SREBP-1c均是由单个基因的 表达产物通过不同的剪切方式产生，同时这2种亚型比第3种亚型对脂肪生成起着更重要的 调控作用。第3种亚型SREBP-2来自于另外一种基因的产物，与SREBP-1a或SREPB-1c 相比，SREBP-2在胆固醇的生物合成方面起着更为重要的作用18。有2条信号通路被证实参与了脂肪酸对UCP2表达的调控，即5-AMP激活的蛋白激酶 (5-AMP-activated protein kinase，AMPK)信号通路以及 Sirt1 信号通路。AMPK 在能量代 谢的调节过程中发挥着关键的作用，如参与对脂肪酸氧化、葡萄糖摄取以及脂解作用等的调 节19。在生理状况下

10、，脂肪酸通过8 -氧化生成Co-A衍生物的过程中可诱导细胞内AMP 水平的增高，并导致AMPK信号通路的激活20。第2种可能参与对UCP2调控的信号通路 是Sirt1 o Bordone等21分析了啮齿动物的8细胞系MIN6和INS-1，以及Sir1缺乏的小鼠， 结果表明，胰腺8细胞的Sirt1直接与UCP2的启动子相连，抑制其基因表达，从而在葡萄 糖刺激的胰岛素分泌中发挥着重要的作用。3.3激素 多种激素参与对UCP2的调节，如胰岛素、瘦素(Leptin)、脂联素(adiponectin)、 生长素(ghrelin)以及甲状腺激素等。胰岛素可以诱导人类脂肪组织以及大鼠骨骼肌细胞中UCP2的表

11、达。在培养的原代大鼠脂肪 细胞，胰岛素可诱导UCP2基因以及蛋白水平的升高，并且这种升高趋势与葡萄糖的浓度呈 正相关性22。而在乳房上皮细胞，胰岛素负调控UCP2的表达23o瘦素由ob基因编码并由脂肪组织释放，具有控制食欲、调节能量代谢、控制脂肪量等作用， 研究认为瘦素可能通过与其同源性受体结合，作用于下丘脑或者皮层组织24。在ob/ob小 鼠腹股沟脂肪组织，瘦素可诱导UCP2以及其他参与脂肪代谢的基因表达水平的升高，如 SREBP和PPAR25o在大鼠，皮下给与瘦素可诱导附睾脂肪垫UCP2表达水平的增高26。 此外，通过腺病毒介导的瘦素过表达也可诱导胰腺8细胞以及皮下白色脂肪组织中UCP2

12、表达水平上调。在敲除瘦素受体基因的大鼠中，瘦素的上述效应被抑制27 o脂联素由脂肪组织所分泌，参与对食物摄入以及能量代谢的调控。通过腺病毒介导的脂联素 受体的高表达可诱导ob/ob小鼠UCP2的高表达并且促进肝脏组织中的8氧化。反过来，在 敲除了脂联素受体的小鼠中，UCP2的表达则受到抑制28o生长素是由胃黏膜分泌的小分子脑肠肽，具有促进食欲的效应。生长素可调节胰岛素的分泌、 摄食行为以及能量代谢过程，同时生长素的这些效应是通过上调UCP2的表达实现的。此外， 生长素的上述效应至少部分是通过诱导周围组织和/或中枢神经系统中AMPK信号通路的激 活实现的29。上面提到的4种激素均可参与对AMPK

13、信号通路的调控，此外，胰岛素、 瘦素以及脂连素还可激活PPAR。通过对人类UCP2基因启动子的分析，Oberkofle等发现该区域还有2个甲状腺激素效应元 件(thyroid hormone response element，TRE)以及另外 2 个完整的 E-box30。同时，三碘 甲状腺原氨酸和/或PPARY共激活因子a(PGC-1a)所诱导的UCP2高表达需要TRE以及 依赖于E-box的SREBP过表达所诱导的UCP2的上调。即便啮齿动物的UCP2启动子区域 不含有TRE，在培养的大鼠原代脂肪细胞，三碘甲状腺原氨酸仍然可以激活UCP2基因和 蛋白的表达22。3.4谷氨酰胺谷氨酰胺是一种

14、被发现参与胰岛素分泌调控的氨基酸。培养基中的谷氨酰胺 可以诱导UCP2蛋白的翻译，并且这种诱导作用呈浓度依赖性。当培养基中缺乏谷氨酰胺时， 则UCP2蛋白的翻译受到抑制，原因是因为5端非翻译区域存在着一个由36个氨基酸所组 成的短的上游开放阅读框(upstream open reading frame，uORF)。当谷氨酰胺存在时，则uORF 对翻译的抑制作用消失31。3.5氧化产物内源性和外源性的超氧化物以及脂质过氧化物例如羟基壬烯醛 (hydroxynonenal，HNE)均能够激活UCP1、2、3的解偶联作用32。此外，ROS及其产 物诱导的UCP2表达上调可在细胞内形成一个负反馈环路减少ROS的产生从而发挥细胞保 护作用33。UCP2感受并抑制线粒体ROS产生的能力还使它参与了对一系列的氧化-还原 敏感的细胞信号通路的调节。在肝脏再生过程中，氧化应激所诱导的UCP2的表达上调是限 制p38活性的必要条件34。在牛主动脉的上皮细胞，UCP2介导了 AMP信号通路对软脂酸 盐所诱导的ROS产生以及p38活化的抑制作用35。