解偶联蛋白与肥胖

解偶联蛋白与肥胖

0氧化磷酸化偶联的概念除了储存一些脂肪，大部分体内储存的能量通过释放、转移和利用能量来传播、改变和转化为各种化学品的化学、离子运行机械和骨骼外科手术的机械形式。在能量代谢的过程中除骨骼肌运动时所完成的机械功外,其余形式的功最后亦都转变为热能。机体产热部位主要在线粒体,产热量主要取决于线粒体上解偶联蛋白(Uncouplingproteins,UCP),即位于线粒体内膜介导H+内流的跨膜蛋白质形成的“质子漏”的程度。线粒体内经三羧酸循环产生的还原当量沿电子传递链传递时释放出的能量,可将H+从线粒体基质转移至内膜的胞液面,形成一个跨线粒体内膜的质子电化学梯度(ΔμH+),当质子从胞液面顺梯度回至基质面时,其中蕴含的能量可用以推动ADP与磷酸结合生成ATP,此过程称为氧化磷酸化偶联。若H+进入线粒体内膜而不与ATP合成过程偶联(氧化磷酸化解偶联),能量则以热的形式散失,即形成“质子漏”。因此产热的多寡是影响能量消耗的重要因素。20世纪70~90年代,法国和美国科学家先后发现在线粒体内膜的一些蛋白质扮演了解偶联剂的作用,被称为解偶联蛋白。大概有25%ATP中的代谢能是由于质子遗漏现象而被转化成热量的形式散失的。通常测定机体产热量可知晓机体能量代谢的概况,进而可研究对肥胖产生的影响。近年来对UCP的生理作用及其与产热能量消耗及肥胖的关系认识不断深入。本文就近几年的进展予以综述。1目的总结解偶联蛋白的作用机制、解偶联蛋白多态性与肥胖的关系及其表达的调节因素等,为肥胖发生机制及其防治工作的研究开辟新途径。2材料和方法2.1检索词“ung”,限定文章语言应用计算机检索Medline1997-01/2007-07与解偶联蛋白相关的文章,检索词“Uncouplingproteins”,限定文章语言种类为English;同时计算机检索1997-01/2007-07中国期刊全文数据库与解偶联蛋白相关的文章,检索词“解偶联蛋白”,限定文章语言种类为中文。另外手工检索到相关文献20篇。2.2文献纳入与排除标准对资料进行初审,纳入标准:(1)解偶联蛋白家族中各成员相关研究。(2)解偶联蛋白与肥胖方面的研究。(3)解偶联蛋白研究的临床、实验研究报道。排除标准:研究目的与本综述目的无关、重复研究的文献。阅读标题和摘要进行初筛,排除因研究目的与本研究无关者98篇,内容重复性的研究112篇,保留220篇中英文文献进一步分析。其中动物实验和在体、离体、细胞学实验98篇,综述、述评、讲座类文献32篇,系统评价/Meta分析15篇,临床研究75篇。共34个研究满足全部纳入标准,予以纳入。3综合评价3.1ucp4转录产物的表达至今为止,在哺乳动物体内已识别出5种解偶联蛋白质:UCP1、UCP2、UCP3、BMCP1/UCP4和UCP5。UCP的共同特征是每个单体均有3个由100个氨基酸组成的重复序列,并且每个单体均具有6个穿膜结构域,每个结构域都有线粒体载体信号基序。UCP4转录产物只在胎儿和成人脑组织表达,定位于人线粒体6pl1.2-ql2,参与人脑适应性产热和代谢。UCP5则在脑与睾丸中含量高,UCP4和UCP5可能与神经退行性病变有关,而与肥胖关系不大,故不在本文讨论之列。UCP1基因全长13kb,包含9kb转录区,6个外显子;UCP2基因全长8.7kb,包含8个外显子;UCP3全长8.5kb,至少7个外显子,产生2个转录产物;UCP3短41(UCP3S)和UCP3长型(UCP3L),UCP3短型是由于C端外显子7缺乏,与UCP3长型不同。在氨基酸水平,UCP2和UCP1有59%同源。UCP3和UCP2有71%同源。UCP1定位于4号染色体(4q3l),UCP2和UCP3在人11号染色体(llql3),相距75~150kb,与肥胖和高胰岛素血症有关。3.2ucp2和mcp1在不同组织中的表达UCP1基因主要在褐色脂肪组织中表达。而最近又发现UCP1表达于小鼠子宫纵向平滑肌细胞,以及消化道和雄性生殖道的平滑肌中;UCP2的mRNA广泛存在于人和啮齿类动物大多数组织中,UCP2在多种组织如白色脂肪组织、棕色脂肪组织、肌肉、心、肺、肾和淋巴细胞等均有表达;UCP3基因主要在小鼠的骨骼肌、褐色脂肪组织中表达;UCP4和BMCP1主要表达于脑中。由于UCP4和BMCP1与UCP1、UCP2、UCP3相关性较小,不在这里详细论述。3.3sda的主要生理效果和调整3.3.1ucp1基因增强子元件的作用UCP介导H+内流,使能量以热量的形式散发,有助于维持机体体温。UCP1基因剔除的小鼠在寒冷中无法维持体温,所以UCP1也可介导任意食物诱导的产热。UCP1所介导寒冷诱导的产热可分为短期和长期两种。短期反应一般在几分钟之内,而长期反应一般为几小时或几天。在发生产热效应的过程中UCP1基因增强子元件处于关键地位,此增强子元件位于UCP1基因上游2.4kb处,含有220个碱基对,其上有甲状腺激素受体、视黄酸受体和过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAP)γ结合位点。短期反应的机制是寒冷可诱导交感神经系统释放去甲肾上腺素,然后通过褐色脂肪细胞上的β肾上腺素能受体(β-AR)刺激cAMP的产生,cAMP激活蛋白激酶A,蛋白激酶A使解脂产生,释放出脂肪酸,脂肪酸进而促进UCP1对H+的运输;而长期反应中蛋白激酶A激活一系列级联反应,最终导致UCP1的表达增加、新线粒体的合成和褐色脂肪组织的增生。剔除小鼠UCP2或UCP3对寒冷时体温维持没有影响,因此UCP2和UCP3在寒冷诱导的适应性产热中不起重要作用,当然不排除补偿途径的存在。3.3.2ucp对小鼠血清中活性氧的影响大部分活性氧由电子传递链产生,已证明在分离的线粒体中,当H+电势高的时候,活性氧的产生也增加。因此,UCP可能通过降低H+电势而抑制活性氧的产生。实验表明,在UCP2或UCP3剔除的小鼠中,活性氧的产生增多。而UCP对活性氧的抑制可能是一种反馈抑制机制。研究发现,在肝细胞中活性氧增加时UCP2表达也增加。Skulachev等、Klingenberg等证明在分离的线粒体中,超氧化物可激活UCP1、UCP2和UCP3的产生,而UCP可能反过来减少超氧化物的产生。而寒冷可诱导植物中UCP的表达,也可能是因为寒冷会增加活性氧的产生。如果UCP可以抑制活性氧的产生,那它应在衰老和凋亡中起重要作用。3.3.3脂肪乳剂和ucp3对大鼠代谢的影响摄入能量物质的量及种类对UCP调节能量平衡及底物氧化有很大作用。饥饿状态下,UCP1基因表达下降,与此时瘦素水平下降、褐色脂肪组织中交感神经活性下降有关。高脂饮食可以提高褐色脂肪组织中UCP1、UCP2mRNA、白色脂肪组织中UCP2及骨骼肌中UCP3mRNA水平。禁食或饮食限制时肌肉内UCP2、UCP3基因表达提高,与此时肌肉底物利用转换为以脂类氧化为主有关,同时可见机体代谢率降低;当继以低脂高碳水化合物饮食喂养时,肌肉内UCP2、UCP3基因表达下降,此时脂类利用亦下降,故目前很多学者认为UCP2、UCP3的作用是调节脂类代谢。大量实验表明,UCP2和UCP3与脂肪酸代谢有密切关系。β氧化增强时,UCP2和UCP3的mRNA水平升高。新生小鼠的骨骼肌直到哺乳期才产生UCP3;新生鼠没有内源性的脂肪储备,如果不让其哺乳,则不诱导UCP3产生,而如果此时喂养脂肪乳剂,则可显著诱导UCP3产生。而UCP2和UCP3在脂肪酸代谢中可能起运输脂肪酸的作用。脂肪过度氧化使活性氧过量产生;UCP2减少活性氧的产生。例如,脂类在胰腺β细胞中的积累可能造成脂毒性,使得β细胞功能受损;而UCP2能改善fa/fa鼠胰岛中β细胞的胰岛素分泌,从而降低了这种毒害作用。但是,UCP3剔除的小鼠血中自由脂肪酸没有明显变化或有轻微降低,脂肪酸氧化也未发生变化。因此,虽然UCP2和UCP3与脂肪代谢有密切关系,但其在脂肪代谢中发挥的具体作用还需进一步研究。3.3.4在脑室内注射突变药物和大鼠脑室药物成分中表达ucp1、ucp3的表达瘦素是肥胖基因的表达产物,它通过其中枢及外周受体而对进食、能量消耗、脂肪分解等起作用。Scarpace等发现,应用瘦素后,大鼠褐色脂肪组织中的UCP1mRNA和UCP3mRNA分别增加2倍和62%,附睾中的UCP2mRNA增加2倍,而白色脂肪组织和BAI中的UCP2mRNA无变化。给大鼠脑室内注射瘦素后,通过其对中枢神经系统的作用,上调UCP1、UCP2和UCP3的表达。以上研究表明,瘦素可能通过上调UCP的表达,使机体产热增加,阻止能量贮存,维持机体的能量平衡。3.3.5对大鼠白色脂肪组织中ucp3的表达PPAR家族包括α、β、γ3型,分布在不同组织中。PPAR-α反应元件位于大鼠UCP1基因的上游启动子区,高度表达PPAR-α是褐色脂肪组织和白色脂肪组织的区别,这与其高水平的脂质中氧化能力相关。研究表明,不论在体内还是体外,PPAR-α激动剂均可使褐色脂肪组织UCP1mRNA水平升高数倍。PPAR-γ激动剂噻唑烷二酮可上调大鼠褐色脂肪组织中的UCP2、UCP3及白色脂肪组织中UCP3的表达,在体外对脂肪细胞UCP3的表达也有上调作用。以上表明PPAR在能量代谢中的作用可能与UCP的参与有关。除上述影响UCP表达的因素外,糖皮质激素、游离脂肪酸、葡萄糖转运蛋白4、视黄酸、雄激素、甲状腺激素、去甲肾上腺素、热休克蛋白等对UCP的表达也有不同程度的调节作用。3.3.6ucp导电的杂质漏和atp合成的正离子束静息状态下以ΔμH+形式储存的能量通过UCP质子漏产生热量,在ATP利用少时,ADP水平低,与ATP合成酶偶联的质子转运低,ΔμH+升高,使UCP介导的质子漏提高,产热增加。当ATP利用增加时,ADP水平提高,与ATP合成酶偶联的质子转运提高,ΔμH+降低,UCP介导的质子漏降低,使大部分质子转运与ATP合成酶偶联,生成ATP。即由于UCP质子漏的存在使ATP需求增加时,质子漏和ATP合成之间可以快速转换,而无需依赖于底物代谢和线粒体呼吸的增加,使ATP可以快速大量产生。肌肉组织中ATP的利用常有大幅度的提高,其中UCP2、UCP3基因表达丰富亦支持这一作用。3.3.7ucp1提高糖脂代谢参数的作用,改善血糖等UCP与糖尿病也有密切的关系。在1型糖尿病的啮齿类动物和2型糖尿病患者的心肌和骨骼肌中,UCP2和UCP3的mRNA水平升高。研究表明,高血糖可增加自由基的产生,而UCP1的超表达可抑制活性氧的产生,并且改善高血糖所引发的症状。例如,在主动脉内皮细胞中,UCP1可以抑制高血糖引起的单核细胞的聚集。UCP2有调控胰岛素分泌的作用。最近,Zhang等证明UCP2可负调控葡萄糖诱导的胰岛素分泌。患糖尿病的ob/ob鼠胰岛中的UCP2升高,胰岛素分泌受到抑制。而剔除了UCP2基因的ob/ob鼠,高血糖降低,胰岛素分泌恢复,血液中胰岛素水平升高,这表明胰岛β细胞的功能得到了改善。因此,调控UCP表达可能成为治疗糖尿病的新方法。3.4ucp2与肥肥的相关性通过大量的连锁分析和多态性分析表明UCP与人类肥胖有密切关系,目前UCP已作为肥胖候选基因。UCP1在啮齿类动物中的主要作用是产生热量以维持体温及能量稳态,在控制体质量和脂肪含量中有重要作用。而成年人只含有少量褐色脂肪组织,所以UCP1不可能在其体质量调节及能量稳态中起重要作用。但研究发现,在UCP1基因的TATA上游3826处的一个多态性位点与人类的脂肪积累、体质量指数以及高热量食物引起的体质量指数变化有关。因此,尽管UCP1不是人类肥胖的主要基因,它与脂肪的积累还是有密切关系的。在鼠类动物中,尽管UCP2剔除的小鼠并不肥胖,但UCP2与肥胖也有密切的联系。连锁分析表明,UCP2与鼠及人的肥胖和糖尿病位点相连锁。而且在几种喂养高脂肪食物的小鼠种系和ob/ob鼠的肝细胞中都发现UCP2的mRNA水平升高。并且,UCP2在脂肪组织中的水平与其对肥胖的抗性有关,在易于肥胖的C57BL/6J小鼠中UCP2表达水平比在不易于肥胖A/J鼠和C57BL/KsJ鼠低。在人类中,已发现骨骼肌和白色脂肪组织中UCP2的mRNA水平与体质量指数等人类肥胖的指数正相关。人类UCP2基因的突变体与PIMAIndians睡眠代谢率相关,而且与SouthIndians的体质量指数相关。UCP3基因剔除的小鼠并不肥胖,所以UCP3在控制小鼠体质量中的作用不大,当然也不排除UCP1、UCP2翻译及翻译后水平的变化以及其他途径的补偿作用。在PIMAIndians中发现UCP3与体质量指数负相关,与睡眠代谢率正相关。胰岛素抵抗是肥胖者常见的病理生理改变,Samec等进行了高脂饮食诱导后的肌肉UCP2、UCP3mRNA水平(较基础状态升高)与能量消耗、空腹游离脂肪酸浓度、葡萄糖、胰岛素以及葡萄糖负荷2h后血浆葡萄糖水平的相关分析,结果显示只有后者与其存在正相关,认为高脂饮食诱导的肌肉UCP2、UCP3mRNA水平升高与高脂引起的胰岛素抵抗相关。这种肌肉UCP2、UCP3mRNA水平与胰岛素抵抗相关关系与其调节脂类代谢