影響線粒體解偶聯(lián)蛋白表達(dá)的因素

田小芳(綜述)，張瑞霞(審校)

(青海大學(xué)附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科，青海 西寧 810000)

已知線粒體通過電子鏈傳輸電子與質(zhì)子動力的耦合生成三磷酸腺苷供機體代謝。解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein,UCP)是一種存在于線粒體內(nèi)膜中具有轉(zhuǎn)運功能的蛋白質(zhì)，它的生理作用包括產(chǎn)熱、脂質(zhì)代謝、氧化應(yīng)激及參與能量代謝等，近年來逐漸成為人們研究的熱點。由于線粒體對細(xì)胞的糖、脂代謝的調(diào)節(jié)具有重要貢獻(xiàn)，而UCP的表達(dá)也參與了機體內(nèi)糖、脂代謝信號的傳導(dǎo)，當(dāng)UCP功能改變時則會引發(fā)線粒體代謝紊亂進(jìn)而導(dǎo)致機體糖、脂代謝紊亂性相關(guān)疾病。因此控制UCP基因的表達(dá)對肥胖癥、糖尿病等病理狀態(tài)的發(fā)生、發(fā)展具有重要意義。本篇綜述旨在討論影響線粒體解偶聯(lián)蛋白表達(dá)的因素，為代謝性相關(guān)疾病的診療提供新策略。

1 線粒體解偶聯(lián)蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

哺乳動物脂肪組織可分類為白色脂肪組織(white adipose tissue,WAT)和棕色脂肪組織(brown adipose tissue,BAT)，前者具有儲存三酰甘油，并釋放游離脂肪酸(free fatty acid,FFA)和甘油等能源物質(zhì)供機體耗能等生理作用，后者存在于新生兒及冷習(xí)服的嚙齒動物體內(nèi)，主要以熱能的形式釋放能量。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)BAT的產(chǎn)熱機制涉及非耦聯(lián)的質(zhì)子通路，該通路中的蛋白質(zhì)被鑒定為UCP1[1]，是一種由核DNA編碼廣泛存在于動植物中的線粒體膜內(nèi)的轉(zhuǎn)運蛋白。它由100個氨基酸組成的三重結(jié)構(gòu)，對呼吸鏈及氧化磷酸化的耦聯(lián)程度具有調(diào)控作用。目前總共發(fā)現(xiàn)了5種類型，UCP1主要表達(dá)于BAT，UCP2在組織中廣泛表達(dá)，UCP3在骨骼肌(skeletal muscle,SKM)中高表達(dá)，UCP4、UCP5在神經(jīng)系統(tǒng)中表達(dá)。此外UCP1的氨基酸序列在鼠和人中高度一致，而UCP2和UCP3與UCP1同源性分別為55%和56%。隨著人們對UCP的研究，除了大家普遍認(rèn)同的非顫抖產(chǎn)熱、抑制活性氧形成和參與糖脂相關(guān)代謝等生理作用外，還發(fā)現(xiàn)UCP 與某些病理狀態(tài)有關(guān)，如糖尿病、胰島素抵抗、肥胖、心血管疾病、癌癥等。

2 影響線粒體解偶聯(lián)蛋白表達(dá)的因素

2.1內(nèi)分泌激素

2.1.1甲狀腺激素 甲狀腺激素對代謝具有廣泛的刺激作用，如增加耗氧率，蛋白質(zhì)合成，糖原分解和脂解作用。甲狀腺激素合成前體為四碘甲狀腺原氨酸(tetraiodothyronine,T4)和三碘甲狀腺原氨酸(triiodothyronine,T3)。其中T4需要5′脫碘酶脫碘成為T3才能發(fā)揮生理活性。關(guān)于T3的研究發(fā)現(xiàn)急性T3治療后大鼠BAT中UCP1mRNA[2]的表達(dá)增加，伴隨BAT中質(zhì)子泄漏耗氧率及線粒體 Ca2+單向轉(zhuǎn)運蛋白的蛋白質(zhì)豐度增加，并改善胰島素敏感性。事實上T3治療改善了大鼠的糖耐量、降低胰島素抵抗，這可能與葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4的表達(dá)上調(diào)有關(guān)。此外冷暴露時β3-腎上腺素受體激活，WAT發(fā)生褐變而維持機體產(chǎn)熱，而T3能夠顯著放大腎上腺素刺激的大鼠BAT中UCP1mRNA的誘導(dǎo)。當(dāng)甲狀腺功能低下時[3]，大鼠的非顫抖性產(chǎn)熱作用減弱，BAT中UCP1mRNA的含量短期增加但后期減少，此時BAT細(xì)胞體積縮小，多房性脂肪細(xì)胞數(shù)量減少；而單劑量T3治療4周致甲狀腺功能亢進(jìn)時[4]，大鼠WAT發(fā)生褐變，細(xì)胞體積增加及多房性脂肪細(xì)胞產(chǎn)生增加，并伴隨UCP1mRNA表達(dá)顯著增加。綜上所述，這些研究有力地表明，甲狀腺激素可誘導(dǎo)UCP1的生熱反應(yīng)通過對脂質(zhì)代謝和線粒體活性的影響，有助于脂肪組織向生熱狀態(tài)的重塑。

2.1.2腎上腺激素 由腎上腺髓質(zhì)分泌的腎上腺素(adrenaline,AD)可直接興奮腎上腺素受體(adrenaline receptor,ADR)α和β 使機體產(chǎn)生正向作用，其中ADRβ3具有明顯的脂解作用，這可能歸因于ADRβ3激活UCP后通過cAMP信號通路誘導(dǎo)BAT 的脂解作用。然而最近研究發(fā)現(xiàn)[5]并誘導(dǎo)ADRβ1對人的BAT具有顯著激活作用而非ADRβ3，誘導(dǎo)UCP1的表達(dá)使產(chǎn)熱增加和脂解作用增強，該研究證明了AD是活化BAT的主要調(diào)節(jié)劑。此外，由腎上腺皮質(zhì)分泌的糖皮質(zhì)激素(glucocorticoids,GS)作用于細(xì)胞內(nèi)的糖皮質(zhì)激素受體(glucocorticoid receptor,GR)也可影響糖脂代謝，進(jìn)而引發(fā)肥胖及胰島素抵抗。由于GR在BAT中大量表達(dá)，小劑量GS預(yù)處理BAT 0 h至4 h后[6]，UCP1mRNA有下降的趨勢，但表達(dá)沒有顯著影響UCP1蛋白的水平，但轉(zhuǎn)至30 ℃時[7]則UCP1蛋白水平的顯著下調(diào)，轉(zhuǎn)移至4 ℃時，則發(fā)生上調(diào)，表明GS確實具有抑制UCP1作用，且GS抑制作用在低溫時被解除，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為交感神經(jīng)的興奮作用。隨后他們還發(fā)現(xiàn)在對BAT的生理刺激非常低的條件下，GS可能會抑制UCP1基因表達(dá)，降低總UCP1蛋白水平，增加BAT中的脂質(zhì)堆積。但是這種降低的代謝作用可能很小。因此，GS并非完全抑制UCP1基因的表達(dá)，并且不太可能通過改變BAT活性而影響機體的新陳代謝并誘導(dǎo)肥胖癥的發(fā)展。

2.1.3生長激素(growth hormone,GH) GH是垂體前葉促生長激素細(xì)胞分泌的肽類激素，除了具有調(diào)節(jié)身高、蛋白質(zhì)合成、組織生長和細(xì)胞增殖等經(jīng)典功能外，對能量代謝也有相關(guān)影響，已知GH具有誘導(dǎo)脂肪組織分解釋放FFA并影響脂肪體積和分布的能力，此外GH調(diào)節(jié)胰島素敏感性又是這一能力的結(jié)果。在動物肥胖模型的研究中，學(xué)者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)GH可誘導(dǎo)WAT褐變，抑制葡萄糖的處理，促進(jìn)脂肪分化，使得脂肪細(xì)胞體積的減小，并伴隨WAT中UCP1mRNA[8]的表達(dá)水平較BAT成倍增加。同樣UCP3[9]也有相應(yīng)表現(xiàn)。說明GH可能通過調(diào)節(jié)UCP的表達(dá)水平間接調(diào)控糖脂代謝。最新研究發(fā)現(xiàn)GH干預(yù)可顯著增加UCP1的表達(dá)，降低成脂基因的表達(dá)，進(jìn)而影響脂質(zhì)代謝[10]。因此，GH對脂肪細(xì)胞的成熟和脂質(zhì)積累有潛在的負(fù)性調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)UCP的表達(dá)。

2.1.4性激素 性激素是腎上腺皮質(zhì)網(wǎng)狀帶及性腺等組織所分泌的甾體激素，具有促進(jìn)性成熟、維持性功能等生理作用，此外還有調(diào)節(jié)代謝的作用。如卵巢切除術(shù)后(雌激素缺乏)大鼠[11]BAT 中UCP1 mRNA以及WAT中 UCP2 mRNA的基因表達(dá)下降，表現(xiàn)為食物攝入量和體重增加，而予以雌激素替代治療后則明顯改善了血糖、血脂水平，并上調(diào)SKM中 葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4的基因表達(dá)以及UCP1、UCP2的基因水平；表明UCP的表達(dá)受雌激素含量影響，進(jìn)而影響能量消耗和體重。此后研究發(fā)現(xiàn)在BAT形成早期或晚期分別用雌二醇或睪酮處理[12]，結(jié)果讓人驚訝：早期雌二醇處理能增強β受體激動劑異丙腎上腺素(isoprenaline,ISO)對UCP1誘導(dǎo)的反應(yīng)性，而后期則是睪酮增加了ISO對UCP1誘導(dǎo)的反應(yīng)性。表明性激素對BAT UCP1的表達(dá)具有調(diào)控作用；而對于未經(jīng)ISO處理的BAT，僅晚期雌二醇可降低UCP1的表達(dá)。因此性激素對UCP表達(dá)水平具有調(diào)節(jié)作用。

2.2飲食因素

2.2.1高脂、高蛋白飲食 飲食的種類與量決定了能量攝入的多少。已知高脂飲食(high fat diet,HFD)可誘導(dǎo)血脂升高導(dǎo)致肥胖，并增加代謝產(chǎn)熱以及心肌細(xì)胞的凋亡、炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激反應(yīng)增加。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在肥胖模型中HFD[13]還可以上調(diào)產(chǎn)熱基因UCP1在BAT中的表達(dá)，而心肌細(xì)胞中則表現(xiàn)為UCP2的蛋白含量下降和UCP3蛋白含量的上升，表明HFD后FFA水平的升高及脂肪儲存增加會誘導(dǎo)相應(yīng)的調(diào)脂激素增加，進(jìn)而調(diào)節(jié)UCP的表達(dá)。隨后相關(guān)基因敲除研究發(fā)現(xiàn)HFD后UCP3基因敲除大鼠[14]表現(xiàn)為減輕肥胖，改善胰島素敏感性及葡萄糖攝取。表明UCP的丟失可能保護(hù)機體免受HFD誘導(dǎo)的肥胖影響。有關(guān)蛋白飲食，食物中蛋白質(zhì)的含量會影響機體的代謝水平。既往認(rèn)為長期高蛋白飲食會導(dǎo)致大鼠的脂肪組織質(zhì)量明顯減少和體重的下降，并且BAT中 UCP1和肝臟中UCP2基因表達(dá)與氮攝入量或蛋白質(zhì)氧化呈正相關(guān)。但根據(jù)現(xiàn)有觀點認(rèn)為低蛋白飲食[15]可消除血清胰島素和肝臟脂質(zhì)代謝的晝夜節(jié)律，進(jìn)而促進(jìn)UCP1蛋白的表達(dá)，可能與限制飲食蛋白質(zhì)誘導(dǎo)WAT褐變，增加內(nèi)分泌激素成纖維細(xì)胞生長因子21進(jìn)而誘導(dǎo)UCP1的蛋白表達(dá)有關(guān)。總之，長期高脂或高蛋白攝入會影響在底物氧化和產(chǎn)熱，從而影響UCP的表達(dá)。

2.2.2禁食與再進(jìn)食 由于禁食減少能量的攝入，使基礎(chǔ)代謝率減低。當(dāng)完全禁食后，機體為優(yōu)先供應(yīng)重要臟器的能量代謝，調(diào)整能量供應(yīng)場所為肝臟及SKM，觸發(fā)糖原分解活動增強，因此產(chǎn)熱類的脂肪組織如BAT則氧化代謝減弱，表現(xiàn)為UCP1、UCP3 mRNA表達(dá)下降，而SKM中 UCP2、UCP3 mRNA表達(dá)增加。當(dāng)間歇禁食[16]每周3次，連續(xù)8周后增加小鼠能量消耗及WAT褐變，但并不改變UCP1的表達(dá)。說明禁食可增加能量消耗并激活SKM 成為機體能量供應(yīng)的主要場所，一種可能的解釋是禁食期間SKM發(fā)生糖異生及脂解作用使FFA的增加可能會上調(diào)UCP2和UCP3基因表達(dá)。當(dāng)再進(jìn)食時，通常伴隨著能量利用效率的提高和更高的脂肪沉積率，即遺留效應(yīng)，表現(xiàn)為血清FFA及各組織UCP mRNA隨著時間呈先增加后下降的動態(tài)改變，表明機體在饑餓時可誘導(dǎo)BAT產(chǎn)熱、SKM脂解、糖異生等供能反應(yīng)，使FFA水平的增加而誘導(dǎo)各組織UCP mRNA表達(dá)上調(diào)，而再進(jìn)食機體對脂質(zhì)利用減少，使得FFA對UCP mRNA的誘導(dǎo)作用減弱。綜上所述，禁食到再進(jìn)食的過程中FFA水平變化使得UCP呈現(xiàn)動態(tài)變化，這便驗證了FFA是UCP的生理激活劑這一觀點。

2.3運動因素 規(guī)律的體育鍛煉可以預(yù)防肥胖和2型糖尿病，同時調(diào)節(jié)脂肪的利用率，增加線粒體基因的表達(dá)活性，促進(jìn)WAT褐變和UCP1表達(dá)增加。根據(jù)運動的時長和強度，UCP的表達(dá)水平有所區(qū)別。如高強度間歇訓(xùn)練會增加能量消耗和機械效能，研究發(fā)現(xiàn)急性高強度間歇訓(xùn)練后，抑制脂肪生成基因表達(dá)，并可能通過激活 WAT 中的UCP1來調(diào)節(jié)產(chǎn)熱，且UCP1 的表達(dá)水平僅在附睪處WAT的脂肪細(xì)胞中增加[17]。而在慢性耐力運動[18]時UCP基因則具有不變或減少的趨勢，這是由于運動能激活β-腎上腺素能并增加了該組織中的非顫抖產(chǎn)熱作用，從而有助于改善代謝紊亂。此外綜合訓(xùn)練(力量加有氧訓(xùn)練)也可改善能量消耗及脂質(zhì)氧化，降低UCP1的表達(dá)?？偠灾?，運動對UCP的表達(dá)水平確實有刺激作用，與之伴隨的還有脂質(zhì)代謝、體重的改變，但這種改變只是暫時的，因為運動對每種組織都有明顯的適應(yīng)性。

2.4環(huán)境因素

2.4.1溫度 急性冷暴露時哺乳動物以顫抖產(chǎn)熱來維持體溫，而慢性冷暴露會導(dǎo)致脂肪組織的褐變。因此早期認(rèn)為冷暴露后BAT中UCP1、UCP2、UCP3 mRNA有著不同幅度和時程的上調(diào)，且血清FFA水平變化與UCP1 mRNA的刺激有關(guān)。但是隨后相關(guān)研究[19]卻發(fā)現(xiàn)急性冷暴露(4 ℃，10 h)后皮下白色脂肪組織(subcutaneous white adipose tissue,sWAT)發(fā)生褐變，UCP1、UCP3的mRNA水平顯著增加，UCP3的增高伴隨血清FFA濃度的短暫升高；而慢性冷暴露(8 ℃，15 d)后，sWAT表現(xiàn)褐變過程受損，且UCP1、UCP3 mRNA表達(dá)下降。然而也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[20]慢性冷暴露(4 ℃，7 d)時大鼠WAT中形成多房脂肪細(xì)胞且UCP1 mRNA含量增加?？赡芘c長期的低溫環(huán)境脂肪細(xì)胞產(chǎn)生冷適應(yīng)后，存在較少的產(chǎn)熱脂肪細(xì)胞激活UCP1的表達(dá)有關(guān)。雖然各學(xué)者的說法不一，但總體而言冷暴露確實會影響UCP在嚙齒動物不同組織中的表達(dá)，這與冷暴露時長及溫度有關(guān)。此外在熱中性溫度的相關(guān)研究中有學(xué)者發(fā)現(xiàn)UCP3敲除的小鼠[21]BAT氧化代謝更加顯著，增強線粒體氧化應(yīng)激，并改變某些脂肪細(xì)胞中的線粒體結(jié)構(gòu)，甚至HDF喂養(yǎng)條件下仍可表現(xiàn)較低的靜息代謝率和更高的脂質(zhì)增加，表明熱中性溫度的作用更效率，因此環(huán)境溫度對代謝具有關(guān)鍵作用。

2.4.2低氧 當(dāng)機體處于缺氧環(huán)境時，機體能量代謝會發(fā)生變化。關(guān)于低氧對UCP的影響，研究發(fā)現(xiàn)急性缺氧應(yīng)激[22]后導(dǎo)致小鼠明顯的膈肌無力，且調(diào)節(jié)線粒體功能的各種轉(zhuǎn)錄基因隨時間發(fā)生變化，而UCP3 mRNA的表達(dá)隨時間而逐漸增加，使活性氧(reactive oxyen species,ROS)的產(chǎn)生減少，并保護(hù)線粒體免受損害；同樣在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中也可出現(xiàn)線粒體的氧化損傷，伴隨著UCP2 mRNA的表達(dá)上調(diào)隨劑量及時間依賴性增加。而慢性低氧3周[23]降低了心肌中PPARα表達(dá)，脂肪酸氧化和UCP3的水平，同時增加了糖酵解作用，因而維持心肌正常細(xì)胞代謝的三磷酸腺苷濃度。因此長期缺氧可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞有氧代謝轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧代謝，這與細(xì)胞內(nèi)和線粒體ROS形成的升高，導(dǎo)致線粒體呼吸功能重塑進(jìn)而維持線粒體的抑制狀態(tài)有關(guān)。推測這種保護(hù)作用主要歸因于減少ROS產(chǎn)生和間接減少Ca2+暴露后繼發(fā)的凋亡信號。雖然不同的組織中低氧對UCP的調(diào)控涉及不同代謝機制，但最終目的是維持細(xì)胞的能量代謝和抗氧化損傷。目前關(guān)于低氧對UCP的影響相關(guān)研究數(shù)量不多，且機制存在一定的爭議，還需進(jìn)一步考究。

2.4.3其他因素

2.4.3.1鳶尾素(Irisin) 鳶尾素是纖連蛋白Ⅲ型結(jié)構(gòu)域蛋白水解的肽類物質(zhì)，由肌肉和脂肪細(xì)胞分泌。在哺乳動物中，Irisin已被證明通過UCP的調(diào)節(jié)具有產(chǎn)熱作用，并通過在大腦、脂肪組織、肝臟、肌肉和胃腸道中的作用影響進(jìn)食和能量穩(wěn)態(tài)，從而防止肥胖和胰島素抵抗。如14 d注射低劑量Irisin[24]可以促進(jìn)WAT的褐變和激活BAT，并提高這兩個組織中UCP1 mRNA的表達(dá)水平，使產(chǎn)熱增加而減少小鼠的體重，有效改善小鼠飲食引起的肥胖和相關(guān)代謝紊亂。同時SKM中UCP3也有相似的表現(xiàn)。此外在缺血/再灌注腎損傷模型[25]中可以發(fā)現(xiàn)Irisin不僅對腎臟損傷模型引起的細(xì)胞凋亡和氧化應(yīng)激具有保護(hù)作用，同時還可上調(diào)AMPK-UCP2信號通路的表達(dá)進(jìn)一步減輕氧化應(yīng)激。另外在HFD誘導(dǎo)的肥胖研究[26]中發(fā)現(xiàn)Irisin治療后WAT發(fā)生褐變，使 WAT 的體積分?jǐn)?shù)減少，并減輕體重和肥胖，改善小鼠的肝臟和外周胰島素敏感性，同時肝組織表現(xiàn)以劑量依賴性方式顯著增加 UCP1 mRNA的表達(dá)。

2.4.3.2相關(guān)藥物或小分子化合物 調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝的是代謝綜合征治療的關(guān)鍵，相關(guān)藥物的實驗研究逐漸成為熱點。其中關(guān)于激活脂肪細(xì)胞內(nèi)源性UCP1表達(dá)增加的相關(guān)藥物研究表明誘導(dǎo)BAT產(chǎn)熱的藥學(xué)機制有望成為治療肥胖的方法。如腺病毒早期1A區(qū)刺激基因1(cellular repressor of adenovirus early region 1A-stimulated genes 1,CREG1)是一種在小鼠和人體內(nèi)分泌的糖蛋白，CREG1在體外可刺激BAT形成和誘導(dǎo)UCP1產(chǎn)生，且低溫條件下表達(dá)明顯增加，提示CREG1參與了BAT的產(chǎn)熱過程。最近報道認(rèn)為CREG1與T3和9-順式維甲酸協(xié)同參與了刺激UCP1轉(zhuǎn)錄過程[27]，其中UCP1轉(zhuǎn)錄激活過程很大程度上取決于維甲酸x受體作用。鞣花酸是一種植物組織中的天然多酚組分，可調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞的形成和分化[28]。有研究發(fā)現(xiàn)肥胖的大鼠補充鞣花酸后改善大鼠的血脂異常和肝臟脂肪變性，并顯著上調(diào)腹股溝區(qū)白色脂肪組織(inguinal white adipose tissue,iWAT)中特異性蛋白UCP1的表達(dá)。其機制可能是通過抑制白色脂肪細(xì)胞維持基因而促進(jìn)關(guān)鍵生熱基因的表達(dá)來實現(xiàn)iWAT的褐變。根據(jù)這一理論機制，在黃芪散、纖維細(xì)胞生長因子均有相同的作用表現(xiàn)，表明誘導(dǎo)BAT產(chǎn)熱活性的增加可能是治療代謝性疾病的一條可行路徑。此外，在耐寒實驗中對A型利鈉肽的研究[29]進(jìn)一步支持了這一點，他們發(fā)現(xiàn)A型利鈉肽可改善HDF所致胰島素抵抗、BAT細(xì)胞體積的增大及iWAT中的脂滴增大，進(jìn)而減輕肝脂肪變性和誘導(dǎo)脂肪組織褐變(UCP1是iWAT褐變中的標(biāo)記)，增加體內(nèi)產(chǎn)熱。

3 總結(jié)與展望

UCP是線粒體內(nèi)膜陰離子轉(zhuǎn)運蛋白超家族的成員，參與三磷酸腺苷合成過程中的解偶聯(lián)呼吸，對能量代謝和活性氧的產(chǎn)生發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)作用。然而它們參與了糖脂代謝紊亂的病理過程。因此，研究影響線粒體解偶聯(lián)蛋白表達(dá)的因素，有望成為代謝性相關(guān)疾病診療的新策略。通常在冷刺激可激活BAT UCP1發(fā)生產(chǎn)熱作用，成為消耗脂肪及對抗肥胖的一種有效方法。此外研究還認(rèn)為UCP的表達(dá)可以被不同激素、飲食、運動、環(huán)境、藥物或小分子物質(zhì)所影響，這增加了它們可能做為代謝性相關(guān)疾病治療靶點的可能性。盡管目前UCP在糖脂代謝通路中的確切作用機制還不完全清楚，但它們?nèi)员徽J(rèn)為是控制肥胖和2型糖尿病發(fā)展的候選基因。因此，控制UCP合成基因的表達(dá)有望成為糖脂代謝紊亂性相關(guān)疾病的治療靶點。