解偶联蛋白生理功能和调节、周转的研究新进展
丛军;高弼虎
【期刊名称】《临床荟萃》
【年(卷),期】2012(027)018
【总页数】5页(P1649-1653)
【关键词】线粒体;质子;能量代谢;解偶联蛋白;研究
【作 者】丛军;高弼虎
【作者单位】大连大学附属瓦房店医院肾内科,辽宁瓦房店116300;大连大学附属中山医院肾内科,辽宁大连116001
【正文语种】中 文
【中图分类】R339.6
解偶联蛋白通过强大的或微弱的解偶联作用，在调节细胞能量代谢中起着重要作用，并且削弱氧化应激反应产物生成。解偶联蛋白家族的这种功能和广泛组织分布意味着其影响的病理生理范围越来越广，如肥胖、胰岛素抵抗、糖尿病、神经变性、心血管疾病、免疫和肿瘤。在此对近期关于解偶联蛋白周转、生理作用、调节的新进展和新观点做一综述。
质子漏是指电子传递链跨膜泵出的质子通过不涉及三磷酸腺苷（ATP）合成途径而跨膜扩散流回基质的过程。线粒体是细胞代谢的中心，通过电生化质子梯度作用，将氧化底物与ATP合成相偶联。在能量代谢中，通过调节、改变质子动力来维持代谢的内稳态。因为这个原因，在ATP合成时，质子能通过线粒体内膜漏出，这样底物氧化偶联是不完全的。在线粒体载体蛋白如腺嘌呤核苷酸转位酶，褐脂肪组织（BAT）的解偶联蛋白1（UCP1），大多数的质子漏丰富，但不活跃［1］。重要的是，质子漏的调控是对能量需求波动的反应，及调控能量转导来维持细胞的内稳态和躯体功能。最初，质子漏机制在褐脂肪组织中检测到，在脂肪组织中质子受UCP1催化而引导产生热量来维持机体温度以适应低温环境。随后实验中检测出UCP2和UCP3。在体外缺乏特定激活剂的情况下，解偶联蛋白不能引起一般的质子电导。然而，当被激活时，所有的解偶联蛋白能催化质子漏。目前，UCP2和UCP3的激活和抑制的准确机制，及它们的生化作用，仍不确定。关于调控Useifert
CP2、UCP3来适应营养状态和氧化应激的转录和翻译的研究，近期取得了进展。特别是，UCP2独特的动态的调控揭示了一个新的由UCP调控的线粒体能量代谢机制。
UCP1的活性高度受小分子水平调控。它受二嘌呤核苷酸、三嘌呤核苷酸生化浓度的抑制，在脂肪酸不能被核苷酸所抑制时而激活。脂肪酸如何激活UCP1的网状去质子化的活性仍然有争议。概括的说，有3种模式可以解释对脂肪酸的依赖性。第1种，脂肪酸通过将它们的羧基团融合到蛋白的核心起着辅因子作用，在转运过程中当它们接近氨基酸侧链时释放质子。UCP1能转移氯化物和脂肪酸阴离子的证据提出了第2种模式。在这种机制中，质子化脂肪酸自由弥散通过线粒体内膜。pH梯度促进它们在基质解离成脂肪酸阴离子，脂肪酸阴离子通过UCP1转运出基质。这种网状活性导致质子电导通过内膜，尽管在这种模式中UCP1并没有转移质子。第3种，脂肪酸并没有直接依赖UCP1的活性，而是通过促进去质子蛋白变形而起着变构激活剂作用，因为脂肪酸和核苷酸以一种称为单一竞争动力学方式影响质子电导［2］。
UCP2和UCP3在接受分子调控方面与UCP1的相同程度（以及解偶联机制的相同程度）仍然未知。尽管有报道它们和UCP1在基质局部化区域调控脂肪酸活化中缺乏序列同源性，脂
蛋白体的研究显示UCP2、UCP3和UCP1在脂肪酸激活的质子电导及嘌呤核苷酸抑制方面具有相似性［3］。
有证据显示过氧化物，包括外源性和内源性及脂质过氧化反应产物如羟基壬基醛能激活由解偶联蛋白所介导的解偶联反应［4］，这就暗示通过一种模式，过氧化物与膜磷脂反应产生近端活化剂，羟基壬烯醛［4］。
众所周知，原型解偶联蛋白UCP1在寒冷刺激或过度饮食下导致褐脂肪组织的β3交感神经受体刺激，产生适度的非颤抖产热作用和控制体质量作用。通过一种褐脂肪组织特殊的增强子盒，由脂解作用产生的脂肪酸活化UCP1，上调UCP1mRNA的表达及线粒体质子动力转导成热能。的确，敲除UCP1导致非颤抖产热减弱［5］，不能耐寒，及在中性温度下出现肥胖。除了产热作用外，UCP1在胸腺或冷血动物中的作用仍然处于猜测中。
脊椎动物中，UCP1衍生物，UCP2和UCP3很可能通过复制衍生出。它们彼此间的基因组并列，它们的序列高度一致而支持这一点。序列分析显示相异的UCP1、UCP2、UCP3处于强大的纯化选择，暗示它们在衍化过程中没有功能改变［6］。
关于各种有机体和组织中，在寒冷刺激下，UCP2和UCP3是否上调，有着各种各样的文献，但是它们都不认为UCP2、UCP3能显著起着产热作用，主要因为它们的含量低。然而，噬齿类动物的UCP3在特殊条件下参与产热作用。UCP2、UCP3针对饥饿的反应性上调，与许多过程相关，包括胰岛β细胞胰岛素释放和外周组织胰岛素抵抗，以及调节活性氧化物质的产生和免疫反应。
3.1 UCP2功能 不断增加的研究突出了UCP2在生理、病理过程中的重要性，包括细胞保护［7］，免疫细胞调节［8］，以及大脑和胰岛中的葡萄糖传感的调节。在胸腺细胞和完整的胰岛β细胞模式中，UCP2降低底物氧化和ATP生成之间的偶联。因为线粒体氧化应激产物（ROS）产生对质子动能降低高度敏感，UCP2介导线粒体膜势能和pH梯度的消散，导致活性氧化物产生的降低，特别是在反向电子转运中。
在胰腺和脑组织对葡萄糖敏感细胞中，UCP2减弱胰岛素的分泌，可能通过2种方式发挥作用。通过降低氧化磷酸化的偶联效率，UCP2降低ATP／二磷酸腺苷（ADP）的比率，导致ATP敏感的K离子通道敏感性降低，胰岛素分泌降低。它也可通过降低ROS产生而发挥作用，这一点在葡萄糖敏感体系中是重要的信号。
UCP2下调也改善外周组织如白脂肪胰岛素抵抗，同样通过增加胰岛素分泌改善糖尿病的显型。尽管许多研究指出UCP2加剧糖尿病的显型，近期来自Collins组的研究暗示这种影响依靠基因背景，大体上UCP2慢性缺失引起持续性氧化应激及损伤β细胞的功能。这些发现只是使以前所有证明通过UCP2来减弱葡萄糖的刺激胰岛素分泌的研究无效。然而，这是不可能的。例如，在糖尿病和胰岛素抵抗的两种动物模型中，于体内用反义引物寡核苷酸快速敲除UCP2引起胰岛素分泌的显著改善及增强整体对胰岛素的敏感性。许多研究已经显示通过削弱氧化应激，UCP2促进胰腺α和β细胞的逃生，调控结肠肿瘤的形成和动脉粥样硬化。
Newell和同事提出一个假设，免疫介导参与了细胞有效代谢脂肪。尤其是，UCP2参与了细胞能量代谢由葡萄糖代谢为主转变为以脂肪酸代谢为主的调控机制，通过这点，UCP2在阻止免疫介导的病理学中起着作用［9］。当然，这一点与以前所描述的UCP2细胞保护效力相一致。Bouillaud等［10］近期提出这种功能可以用阴离子丙酮酸盐单向转运解释，当膜势能增加时，这种单向转运降低氧化丙酮酸。然而，这种假设需要经实验证实，仍处于推测中。
3.2 UCP2浓度的调控 UCP2的调控通过1种蛋白分子活性和蛋白含量的协调方式来完成。在分离的线粒体中，刺激UCP2的起触媒作用的活性配体也可以在上调UCP2含量中起着一定的作用。在糖尿病高血糖血症和高脂血症中，UCP2基因转录通过关键的调控蛋白如有活性的过氧化物酶体增殖子受体、叉头转录因子、固醇调控元素绑定蛋白1c（SREBP－1c）而激活。Sirtl，一种参与代谢性应激抵抗的蛋白，抑制这些蛋白的功能，而降低UCP2的表达和促进胰岛素分泌。另外，活性氧化物和它们的产物参与UCP2表达的上调，通过1种负反馈环降低ROS的产生而发挥细胞防御作用。
UCP2翻译同样受上游一种抑制性开放阅读框架（ORF）的调控，当这种框架突变时，导致大量UCP2mRNA的翻译。
在INS－1E胰腺β细胞中，根据营养供应，动态调控UCP2的水平。这种在含量上的快速影响受与快速降解相偶联的不同合成率所决定。
3.3 UCP3的功能 UCP3组织特异性在进化过程中被保持下来：尽管在哺乳动物褐脂肪组织中发现高蛋白水平，但是它仍对骨骼肌具有特异性。
在哺乳动物中，寒冷刺激表达最初得出的结论是UCP3可以以与UCP1相同的途径介导产热作用。然而，敲除UCP3的老鼠在空腹和没有体温改变过程中，UCP3的显著表达证明哺乳动物的UCP3没有生理性的产热作用［11］。但是在一些描述中有证据显示UCP3参于产热作用，但不是它的主要功能。Nau等［12］近期证明在褐脂肪组织中UCP3选择性缺失降低非颤抖产热作用。这些数据没有表示UCP3直接参与产热作用，但是它可以通过一种现在还不明确的机制来起到这种作用。
已经提出一种UCP3针对活化氧化底物的保护作用的假设。在这种模式中，这种蛋白在内源性和外源性过氧化时被激活，消散线粒体膜势能及降低活化氧化底物产生。研究显示在锻炼过程中，骨骼肌 UCP3［13］中和蛋白氧化，消散活化氧化物质［14］。而且，敲除UCP3的老鼠有着很高的氧化损伤，在成熟过程中过度表达UCP3的老鼠减少活化氧化物质的产生［15］。
许多研究表明UCP3参与脂肪酸代谢。已经显示UCP3过度表达增加脂肪酸转运和氧化。UCP3具有一种作为脂肪酸转运体的生理功能的假设，近期已经被Seifert等［16］所驳斥，他们发现UCP3在通过消散线粒体氧化应激，增强饥饿诱发的脂肪酸氧化率和能力中是必须的，UCP3本身不是一种脂肪酸转运体。
另外脂肪酸氧化降低和活化氧化物质产生减少，UCP3过度表达的鼠减轻了饮食诱导的肥胖及对抗胰岛素抵抗。外周组织胰岛素抵抗，特别是在骨骼肌中，是2型糖尿病主要原因。肥胖和衰老可以促进2型糖尿病发生，这一点广泛在细胞水平上，与受损伤的脂肪酸代谢和未得到控制的活化氧化物质产生的氧化损伤相对应。
活性过氧化物酶受体激动剂如罗格列酮已经成功地用于胰岛素抵抗。在过氧化物酶体增生物激活受体（PPAR）刺激下，UCP3表达上调，已经提出骨骼肌中的UCP3通过消散脂肪能量储备来作为胰岛素抵抗的一种潜在靶点。糖尿病患者通过应用罗格列酮上调UCP3的表达，改善胰岛素抵抗。尽管这一作用可以用线粒体解偶联燃烧过多脂肪来解释，但一些研究者提出这一作用可能主要通过一种仍未明确机制来完成，而不是通过解偶联。
3.4 UCP3浓度调控 与空腹、寒冷或高脂肪饮食相对应的UCP3表达需要转录因子绑定到UCP3的启动子区域，MyoD和PPAR元素负责肌肉特异性和脂肪酸反应性。近期发现距离UCP3启动子上游1500个碱基对的一个区域驱动BAT特异性表达［17］。已经发现UCP3在甲状腺代谢中起作用，在UCP3近端启动子区域鉴定出一种活化的甲状腺激素反应元素［1
8］。通过调节骨骼肌能量消耗和脂肪代谢的激素刺激UCP3的转录，说明UCP3自身也可以参与这些过程。UCP3转录得到很好研究，但是仍对UCP3mRNA的翻译效率一无所知。然而，与UCP2相似的是，在UCP3 5′非翻译区域，推断有假启动密码子可以捕获核糖体。UCP3活性可以通过蛋白－蛋白相互作用，激活／抑制的配体和蛋白质水解酶而进一步调整。理论上讲，压力反应基因如那些14.3.3家族与 UCP2、UCP3有着蛋白－蛋白相互作用，但是与UCP1没有。尽管这种相互作用的生化显著性仍然是肤浅的，但是它提出了一个问题，就是这些基因是否或如何参与了UCP2、UCP3的调节。

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