解偶聯(lián)蛋白與肥胖

解偶聯(lián)蛋白與肥胖

0氧化磷酸化偶聯(lián)的概念除了儲(chǔ)存一些脂肪，大部分體內(nèi)儲(chǔ)存的能量通過釋放、轉(zhuǎn)移和利用能量來傳播、改變和轉(zhuǎn)化為各種化學(xué)品的化學(xué)、離子運(yùn)行機(jī)械和骨骼外科手術(shù)的機(jī)械形式。在能量代謝的過程中除骨骼肌運(yùn)動(dòng)時(shí)所完成的機(jī)械功外,其余形式的功最后亦都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。機(jī)體產(chǎn)熱部位主要在線粒體,產(chǎn)熱量主要取決于線粒體上解偶聯(lián)蛋白(Uncouplingproteins,UCP),即位于線粒體內(nèi)膜介導(dǎo)H+內(nèi)流的跨膜蛋白質(zhì)形成的“質(zhì)子漏”的程度。線粒體內(nèi)經(jīng)三羧酸循環(huán)產(chǎn)生的還原當(dāng)量沿電子傳遞鏈傳遞時(shí)釋放出的能量,可將H+從線粒體基質(zhì)轉(zhuǎn)移至內(nèi)膜的胞液面,形成一個(gè)跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度(ΔμH+),當(dāng)質(zhì)子從胞液面順梯度回至基質(zhì)面時(shí),其中蘊(yùn)含的能量可用以推動(dòng)ADP與磷酸結(jié)合生成ATP,此過程稱為氧化磷酸化偶聯(lián)。若H+進(jìn)入線粒體內(nèi)膜而不與ATP合成過程偶聯(lián)(氧化磷酸化解偶聯(lián)),能量則以熱的形式散失,即形成“質(zhì)子漏”。因此產(chǎn)熱的多寡是影響能量消耗的重要因素。20世紀(jì)70~90年代,法國和美國科學(xué)家先后發(fā)現(xiàn)在線粒體內(nèi)膜的一些蛋白質(zhì)扮演了解偶聯(lián)劑的作用,被稱為解偶聯(lián)蛋白。大概有25%ATP中的代謝能是由于質(zhì)子遺漏現(xiàn)象而被轉(zhuǎn)化成熱量的形式散失的。通常測(cè)定機(jī)體產(chǎn)熱量可知曉機(jī)體能量代謝的概況,進(jìn)而可研究對(duì)肥胖產(chǎn)生的影響。近年來對(duì)UCP的生理作用及其與產(chǎn)熱能量消耗及肥胖的關(guān)系認(rèn)識(shí)不斷深入。本文就近幾年的進(jìn)展予以綜述。1目的總結(jié)解偶聯(lián)蛋白的作用機(jī)制、解偶聯(lián)蛋白多態(tài)性與肥胖的關(guān)系及其表達(dá)的調(diào)節(jié)因素等,為肥胖發(fā)生機(jī)制及其防治工作的研究開辟新途徑。2材料和方法2.1檢索詞“ung”,限定文章語言應(yīng)用計(jì)算機(jī)檢索Medline1997-01/2007-07與解偶聯(lián)蛋白相關(guān)的文章,檢索詞“Uncouplingproteins”,限定文章語言種類為English;同時(shí)計(jì)算機(jī)檢索1997-01/2007-07中國期刊全文數(shù)據(jù)庫與解偶聯(lián)蛋白相關(guān)的文章,檢索詞“解偶聯(lián)蛋白”,限定文章語言種類為中文。另外手工檢索到相關(guān)文獻(xiàn)20篇。2.2文獻(xiàn)納入與排除標(biāo)準(zhǔn)對(duì)資料進(jìn)行初審,納入標(biāo)準(zhǔn):(1)解偶聯(lián)蛋白家族中各成員相關(guān)研究。(2)解偶聯(lián)蛋白與肥胖方面的研究。(3)解偶聯(lián)蛋白研究的臨床、實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道。排除標(biāo)準(zhǔn):研究目的與本綜述目的無關(guān)、重復(fù)研究的文獻(xiàn)。閱讀標(biāo)題和摘要進(jìn)行初篩,排除因研究目的與本研究無關(guān)者98篇,內(nèi)容重復(fù)性的研究112篇,保留220篇中英文文獻(xiàn)進(jìn)一步分析。其中動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和在體、離體、細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)98篇,綜述、述評(píng)、講座類文獻(xiàn)32篇,系統(tǒng)評(píng)價(jià)/Meta分析15篇,臨床研究75篇。共34個(gè)研究滿足全部納入標(biāo)準(zhǔn),予以納入。3綜合評(píng)價(jià)3.1ucp4轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的表達(dá)至今為止,在哺乳動(dòng)物體內(nèi)已識(shí)別出5種解偶聯(lián)蛋白質(zhì):UCP1、UCP2、UCP3、BMCP1/UCP4和UCP5。UCP的共同特征是每個(gè)單體均有3個(gè)由100個(gè)氨基酸組成的重復(fù)序列,并且每個(gè)單體均具有6個(gè)穿膜結(jié)構(gòu)域,每個(gè)結(jié)構(gòu)域都有線粒體載體信號(hào)基序。UCP4轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物只在胎兒和成人腦組織表達(dá),定位于人線粒體6pl1.2-ql2,參與人腦適應(yīng)性產(chǎn)熱和代謝。UCP5則在腦與睪丸中含量高,UCP4和UCP5可能與神經(jīng)退行性病變有關(guān),而與肥胖關(guān)系不大,故不在本文討論之列。UCP1基因全長13kb,包含9kb轉(zhuǎn)錄區(qū),6個(gè)外顯子;UCP2基因全長8.7kb,包含8個(gè)外顯子;UCP3全長8.5kb,至少7個(gè)外顯子,產(chǎn)生2個(gè)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物;UCP3短41(UCP3S)和UCP3長型(UCP3L),UCP3短型是由于C端外顯子7缺乏,與UCP3長型不同。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號(hào)染色體(4q3l),UCP2和UCP3在人11號(hào)染色體(llql3),相距75~150kb,與肥胖和高胰島素血癥有關(guān)。3.2ucp2和mcp1在不同組織中的表達(dá)UCP1基因主要在褐色脂肪組織中表達(dá)。而最近又發(fā)現(xiàn)UCP1表達(dá)于小鼠子宮縱向平滑肌細(xì)胞,以及消化道和雄性生殖道的平滑肌中;UCP2的mRNA廣泛存在于人和嚙齒類動(dòng)物大多數(shù)組織中,UCP2在多種組織如白色脂肪組織、棕色脂肪組織、肌肉、心、肺、腎和淋巴細(xì)胞等均有表達(dá);UCP3基因主要在小鼠的骨骼肌、褐色脂肪組織中表達(dá);UCP4和BMCP1主要表達(dá)于腦中。由于UCP4和BMCP1與UCP1、UCP2、UCP3相關(guān)性較小,不在這里詳細(xì)論述。3.3sda的主要生理效果和調(diào)整3.3.1ucp1基因增強(qiáng)子元件的作用UCP介導(dǎo)H+內(nèi)流,使能量以熱量的形式散發(fā),有助于維持機(jī)體體溫。UCP1基因剔除的小鼠在寒冷中無法維持體溫,所以UCP1也可介導(dǎo)任意食物誘導(dǎo)的產(chǎn)熱。UCP1所介導(dǎo)寒冷誘導(dǎo)的產(chǎn)熱可分為短期和長期兩種。短期反應(yīng)一般在幾分鐘之內(nèi),而長期反應(yīng)一般為幾小時(shí)或幾天。在發(fā)生產(chǎn)熱效應(yīng)的過程中UCP1基因增強(qiáng)子元件處于關(guān)鍵地位,此增強(qiáng)子元件位于UCP1基因上游2.4kb處,含有220個(gè)堿基對(duì),其上有甲狀腺激素受體、視黃酸受體和過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAP)γ結(jié)合位點(diǎn)。短期反應(yīng)的機(jī)制是寒冷可誘導(dǎo)交感神經(jīng)系統(tǒng)釋放去甲腎上腺素,然后通過褐色脂肪細(xì)胞上的β腎上腺素能受體(β-AR)刺激cAMP的產(chǎn)生,cAMP激活蛋白激酶A,蛋白激酶A使解脂產(chǎn)生,釋放出脂肪酸,脂肪酸進(jìn)而促進(jìn)UCP1對(duì)H+的運(yùn)輸;而長期反應(yīng)中蛋白激酶A激活一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng),最終導(dǎo)致UCP1的表達(dá)增加、新線粒體的合成和褐色脂肪組織的增生。剔除小鼠UCP2或UCP3對(duì)寒冷時(shí)體溫維持沒有影響,因此UCP2和UCP3在寒冷誘導(dǎo)的適應(yīng)性產(chǎn)熱中不起重要作用,當(dāng)然不排除補(bǔ)償途徑的存在。3.3.2ucp對(duì)小鼠血清中活性氧的影響大部分活性氧由電子傳遞鏈產(chǎn)生,已證明在分離的線粒體中,當(dāng)H+電勢(shì)高的時(shí)候,活性氧的產(chǎn)生也增加。因此,UCP可能通過降低H+電勢(shì)而抑制活性氧的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明,在UCP2或UCP3剔除的小鼠中,活性氧的產(chǎn)生增多。而UCP對(duì)活性氧的抑制可能是一種反饋抑制機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),在肝細(xì)胞中活性氧增加時(shí)UCP2表達(dá)也增加。Skulachev等、Klingenberg等證明在分離的線粒體中,超氧化物可激活UCP1、UCP2和UCP3的產(chǎn)生,而UCP可能反過來減少超氧化物的產(chǎn)生。而寒冷可誘導(dǎo)植物中UCP的表達(dá),也可能是因?yàn)楹鋾?huì)增加活性氧的產(chǎn)生。如果UCP可以抑制活性氧的產(chǎn)生,那它應(yīng)在衰老和凋亡中起重要作用。3.3.3脂肪乳劑和ucp3對(duì)大鼠代謝的影響攝入能量物質(zhì)的量及種類對(duì)UCP調(diào)節(jié)能量平衡及底物氧化有很大作用。饑餓狀態(tài)下,UCP1基因表達(dá)下降,與此時(shí)瘦素水平下降、褐色脂肪組織中交感神經(jīng)活性下降有關(guān)。高脂飲食可以提高褐色脂肪組織中UCP1、UCP2mRNA、白色脂肪組織中UCP2及骨骼肌中UCP3mRNA水平。禁食或飲食限制時(shí)肌肉內(nèi)UCP2、UCP3基因表達(dá)提高,與此時(shí)肌肉底物利用轉(zhuǎn)換為以脂類氧化為主有關(guān),同時(shí)可見機(jī)體代謝率降低;當(dāng)繼以低脂高碳水化合物飲食喂養(yǎng)時(shí),肌肉內(nèi)UCP2、UCP3基因表達(dá)下降,此時(shí)脂類利用亦下降,故目前很多學(xué)者認(rèn)為UCP2、UCP3的作用是調(diào)節(jié)脂類代謝。大量實(shí)驗(yàn)表明,UCP2和UCP3與脂肪酸代謝有密切關(guān)系。β氧化增強(qiáng)時(shí),UCP2和UCP3的mRNA水平升高。新生小鼠的骨骼肌直到哺乳期才產(chǎn)生UCP3;新生鼠沒有內(nèi)源性的脂肪儲(chǔ)備,如果不讓其哺乳,則不誘導(dǎo)UCP3產(chǎn)生,而如果此時(shí)喂養(yǎng)脂肪乳劑,則可顯著誘導(dǎo)UCP3產(chǎn)生。而UCP2和UCP3在脂肪酸代謝中可能起運(yùn)輸脂肪酸的作用。脂肪過度氧化使活性氧過量產(chǎn)生;UCP2減少活性氧的產(chǎn)生。例如,脂類在胰腺β細(xì)胞中的積累可能造成脂毒性,使得β細(xì)胞功能受損;而UCP2能改善fa/fa鼠胰島中β細(xì)胞的胰島素分泌,從而降低了這種毒害作用。但是,UCP3剔除的小鼠血中自由脂肪酸沒有明顯變化或有輕微降低,脂肪酸氧化也未發(fā)生變化。因此,雖然UCP2和UCP3與脂肪代謝有密切關(guān)系,但其在脂肪代謝中發(fā)揮的具體作用還需進(jìn)一步研究。3.3.4在腦室內(nèi)注射突變藥物和大鼠腦室藥物成分中表達(dá)ucp1、ucp3的表達(dá)瘦素是肥胖基因的表達(dá)產(chǎn)物,它通過其中樞及外周受體而對(duì)進(jìn)食、能量消耗、脂肪分解等起作用。Scarpace等發(fā)現(xiàn),應(yīng)用瘦素后,大鼠褐色脂肪組織中的UCP1mRNA和UCP3mRNA分別增加2倍和62%,附睪中的UCP2mRNA增加2倍,而白色脂肪組織和BAI中的UCP2mRNA無變化。給大鼠腦室內(nèi)注射瘦素后,通過其對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用,上調(diào)UCP1、UCP2和UCP3的表達(dá)。以上研究表明,瘦素可能通過上調(diào)UCP的表達(dá),使機(jī)體產(chǎn)熱增加,阻止能量貯存,維持機(jī)體的能量平衡。3.3.5對(duì)大鼠白色脂肪組織中ucp3的表達(dá)PPAR家族包括α、β、γ3型,分布在不同組織中。PPAR-α反應(yīng)元件位于大鼠UCP1基因的上游啟動(dòng)子區(qū),高度表達(dá)PPAR-α是褐色脂肪組織和白色脂肪組織的區(qū)別,這與其高水平的脂質(zhì)中氧化能力相關(guān)。研究表明,不論在體內(nèi)還是體外,PPAR-α激動(dòng)劑均可使褐色脂肪組織UCP1mRNA水平升高數(shù)倍。PPAR-γ激動(dòng)劑噻唑烷二酮可上調(diào)大鼠褐色脂肪組織中的UCP2、UCP3及白色脂肪組織中UCP3的表達(dá),在體外對(duì)脂肪細(xì)胞UCP3的表達(dá)也有上調(diào)作用。以上表明PPAR在能量代謝中的作用可能與UCP的參與有關(guān)。除上述影響UCP表達(dá)的因素外,糖皮質(zhì)激素、游離脂肪酸、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4、視黃酸、雄激素、甲狀腺激素、去甲腎上腺素、熱休克蛋白等對(duì)UCP的表達(dá)也有不同程度的調(diào)節(jié)作用。3.3.6ucp導(dǎo)電的雜質(zhì)漏和atp合成的正離子束靜息狀態(tài)下以ΔμH+形式儲(chǔ)存的能量通過UCP質(zhì)子漏產(chǎn)生熱量,在ATP利用少時(shí),ADP水平低,與ATP合成酶偶聯(lián)的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)低,ΔμH+升高,使UCP介導(dǎo)的質(zhì)子漏提高,產(chǎn)熱增加。當(dāng)ATP利用增加時(shí),ADP水平提高,與ATP合成酶偶聯(lián)的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)提高,ΔμH+降低,UCP介導(dǎo)的質(zhì)子漏降低,使大部分質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)與ATP合成酶偶聯(lián),生成ATP。即由于UCP質(zhì)子漏的存在使ATP需求增加時(shí),質(zhì)子漏和ATP合成之間可以快速轉(zhuǎn)換,而無需依賴于底物代謝和線粒體呼吸的增加,使ATP可以快速大量產(chǎn)生。肌肉組織中ATP的利用常有大幅度的提高,其中UCP2、UCP3基因表達(dá)豐富亦支持這一作用。3.3.7ucp1提高糖脂代謝參數(shù)的作用,改善血糖等UCP與糖尿病也有密切的關(guān)系。在1型糖尿病的嚙齒類動(dòng)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產(chǎn)生,而UCP1的超表達(dá)可抑制活性氧的產(chǎn)生,并且改善高血糖所引發(fā)的癥狀。例如,在主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中,UCP1可以抑制高血糖引起的單核細(xì)胞的聚集。UCP2有調(diào)控胰島素分泌的作用。最近,Zhang等證明UCP2可負(fù)調(diào)控葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌?；继悄虿〉膐b/ob鼠胰島中的UCP2升高,胰島素分泌受到抑制。而剔除了UCP2基因的ob/ob鼠,高血糖降低,胰島素分泌恢復(fù),血液中胰島素水平升高,這表明胰島β細(xì)胞的功能得到了改善。因此,調(diào)控UCP表達(dá)可能成為治療糖尿病的新方法。3.4ucp2與肥肥的相關(guān)性通過大量的連鎖分析和多態(tài)性分析表明UCP與人類肥胖有密切關(guān)系,目前UCP已作為肥胖候選基因。UCP1在嚙齒類動(dòng)物中的主要作用是產(chǎn)生熱量以維持體溫及能量穩(wěn)態(tài),在控制體質(zhì)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組織,所以UCP1不可能在其體質(zhì)量調(diào)節(jié)及能量穩(wěn)態(tài)中起重要作用。但研究發(fā)現(xiàn),在UCP1基因的TATA上游3826處的一個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)與人類的脂肪積累、體質(zhì)量指數(shù)以及高熱量食物引起的體質(zhì)量指數(shù)變化有關(guān)。因此,盡管UCP1不是人類肥胖的主要基因,它與脂肪的積累還是有密切關(guān)系的。在鼠類動(dòng)物中,盡管UCP2剔除的小鼠并不肥胖,但UCP2與肥胖也有密切的聯(lián)系。連鎖分析表明,UCP2與鼠及人的肥胖和糖尿病位點(diǎn)相連鎖。而且在幾種喂養(yǎng)高脂肪食物的小鼠種系和ob/ob鼠的肝細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)UCP2的mRNA水平升高。并且,UCP2在脂肪組織中的水平與其對(duì)肥胖的抗性有關(guān),在易于肥胖的C57BL/6J小鼠中UCP2表達(dá)水平比在不易于肥胖A/J鼠和C57BL/KsJ鼠低。在人類中,已發(fā)現(xiàn)骨骼肌和白色脂肪組織中UCP2的mRNA水平與體質(zhì)量指數(shù)等人類肥胖的指數(shù)正相關(guān)。人類UCP2基因的突變體與PIMAIndians睡眠代謝率相關(guān),而且與SouthIndians的體質(zhì)量指數(shù)相關(guān)。UCP3基因剔除的小鼠并不肥胖,所以UCP3在控制小鼠體質(zhì)量中的作用不大,當(dāng)然也不排除UCP1、UCP2翻譯及翻譯后水平的變化以及其他途徑的補(bǔ)償作用。在PIMAIndians中發(fā)現(xiàn)UCP3與體質(zhì)量指數(shù)負(fù)相關(guān),與睡眠代謝率正相關(guān)。胰島素抵抗是肥胖者常見的病理生理改變,Samec等進(jìn)行了高脂飲食誘導(dǎo)后的肌肉UCP2、UCP3mRNA水平(較基礎(chǔ)狀態(tài)升高)與能量消耗、空腹游離脂肪酸濃度、葡萄糖、胰島素以及葡萄糖負(fù)荷2h后血漿葡萄糖水平的相關(guān)分析,結(jié)果顯示只有后者與其存在正相關(guān),認(rèn)為高脂飲食誘導(dǎo)的肌肉UCP2、UCP3mRNA水平升高與高脂引起的胰島素抵抗相關(guān)。這種肌肉UCP2、UCP3mRNA水平與胰島素抵抗相關(guān)關(guān)系與其調(diào)節(jié)脂類代謝