影响线粒体解偶联蛋白表达的因素

田小芳(综述)，张瑞霞(审校)

(青海大学附属医院内分泌科，青海 西宁 810000)

已知线粒体通过电子链传输电子与质子动力的耦合生成三磷酸腺苷供机体代谢。解偶联蛋白(uncoupling protein,UCP)是一种存在于线粒体内膜中具有转运功能的蛋白质，它的生理作用包括产热、脂质代谢、氧化应激及参与能量代谢等，近年来逐渐成为人们研究的热点。由于线粒体对细胞的糖、脂代谢的调节具有重要贡献，而UCP的表达也参与了机体内糖、脂代谢信号的传导，当UCP功能改变时则会引发线粒体代谢紊乱进而导致机体糖、脂代谢紊乱性相关疾病。因此控制UCP基因的表达对肥胖症、糖尿病等病理状态的发生、发展具有重要意义。本篇综述旨在讨论影响线粒体解偶联蛋白表达的因素，为代谢性相关疾病的诊疗提供新策略。

1 线粒体解偶联蛋白的结构与功能

哺乳动物脂肪组织可分类为白色脂肪组织(white adipose tissue,WAT)和棕色脂肪组织(brown adipose tissue,BAT)，前者具有储存三酰甘油，并释放游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)和甘油等能源物质供机体耗能等生理作用，后者存在于新生儿及冷习服的啮齿动物体内，主要以热能的形式释放能量。相关研究发现BAT的产热机制涉及非耦联的质子通路，该通路中的蛋白质被鉴定为UCP1[1]，是一种由核DNA编码广泛存在于动植物中的线粒体膜内的转运蛋白。它由100个氨基酸组成的三重结构，对呼吸链及氧化磷酸化的耦联程度具有调控作用。目前总共发现了5种类型，UCP1主要表达于BAT，UCP2在组织中广泛表达，UCP3在骨骼肌(skeletal muscle,SKM)中高表达，UCP4、UCP5在神经系统中表达。此外UCP1的氨基酸序列在鼠和人中高度一致，而UCP2和UCP3与UCP1同源性分别为55%和56%。随着人们对UCP的研究，除了大家普遍认同的非颤抖产热、抑制活性氧形成和参与糖脂相关代谢等生理作用外，还发现UCP 与某些病理状态有关，如糖尿病、胰岛素抵抗、肥胖、心血管疾病、癌症等。

2 影响线粒体解偶联蛋白表达的因素

2.1内分泌激素

2.1.1甲状腺激素 甲状腺激素对代谢具有广泛的刺激作用，如增加耗氧率，蛋白质合成，糖原分解和脂解作用。甲状腺激素合成前体为四碘甲状腺原氨酸(tetraiodothyronine,T4)和三碘甲状腺原氨酸(triiodothyronine,T3)。其中T4需要5′脱碘酶脱碘成为T3才能发挥生理活性。关于T3的研究发现急性T3治疗后大鼠BAT中UCP1mRNA[2]的表达增加，伴随BAT中质子泄漏耗氧率及线粒体 Ca2+单向转运蛋白的蛋白质丰度增加，并改善胰岛素敏感性。事实上T3治疗改善了大鼠的糖耐量、降低胰岛素抵抗，这可能与葡萄糖转运蛋白4的表达上调有关。此外冷暴露时β3-肾上腺素受体激活，WAT发生褐变而维持机体产热，而T3能够显著放大肾上腺素刺激的大鼠BAT中UCP1mRNA的诱导。当甲状腺功能低下时[3]，大鼠的非颤抖性产热作用减弱，BAT中UCP1mRNA的含量短期增加但后期减少，此时BAT细胞体积缩小，多房性脂肪细胞数量减少；而单剂量T3治疗4周致甲状腺功能亢进时[4]，大鼠WAT发生褐变，细胞体积增加及多房性脂肪细胞产生增加，并伴随UCP1mRNA表达显著增加。综上所述，这些研究有力地表明，甲状腺激素可诱导UCP1的生热反应通过对脂质代谢和线粒体活性的影响，有助于脂肪组织向生热状态的重塑。

2.1.2肾上腺激素 由肾上腺髓质分泌的肾上腺素(adrenaline,AD)可直接兴奋肾上腺素受体(adrenaline receptor,ADR)α和β 使机体产生正向作用，其中ADRβ3具有明显的脂解作用，这可能归因于ADRβ3激活UCP后通过cAMP信号通路诱导BAT 的脂解作用。然而最近研究发现[5]并诱导ADRβ1对人的BAT具有显著激活作用而非ADRβ3，诱导UCP1的表达使产热增加和脂解作用增强，该研究证明了AD是活化BAT的主要调节剂。此外，由肾上腺皮质分泌的糖皮质激素(glucocorticoids,GS)作用于细胞内的糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor,GR)也可影响糖脂代谢，进而引发肥胖及胰岛素抵抗。由于GR在BAT中大量表达，小剂量GS预处理BAT 0 h至4 h后[6]，UCP1mRNA有下降的趋势，但表达没有显著影响UCP1蛋白的水平，但转至30 ℃时[7]则UCP1蛋白水平的显著下调，转移至4 ℃时，则发生上调，表明GS确实具有抑制UCP1作用，且GS抑制作用在低温时被解除，进而转化为交感神经的兴奋作用。随后他们还发现在对BAT的生理刺激非常低的条件下，GS可能会抑制UCP1基因表达，降低总UCP1蛋白水平，增加BAT中的脂质堆积。但是这种降低的代谢作用可能很小。因此，GS并非完全抑制UCP1基因的表达，并且不太可能通过改变BAT活性而影响机体的新陈代谢并诱导肥胖症的发展。

2.1.3生长激素(growth hormone,GH) GH是垂体前叶促生长激素细胞分泌的肽类激素，除了具有调节身高、蛋白质合成、组织生长和细胞增殖等经典功能外，对能量代谢也有相关影响，已知GH具有诱导脂肪组织分解释放FFA并影响脂肪体积和分布的能力，此外GH调节胰岛素敏感性又是这一能力的结果。在动物肥胖模型的研究中，学者们已经发现GH可诱导WAT褐变，抑制葡萄糖的处理，促进脂肪分化，使得脂肪细胞体积的减小，并伴随WAT中UCP1mRNA[8]的表达水平较BAT成倍增加。同样UCP3[9]也有相应表现。说明GH可能通过调节UCP的表达水平间接调控糖脂代谢。最新研究发现GH干预可显著增加UCP1的表达，降低成脂基因的表达，进而影响脂质代谢[10]。因此，GH对脂肪细胞的成熟和脂质积累有潜在的负性调节作用，进而调节UCP的表达。

2.1.4性激素 性激素是肾上腺皮质网状带及性腺等组织所分泌的甾体激素，具有促进性成熟、维持性功能等生理作用，此外还有调节代谢的作用。如卵巢切除术后(雌激素缺乏)大鼠[11]BAT 中UCP1 mRNA以及WAT中 UCP2 mRNA的基因表达下降，表现为食物摄入量和体重增加，而予以雌激素替代治疗后则明显改善了血糖、血脂水平，并上调SKM中 葡萄糖转运蛋白4的基因表达以及UCP1、UCP2的基因水平；表明UCP的表达受雌激素含量影响，进而影响能量消耗和体重。此后研究发现在BAT形成早期或晚期分别用雌二醇或睾酮处理[12]，结果让人惊讶：早期雌二醇处理能增强β受体激动剂异丙肾上腺素(isoprenaline,ISO)对UCP1诱导的反应性，而后期则是睾酮增加了ISO对UCP1诱导的反应性。表明性激素对BAT UCP1的表达具有调控作用；而对于未经ISO处理的BAT，仅晚期雌二醇可降低UCP1的表达。因此性激素对UCP表达水平具有调节作用。

2.2饮食因素

2.2.1高脂、高蛋白饮食 饮食的种类与量决定了能量摄入的多少。已知高脂饮食(high fat diet,HFD)可诱导血脂升高导致肥胖，并增加代谢产热以及心肌细胞的凋亡、炎症反应和氧化应激反应增加。相关研究发现在肥胖模型中HFD[13]还可以上调产热基因UCP1在BAT中的表达，而心肌细胞中则表现为UCP2的蛋白含量下降和UCP3蛋白含量的上升，表明HFD后FFA水平的升高及脂肪储存增加会诱导相应的调脂激素增加，进而调节UCP的表达。随后相关基因敲除研究发现HFD后UCP3基因敲除大鼠[14]表现为减轻肥胖，改善胰岛素敏感性及葡萄糖摄取。表明UCP的丢失可能保护机体免受HFD诱导的肥胖影响。有关蛋白饮食，食物中蛋白质的含量会影响机体的代谢水平。既往认为长期高蛋白饮食会导致大鼠的脂肪组织质量明显减少和体重的下降，并且BAT中 UCP1和肝脏中UCP2基因表达与氮摄入量或蛋白质氧化呈正相关。但根据现有观点认为低蛋白饮食[15]可消除血清胰岛素和肝脏脂质代谢的昼夜节律，进而促进UCP1蛋白的表达，可能与限制饮食蛋白质诱导WAT褐变，增加内分泌激素成纤维细胞生长因子21进而诱导UCP1的蛋白表达有关。总之，长期高脂或高蛋白摄入会影响在底物氧化和产热，从而影响UCP的表达。

2.2.2禁食与再进食 由于禁食减少能量的摄入，使基础代谢率减低。当完全禁食后，机体为优先供应重要脏器的能量代谢，调整能量供应场所为肝脏及SKM，触发糖原分解活动增强，因此产热类的脂肪组织如BAT则氧化代谢减弱，表现为UCP1、UCP3 mRNA表达下降，而SKM中 UCP2、UCP3 mRNA表达增加。当间歇禁食[16]每周3次，连续8周后增加小鼠能量消耗及WAT褐变，但并不改变UCP1的表达。说明禁食可增加能量消耗并激活SKM 成为机体能量供应的主要场所，一种可能的解释是禁食期间SKM发生糖异生及脂解作用使FFA的增加可能会上调UCP2和UCP3基因表达。当再进食时，通常伴随着能量利用效率的提高和更高的脂肪沉积率，即遗留效应，表现为血清FFA及各组织UCP mRNA随着时间呈先增加后下降的动态改变，表明机体在饥饿时可诱导BAT产热、SKM脂解、糖异生等供能反应，使FFA水平的增加而诱导各组织UCP mRNA表达上调，而再进食机体对脂质利用减少，使得FFA对UCP mRNA的诱导作用减弱。综上所述，禁食到再进食的过程中FFA水平变化使得UCP呈现动态变化，这便验证了FFA是UCP的生理激活剂这一观点。

2.3运动因素 规律的体育锻炼可以预防肥胖和2型糖尿病，同时调节脂肪的利用率，增加线粒体基因的表达活性，促进WAT褐变和UCP1表达增加。根据运动的时长和强度，UCP的表达水平有所区别。如高强度间歇训练会增加能量消耗和机械效能，研究发现急性高强度间歇训练后，抑制脂肪生成基因表达，并可能通过激活 WAT 中的UCP1来调节产热，且UCP1 的表达水平仅在附睾处WAT的脂肪细胞中增加[17]。而在慢性耐力运动[18]时UCP基因则具有不变或减少的趋势，这是由于运动能激活β-肾上腺素能并增加了该组织中的非颤抖产热作用，从而有助于改善代谢紊乱。此外综合训练(力量加有氧训练)也可改善能量消耗及脂质氧化，降低UCP1的表达。总而言之，运动对UCP的表达水平确实有刺激作用，与之伴随的还有脂质代谢、体重的改变，但这种改变只是暂时的，因为运动对每种组织都有明显的适应性。

2.4环境因素

2.4.1温度 急性冷暴露时哺乳动物以颤抖产热来维持体温，而慢性冷暴露会导致脂肪组织的褐变。因此早期认为冷暴露后BAT中UCP1、UCP2、UCP3 mRNA有着不同幅度和时程的上调，且血清FFA水平变化与UCP1 mRNA的刺激有关。但是随后相关研究[19]却发现急性冷暴露(4 ℃，10 h)后皮下白色脂肪组织(subcutaneous white adipose tissue,sWAT)发生褐变，UCP1、UCP3的mRNA水平显著增加，UCP3的增高伴随血清FFA浓度的短暂升高；而慢性冷暴露(8 ℃，15 d)后，sWAT表现褐变过程受损，且UCP1、UCP3 mRNA表达下降。然而也有学者研究发现[20]慢性冷暴露(4 ℃，7 d)时大鼠WAT中形成多房脂肪细胞且UCP1 mRNA含量增加。可能与长期的低温环境脂肪细胞产生冷适应后，存在较少的产热脂肪细胞激活UCP1的表达有关。虽然各学者的说法不一，但总体而言冷暴露确实会影响UCP在啮齿动物不同组织中的表达，这与冷暴露时长及温度有关。此外在热中性温度的相关研究中有学者发现UCP3敲除的小鼠[21]BAT氧化代谢更加显著，增强线粒体氧化应激，并改变某些脂肪细胞中的线粒体结构，甚至HDF喂养条件下仍可表现较低的静息代谢率和更高的脂质增加，表明热中性温度的作用更效率，因此环境温度对代谢具有关键作用。

2.4.2低氧 当机体处于缺氧环境时，机体能量代谢会发生变化。关于低氧对UCP的影响，研究发现急性缺氧应激[22]后导致小鼠明显的膈肌无力，且调节线粒体功能的各种转录基因随时间发生变化，而UCP3 mRNA的表达随时间而逐渐增加，使活性氧(reactive oxyen species,ROS)的产生减少，并保护线粒体免受损害；同样在中枢神经系统中也可出现线粒体的氧化损伤，伴随着UCP2 mRNA的表达上调随剂量及时间依赖性增加。而慢性低氧3周[23]降低了心肌中PPARα表达，脂肪酸氧化和UCP3的水平，同时增加了糖酵解作用，因而维持心肌正常细胞代谢的三磷酸腺苷浓度。因此长期缺氧可诱导血管内皮细胞有氧代谢转变为无氧代谢，这与细胞内和线粒体ROS形成的升高，导致线粒体呼吸功能重塑进而维持线粒体的抑制状态有关。推测这种保护作用主要归因于减少ROS产生和间接减少Ca2+暴露后继发的凋亡信号。虽然不同的组织中低氧对UCP的调控涉及不同代谢机制，但最终目的是维持细胞的能量代谢和抗氧化损伤。目前关于低氧对UCP的影响相关研究数量不多，且机制存在一定的争议，还需进一步考究。

2.4.3其他因素

2.4.3.1鸢尾素(Irisin) 鸢尾素是纤连蛋白Ⅲ型结构域蛋白水解的肽类物质，由肌肉和脂肪细胞分泌。在哺乳动物中，Irisin已被证明通过UCP的调节具有产热作用，并通过在大脑、脂肪组织、肝脏、肌肉和胃肠道中的作用影响进食和能量稳态，从而防止肥胖和胰岛素抵抗。如14 d注射低剂量Irisin[24]可以促进WAT的褐变和激活BAT，并提高这两个组织中UCP1 mRNA的表达水平，使产热增加而减少小鼠的体重，有效改善小鼠饮食引起的肥胖和相关代谢紊乱。同时SKM中UCP3也有相似的表现。此外在缺血/再灌注肾损伤模型[25]中可以发现Irisin不仅对肾脏损伤模型引起的细胞凋亡和氧化应激具有保护作用，同时还可上调AMPK-UCP2信号通路的表达进一步减轻氧化应激。另外在HFD诱导的肥胖研究[26]中发现Irisin治疗后WAT发生褐变，使 WAT 的体积分数减少，并减轻体重和肥胖，改善小鼠的肝脏和外周胰岛素敏感性，同时肝组织表现以剂量依赖性方式显著增加 UCP1 mRNA的表达。

2.4.3.2相关药物或小分子化合物 调节细胞代谢的是代谢综合征治疗的关键，相关药物的实验研究逐渐成为热点。其中关于激活脂肪细胞内源性UCP1表达增加的相关药物研究表明诱导BAT产热的药学机制有望成为治疗肥胖的方法。如腺病毒早期1A区刺激基因1(cellular repressor of adenovirus early region 1A-stimulated genes 1,CREG1)是一种在小鼠和人体内分泌的糖蛋白，CREG1在体外可刺激BAT形成和诱导UCP1产生，且低温条件下表达明显增加，提示CREG1参与了BAT的产热过程。最近报道认为CREG1与T3和9-顺式维甲酸协同参与了刺激UCP1转录过程[27]，其中UCP1转录激活过程很大程度上取决于维甲酸x受体作用。鞣花酸是一种植物组织中的天然多酚组分，可调节脂肪细胞的形成和分化[28]。有研究发现肥胖的大鼠补充鞣花酸后改善大鼠的血脂异常和肝脏脂肪变性，并显著上调腹股沟区白色脂肪组织(inguinal white adipose tissue,iWAT)中特异性蛋白UCP1的表达。其机制可能是通过抑制白色脂肪细胞维持基因而促进关键生热基因的表达来实现iWAT的褐变。根据这一理论机制，在黄芪散、纤维细胞生长因子均有相同的作用表现，表明诱导BAT产热活性的增加可能是治疗代谢性疾病的一条可行路径。此外，在耐寒实验中对A型利钠肽的研究[29]进一步支持了这一点，他们发现A型利钠肽可改善HDF所致胰岛素抵抗、BAT细胞体积的增大及iWAT中的脂滴增大，进而减轻肝脂肪变性和诱导脂肪组织褐变(UCP1是iWAT褐变中的标记)，增加体内产热。

3 总结与展望

UCP是线粒体内膜阴离子转运蛋白超家族的成员，参与三磷酸腺苷合成过程中的解偶联呼吸，对能量代谢和活性氧的产生发挥了重要的调节作用。然而它们参与了糖脂代谢紊乱的病理过程。因此，研究影响线粒体解偶联蛋白表达的因素，有望成为代谢性相关疾病诊疗的新策略。通常在冷刺激可激活BAT UCP1发生产热作用，成为消耗脂肪及对抗肥胖的一种有效方法。此外研究还认为UCP的表达可以被不同激素、饮食、运动、环境、药物或小分子物质所影响，这增加了它们可能做为代谢性相关疾病治疗靶点的可能性。尽管目前UCP在糖脂代谢通路中的确切作用机制还不完全清楚，但它们仍被认为是控制肥胖和2型糖尿病发展的候选基因。因此，控制UCP合成基因的表达有望成为糖脂代谢紊乱性相关疾病的治疗靶点。