解偶聯蛋白2在呼吸系統疾病中的研究進展*

楊曉東 趙晨旭 王琳琳 劉麗云

佳木斯大學附屬第一醫院呼吸與危重癥醫學科，黑龍江省佳木斯市 154002

解偶聯蛋白2(Uncoupling protein 2，UCP2)是廣泛分布于人類及嚙齒類動物脂肪、肺、腦、胃腸道、脾和胰腺等器官組織線粒體內膜上的陽離子載體蛋白，其主要的生理作用是將線粒體氧化磷酸化解偶聯，調節氧化應激反應及糖脂代謝等。UCP2參與了多種疾病的病理生理過程，使機體免受氧化應激損傷，發揮組織器官保護的作用。

1 UCP2的基因定位與分布

UCP2是Fleury等[1]于1997年發現并克隆的一種“新型”解偶聯蛋白，由309個氨基酸殘基組成，相對分子量約為32kD，基因定位于人的第11號染色體上。其與 UCP1的基因序列高度同源，約有59%的一致性。UCP2分布廣泛，在人類及嚙齒類動物的脂肪、肺、腦、胃腸道、脾和胰腺等各組織器官線粒體內膜上均有分布[2]。由此，對于UCP2的研究近年來日益增多，已經有學者研究證實在減少胰島素分泌、調節脂肪酸代謝、抗神經元凋亡等方面UCP2均發揮了作用，其還能限制活性氧的產生、參與巨噬細胞介導的免疫應答和炎癥過程[3]。

2 UCP2的主要生理功能

UCP2可將呼吸鏈氧化過程與磷酸化過程解偶聯，其通過介導“質子漏”(即降低跨膜質子電化學梯度，限制ATP合成，導致能量以熱的形式消耗掉)使線粒體內膜的質子梯度降低，進而使活性氧簇(Reactive oxygen species，ROS)的產生減少、氧化應激反應減輕[4]。需氧真核細胞抗氧化防御的首要條件是抑制線粒體ROS的產生，其效果優于消除已經形成的反應性自由基。研究表明UCP2可通過調節活性氧的產生以幫助機體完成“溫和的解偶聯”過程，而溫和的解偶聯對機體具有天然保護作用。因此，誘導UCP2過表達能減輕氧化應激反應，抑制氧化損傷。另外，線粒體ROS產生的局部反饋回路中也有UCP2的參與控制。基于此兩點，調控UCP2的表達被廣泛用于干預癌癥、動脈粥樣硬化、神經系統疾病等與氧化應激反應相關疾病的實驗中，這或許可以成為減輕氧化應激反應的新靶點，作為控制相關疾病進展的新方法而被廣泛應用于臨床工作之中[5]。UCP2在調節糖脂代謝方面也發揮著重要作用[6]。在調控血糖方面，UCP2不但能通過介導質子漏干擾胰島 β 細胞ATP合成，還能通過調節過氧化物酶體增殖物激活受體信號通路基因表達等途徑改善胰島素敏感性[7]，這使得糖尿病的治療途徑在未來將更加多元化。在脂代謝調節方面，一項UCP2-866G/A基因多態性作用對血脂影響的研究將血脂調節更加精準的定位于基因層面。而在這之前已經有學者發現非酒精性脂肪肝內UCP2的表達量增加，為臨床治療提供了重要的理論依據。

3 UCP2與呼吸系統疾病

3.1 UCP2與肺癌 肺癌是人類亟須攻克的一大難題，腫瘤細胞因具有生長迅速和侵襲轉移能力強的特點，在諸多限制條件如缺氧、氧化應激、宿主免疫攻擊等情況下仍進展快速，這一過程需要大量的能量消耗。UCP2作為人體能量主要來源的線粒體內膜上的陽離子載體蛋白，近年來越來越多的研究發現其與腫瘤進程的關系密切。已有研究發現在不同腫瘤中均有UCP2的過表達，其不但可以通過調節細胞代謝，促進腫瘤細胞有氧糖酵解，還可靶向作用于p53，通過抑制ROS系統逆轉由 p53發起的凋亡信號，避免腫瘤細胞受到過多ROS損害。一項通過氨基甲酸乙酯誘發小鼠肺癌的實驗發現，肺癌的形成與小鼠肺中UCP2高表達相關，且多劑量氨基甲酸乙酯誘導的小鼠在第一劑量氨基甲酸乙酯誘導后接受UCP2高選擇性抑制劑京尼平治療能降低腫瘤發生率。線粒體功能異常是腫瘤生長的重要因素，通過抑制UCP2的過表達來限制線粒體氧化磷酸化解偶聯或許可以部分逆轉腫瘤形成，成為肺癌防治的新方法[8]。在肺癌的生長方面，UCP2也發揮了重要作用。腫瘤細胞的迅速增殖需要消耗大量能量，故與非腫瘤細胞相比其更容易受線粒體鈣超載的影響。但其發展出一種聰明的平衡策略，在滿足線粒體Ca2+攝取需求的同時還能保護自身免受鈣超載影響。其主要機制是通過控制蛋白質精氨酸甲基轉移酶1(PRMT1)甲基化降低線粒體Ca2+攝取敏感性以抵消鈣超載，同時腫瘤細胞線粒體UCP2在PRMT1驅動甲基化下使線粒體Ca2+攝取正常化，確保線粒體Ca2+足量攝取以維持腫瘤細胞生長[9]。總之，適量的線粒體Ca2+攝取是腫瘤生長的必要條件。有研究發現聯合高表達UCP2和PRMT1能提高肺癌細胞活性和增殖能力，降低肺癌患者總體生存率[10]。因此，控制UCP2的表達，靶向調節線粒體Ca2+攝取或許可以有效抑制肺癌細胞活性和增殖，并誘發其受鈣超載影響而損傷。若能打破肺癌細胞的“平衡策略”，或許將能更好地實現肺癌的個體化治療。此外，在UCP2與肺癌分型相關性研究中發現，肺腺癌中UCP2的表達高于鱗狀細胞肺癌，證實不同分型的肺癌細胞中UCP2表達程度也有所不同[11]，這與Sayeed A等人發現的UCP2水平與腫瘤的分型密切相關的結果一致。在肺癌的治療方面，UCP2被發現既能影響化療藥物紫杉醇誘導的活性氧產生，還能調節肺癌細胞對紫杉醇治療的敏感性。在化療耐藥性上UCP2也發揮作用。研究發現缺氧的非小細胞肺癌細胞對化療的敏感性降低，這是由于缺氧通過介導缺氧誘導因子-1(HIF-1)抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)從而下調UCP2，而UCP2的下調導致其對ROS的抑制的作用降低，促進藥物外排而導致化療耐藥[12]。對于接受順鉑化療的晚期肺癌患者，癌細胞UCP2低表達預示著化療反應差，生存率低。UCP2低表達可能通過ROS介導的Nrf2穩定和藥物外排轉運體ABCG2在NSCLC細胞中的上調而促進藥物外排導致順鉑耐藥。而活性氧清除劑N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)下調缺氧細胞中Nrf2和ABCG2的表達，提高了細胞對順鉑的敏感性。由此，UCP2作為缺氧誘導非小細胞肺癌化療耐藥的關鍵介質，或許可在難治性非小細胞肺癌的治療中發揮潛在的靶向作用，為降低肺癌化療耐藥性提供新思路。

3.2 UCP2與肺動脈高壓 肺動脈高壓(PH)是發病機制復雜、預后極差的一類疾病，其發病率逐年上升，嚴重危害人類的健康。多種因素共同參與影響PH的病理發展過程，包括氧化應激反應、內皮功能障礙、離子通道異常開閉、免疫反應等[13]。其中氧化應激反應的參與使UCP2和PH的相關性研究成為近年來的熱點。Dromparis在2013年首次闡明UCP2在肺動脈高壓血管重建中的作用。發現敲除UCP2基因的小鼠可自發形成肺血管重構和肺動脈高壓，這歸因于UCP2具有將鈣從內質網轉運到線粒體并抑制線粒體功能，減少活性氧的產生及減輕氧化應激反應的作用。在PH的發生中，缺氧能直接抑制線粒體葡萄糖氧化，降低線粒體鈣水平使內質網應激能間接抑制線粒體葡萄糖氧化，二者均能促進肺血管重構。此外，敲除UCP2基因的小鼠呈現假缺氧狀態，在抑制線粒體葡萄糖氧化使肺血管重構的同時還能激活HIF-1，令慢性缺氧不會進一步加重，這或許在一定程度上還起到肺血管保護效果。綜上，UCP2在延緩肺血管重構和肺動脈高壓進展方面具有極為重要的作用。另一研究發現，在間歇性缺氧(IH)誘導形成PH的模型中，UCP2基因敲除的小鼠肺動脈內皮細胞的有絲分裂能力增強、線粒體生物合成不足、內皮細胞凋亡增加。而使用靶向作用于內皮細胞的慢病毒沉默RNA影響UCP2基因敲除的小鼠可預防IH誘導的PH發生，足以見得UCP2對于預防PH具有顯著的作用[14]。國內也有學者進行了相關研究，其通過慢性持續低氧誘導建立小鼠PH模型發現，與對照組相比，實驗組小鼠肺組織內UCP2水平隨著低氧時間延長而增加，UCP2代償性增加能部分阻止肺血管重構，但不足以與持續低氧導致的肺動脈平滑肌細胞增生相對抗。因此肺組織內代償性的UCP2水平升高雖然能延緩PH的進程，但仍然不能達到阻止其發展的效果。由此推論，如果能在肺動脈高壓早期通過靶向干預及時增強UCP2的表達，或許可以延緩甚至逆轉PH的進展，這將成為治療PH的有利條件，為臨床治療PH提供又一新思路[15]。

3.3 UCP2與急性肺損傷 急性肺損傷(Acute lung injury, ALI)是常見的臨床危重癥，全身失控性炎癥反應是其發生發展的重要原因。急性肺損傷后，外周的炎癥細胞聚集于肺組織并大量釋放炎癥因子，引起炎癥瀑布反應，損傷肺泡—血管屏障，加重肺水腫和通氣/血流比例失衡[16]，一系列復雜的病理特征導致目前對ALI有效的治療手段依然相對匱乏，欲降低其死亡率仍是一個難題。近年來對UCP2的不斷深入研究發現其與急性肺損傷有著緊密聯系。有學者通過建立高氧相關性肺損傷(HALI)動物模型模擬了UCP2在高濃度吸氧引起急性肺損傷的發病過程中所發揮的作用。其實驗發現在高氧暴露1h的小鼠肺組織中發生線粒體突變，ROS產生短暫性上升，引起肺內一系列氧化應激反應發生，促成急性肺損傷。同時，大量產生的ROS增強了小鼠肺泡巨噬細胞的促炎活性，誘導UCP2在小鼠巨噬細胞中高表達，使線粒體膜電位(ΔΨm)下降，減少了線粒體超氧化物的產生，反過來又對高氧性肺損傷小鼠細胞內不適當的促炎癥激活起到限制作用，使其發生適應性抗氧化反應。另一項通過在小鼠氣管內注射脂多糖(LPS)誘導建立小鼠急性肺損傷模型的實驗發現，肺組織內UCP2的表達最初被抑制，隨著內源性糖蛋白錫鈣素-1(STC1)不斷升高，UCP2水平上調。高表達的UCP2減輕了氧化應激反應并發揮抗炎抗損傷作用。此外，該實驗中發現對小鼠氣管外源性注射STC1能抑制炎癥級聯反應、誘導抗氧化和抗凋亡機制，有效對抗LPS誘導的急性肺損傷，驗證了外源性重組人STC1對急性肺損傷的保護作用，而UCP2作為STC1發揮作用的重要媒介，調控其表達對治療急性肺損傷同樣具有潛在臨床應用價值，或許能填補急性肺損傷治療的部分空白[17]。然而，國內一項研究結果與此完全相反，其發現在LPS誘導的小鼠急性肺損傷模型中UCP2的表達顯著增高，但過表達的UCP2 加重了肺組織病理改變、增加炎癥細胞浸潤和肺組織出血，促進肺水腫并降低急性肺損傷小鼠的存活率，這一機制可能與UCP2激活JNK、p38 MAPK、NF-κB信號通路并釋放炎癥因子使肺組織發生炎癥損傷、促進肺泡上皮細胞凋亡有關。最近另有一項實驗發現LPS誘導的急性肺損傷小鼠肺組織內發生強烈的氧化應激反應，使線粒體功能障礙、ΔΨm下降及ATP合成減少，UCP2 mRNA低表達，這又與之前的幾項實驗結果有所不同[18]。總之，UCP2在ALI中的作用不容忽視，但其具體作用及機制尚存在爭議，有待進一步探究。

3.4 UCP2與其他呼吸系統疾病 近年來發現UCP2還廣泛參與到其他呼吸系統疾病中。一項臨床實驗通過分析阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(OSAS)患者UCP2水平變化發現，OSAS可引起UCP2高表達，其機制可能是OSAS患者睡眠中發生類似“心肌缺血—再灌注損傷”的反復低氧—再恢復過程，產生大量ROS促進氧化應激反應，導致UCP2反饋式增加。特發性肺纖維化(IPF)與UCP2的關系也受到關注，有學者指出臨床病程進展快的老年IPF患者肺成纖維細胞UCP2表達明顯高于病程進展慢的患者。其機制是衰老導致線粒體功能障礙引起活性氧過度產生，UCP2反應性上調以達到抗氧化、維持穩態的作用。在博萊霉素誘導形成肺纖維化的老年小鼠模型中，纖維形成高峰后通過氣道給予UCP2 siRNA可減少組織膠原從而改善肺結構。這一研究使UCP2用于靶向治療IPF成為可能[19]。

綜上所述，UCP2與呼吸系統疾病的發生發展之間存在緊密聯系，但目前對UCP2及呼吸系統疾病相關性的研究，尤以慢性阻塞性肺疾病、支氣管哮喘和肺炎等罕見報道，尚有待進一步探索。不難發現關于UCP2在呼吸系統疾病中的作用及機制將成為今后的一大研究熱點并為呼吸系統疾病的治療注入強有力的新鮮血液。