影響線粒體解偶聯蛋白表達的因素

田小芳(綜述)，張瑞霞(審校)

(青海大學附屬醫院內分泌科，青海 西寧 810000)

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

1 線粒體解偶聯蛋白的結構與功能

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)和甘油等能源物質供機體耗能等生理作用，后者存在于新生兒及冷習服的嚙齒動物體內，主要以熱能的形式釋放能量。相關研究發現BAT的產熱機制涉及非耦聯的質子通路，該通路中的蛋白質被鑒定為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的轉運蛋白。它由100個氨基酸組成的三重結構，對呼吸鏈及氧化磷酸化的耦聯程度具有調控作用。目前總共發現了5種類型，UCP1主要表達于BAT，UCP2在組織中廣泛表達，UCP3在骨骼肌(skeletal muscle,SKM)中高表達，UCP4、UCP5在神經系統中表達。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，除了大家普遍認同的非顫抖產熱、抑制活性氧形成和參與糖脂相關代謝等生理作用外，還發現UCP 與某些病理狀態有關，如糖尿病、胰島素抵抗、肥胖、心血管疾病、癌癥等。

2 影響線粒體解偶聯蛋白表達的因素

2.1內分泌激素

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才能發揮生理活性。關于T3的研究發現急性T3治療后大鼠BAT中UCP1mRNA[2]的表達增加，伴隨BAT中質子泄漏耗氧率及線粒體 Ca2+單向轉運蛋白的蛋白質豐度增加，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，這可能與葡萄糖轉運蛋白4的表達上調有關。此外冷暴露時β3-腎上腺素受體激活，WAT發生褐變而維持機體產熱，而T3能夠顯著放大腎上腺素刺激的大鼠BAT中UCP1mRNA的誘導。當甲狀腺功能低下時[3]，大鼠的非顫抖性產熱作用減弱，BAT中UCP1mRNA的含量短期增加但后期減少，此時BAT細胞體積縮小，多房性脂肪細胞數量減少；而單劑量T3治療4周致甲狀腺功能亢進時[4]，大鼠WAT發生褐變，細胞體積增加及多房性脂肪細胞產生增加，并伴隨UCP1mRNA表達顯著增加。綜上所述，這些研究有力地表明，甲狀腺激素可誘導UCP1的生熱反應通過對脂質代謝和線粒體活性的影響，有助于脂肪組織向生熱狀態的重塑。

2.1.2腎上腺激素 由腎上腺髓質分泌的腎上腺素(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BAT 的脂解作用。然而最近研究發現[5]并誘導ADRβ1對人的BAT具有顯著激活作用而非ADRβ3，誘導UCP1的表達使產熱增加和脂解作用增強，該研究證明了AD是活化BAT的主要調節劑。此外，由腎上腺皮質分泌的糖皮質激素(glucocorticoids,GS)作用于細胞內的糖皮質激素受體(glucocorticoid receptor,GR)也可影響糖脂代謝，進而引發肥胖及胰島素抵抗。由于GR在BAT中大量表達，小劑量GS預處理BAT 0 h至4 h后[6]，UCP1mRNA有下降的趨勢，但表達沒有顯著影響UCP1蛋白的水平，但轉至30 ℃時[7]則UCP1蛋白水平的顯著下調，轉移至4 ℃時，則發生上調，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，進而轉化為交感神經的興奮作用。隨后他們還發現在對BAT的生理刺激非常低的條件下，GS可能會抑制UCP1基因表達，降低總UCP1蛋白水平，增加BAT中的脂質堆積。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，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肥胖癥的發展。

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

2.1.4性激素 性激素是腎上腺皮質網狀帶及性腺等組織所分泌的甾體激素，具有促進性成熟、維持性功能等生理作用，此外還有調節代謝的作用。如卵巢切除術后(雌激素缺乏)大鼠[11]BAT 中UCP1 mRNA以及WAT中 UCP2 mRNA的基因表達下降，表現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SKM中 葡萄糖轉運蛋白4的基因表達以及UCP1、UCP2的基因水平；表明UCP的表達受雌激素含量影響，進而影響能量消耗和體重。此后研究發現在BAT形成早期或晚期分別用雌二醇或睪酮處理[12]，結果讓人驚訝：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誘導的反應性，而后期則是睪酮增加了ISO對UCP1誘導的反應性。表明性激素對BAT UCP1的表達具有調控作用；而對于未經ISO處理的BAT，僅晚期雌二醇可降低UCP1的表達。因此性激素對UCP表達水平具有調節作用。

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)可誘導血脂升高導致肥胖，并增加代謝產熱以及心肌細胞的凋亡、炎癥反應和氧化應激反應增加。相關研究發現在肥胖模型中HFD[13]還可以上調產熱基因UCP1在BAT中的表達，而心肌細胞中則表現為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相應的調脂激素增加，進而調節UCP的表達。隨后相關基因敲除研究發現HFD后UCP3基因敲除大鼠[14]表現為減輕肥胖，改善胰島素敏感性及葡萄糖攝取。表明UCP的丟失可能保護機體免受HFD誘導的肥胖影響。有關蛋白飲食，食物中蛋白質的含量會影響機體的代謝水平。既往認為長期高蛋白飲食會導致大鼠的脂肪組織質量明顯減少和體重的下降，并且BAT中 UCP1和肝臟中UCP2基因表達與氮攝入量或蛋白質氧化呈正相關。但根據現有觀點認為低蛋白飲食[15]可消除血清胰島素和肝臟脂質代謝的晝夜節律，進而促進UCP1蛋白的表達，可能與限制飲食蛋白質誘導WAT褐變，增加內分泌激素成纖維細胞生長因子21進而誘導UCP1的蛋白表達有關。總之，長期高脂或高蛋白攝入會影響在底物氧化和產熱，從而影響UCP的表達。

2.2.2禁食與再進食 由于禁食減少能量的攝入，使基礎代謝率減低。當完全禁食后，機體為優先供應重要臟器的能量代謝，調整能量供應場所為肝臟及SKM，觸發糖原分解活動增強，因此產熱類的脂肪組織如BAT則氧化代謝減弱，表現為UCP1、UCP3 mRNA表達下降，而SKM中 UCP2、UCP3 mRNA表達增加。當間歇禁食[16]每周3次，連續8周后增加小鼠能量消耗及WAT褐變，但并不改變UCP1的表達。說明禁食可增加能量消耗并激活SKM 成為機體能量供應的主要場所，一種可能的解釋是禁食期間SKM發生糖異生及脂解作用使FFA的增加可能會上調UCP2和UCP3基因表達。當再進食時，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，表現為血清FFA及各組織UCP mRNA隨著時間呈先增加后下降的動態改變，表明機體在饑餓時可誘導BAT產熱、SKM脂解、糖異生等供能反應，使FFA水平的增加而誘導各組織UCP mRNA表達上調，而再進食機體對脂質利用減少，使得FFA對UCP mRNA的誘導作用減弱。綜上所述，禁食到再進食的過程中FFA水平變化使得UCP呈現動態變化，這便驗證了FFA是UCP的生理激活劑這一觀點。

2.3運動因素 規律的體育鍛煉可以預防肥胖和2型糖尿病，同時調節脂肪的利用率，增加線粒體基因的表達活性，促進WAT褐變和UCP1表達增加。根據運動的時長和強度，UCP的表達水平有所區別。如高強度間歇訓練會增加能量消耗和機械效能，研究發現急性高強度間歇訓練后，抑制脂肪生成基因表達，并可能通過激活 WAT 中的UCP1來調節產熱，且UCP1 的表達水平僅在附睪處WAT的脂肪細胞中增加[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熱作用，從而有助于改善代謝紊亂。此外綜合訓練(力量加有氧訓練)也可改善能量消耗及脂質氧化，降低UCP1的表達。總而言之，運動對UCP的表達水平確實有刺激作用，與之伴隨的還有脂質代謝、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性。

2.4環境因素

2.4.1溫度 急性冷暴露時哺乳動物以顫抖產熱來維持體溫，而慢性冷暴露會導致脂肪組織的褐變。因此早期認為冷暴露后BAT中UCP1、UCP2、UCP3 mRNA有著不同幅度和時程的上調，且血清FFA水平變化與UCP1 mRNA的刺激有關。但是隨后相關研究[19]卻發現急性冷暴露(4 ℃，10 h)后皮下白色脂肪組織(subcutaneous white adipose tissue,sWAT)發生褐變，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表現褐變過程受損，且UCP1、UCP3 mRNA表達下降。然而也有學者研究發現[20]慢性冷暴露(4 ℃，7 d)時大鼠WAT中形成多房脂肪細胞且UCP1 mRNA含量增加。可能與長期的低溫環境脂肪細胞產生冷適應后，存在較少的產熱脂肪細胞激活UCP1的表達有關。雖然各學者的說法不一，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，這與冷暴露時長及溫度有關。此外在熱中性溫度的相關研究中有學者發現UCP3敲除的小鼠[21]BAT氧化代謝更加顯著，增強線粒體氧化應激，并改變某些脂肪細胞中的線粒體結構，甚至HDF喂養條件下仍可表現較低的靜息代謝率和更高的脂質增加，表明熱中性溫度的作用更效率，因此環境溫度對代謝具有關鍵作用。

2.4.2低氧 當機體處于缺氧環境時，機體能量代謝會發生變化。關于低氧對UCP的影響，研究發現急性缺氧應激[22]后導致小鼠明顯的膈肌無力，且調節線粒體功能的各種轉錄基因隨時間發生變化，而UCP3 mRNA的表達隨時間而逐漸增加，使活性氧(reactive oxyen species,ROS)的產生減少，并保護線粒體免受損害；同樣在中樞神經系統中也可出現線粒體的氧化損傷，伴隨著UCP2 mRNA的表達上調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，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胞代謝的三磷酸腺苷濃度。因此長期缺氧可誘導血管內皮細胞有氧代謝轉變為無氧代謝，這與細胞內和線粒體ROS形成的升高，導致線粒體呼吸功能重塑進而維持線粒體的抑制狀態有關。推測這種保護作用主要歸因于減少ROS產生和間接減少Ca2+暴露后繼發的凋亡信號。雖然不同的組織中低氧對UCP的調控涉及不同代謝機制，但最終目的是維持細胞的能量代謝和抗氧化損傷。目前關于低氧對UCP的影響相關研究數量不多，且機制存在一定的爭議，還需進一步考究。

2.4.3其他因素

2.4.3.1鳶尾素(Irisin) 鳶尾素是纖連蛋白Ⅲ型結構域蛋白水解的肽類物質，由肌肉和脂肪細胞分泌。在哺乳動物中，Irisin已被證明通過UCP的調節具有產熱作用，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食和能量穩態，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WAT的褐變和激活BAT，并提高這兩個組織中UCP1 mRNA的表達水平，使產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代謝紊亂。同時SKM中UCP3也有相似的表現。此外在缺血/再灌注腎損傷模型[25]中可以發現Irisin不僅對腎臟損傷模型引起的細胞凋亡和氧化應激具有保護作用，同時還可上調AMPK-UCP2信號通路的表達進一步減輕氧化應激。另外在HFD誘導的肥胖研究[26]中發現Irisin治療后WAT發生褐變，使 WAT 的體積分數減少，并減輕體重和肥胖，改善小鼠的肝臟和外周胰島素敏感性，同時肝組織表現以劑量依賴性方式顯著增加 UCP1 mRNA的表達。

2.4.3.2相關藥物或小分子化合物 調節細胞代謝的是代謝綜合征治療的關鍵，相關藥物的實驗研究逐漸成為熱點。其中關于激活脂肪細胞內源性UCP1表達增加的相關藥物研究表明誘導BAT產熱的藥學機制有望成為治療肥胖的方法。如腺病毒早期1A區刺激基因1(cellular repressor of adenovirus early region 1A-stimulated genes 1,CREG1)是一種在小鼠和人體內分泌的糖蛋白，CREG1在體外可刺激BAT形成和誘導UCP1產生，且低溫條件下表達明顯增加，提示CREG1參與了BAT的產熱過程。最近報道認為CREG1與T3和9-順式維甲酸協同參與了刺激UCP1轉錄過程[27]，其中UCP1轉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，可調節脂肪細胞的形成和分化[28]。有研究發現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，并顯著上調腹股溝區白色脂肪組織(inguinal white adipose tissue,iWAT)中特異性蛋白UCP1的表達。其機制可能是通過抑制白色脂肪細胞維持基因而促進關鍵生熱基因的表達來實現iWAT的褐變。根據這一理論機制，在黃芪散、纖維細胞生長因子均有相同的作用表現，表明誘導BAT產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]進一步支持了這一點，他們發現A型利鈉肽可改善HDF所致胰島素抵抗、BAT細胞體積的增大及iWAT中的脂滴增大，進而減輕肝脂肪變性和誘導脂肪組織褐變(UCP1是iWAT褐變中的標記)，增加體內產熱。

3 總結與展望

UCP是線粒體內膜陰離子轉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呼吸，對能量代謝和活性氧的產生發揮了重要的調節作用。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蛋白表達的因素，有望成為代謝性相關疾病診療的新策略。通常在冷刺激可激活BAT UCP1發生產熱作用，成為消耗脂肪及對抗肥胖的一種有效方法。此外研究還認為UCP的表達可以被不同激素、飲食、運動、環境、藥物或小分子物質所影響，這增加了它們可能做為代謝性相關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，但它們仍被認為是控制肥胖和2型糖尿病發展的候選基因。因此，控制UCP合成基因的表達有望成為糖脂代謝紊亂性相關疾病的治療靶點。