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UCP2在糖尿病心肌疾病中的研究进展

首席医学网      2010年05月05日 14:47:13 Wednesday  
 
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作者:李秀珍 鲁 翔    作者单位:南京医科大学,江苏 南京 210011

【摘要】  解耦联蛋白2(UCP2)是一种解耦联剂,是线粒体内膜上参与质子转运的蛋白质,具有调节能量平衡、调节ATP产生速度、控制活性氧产生、抗细胞凋亡等生理功能,参与许多疾病的病理生理学过程。其在糖尿病的发病过程中也起到重要的作用。本文就UCP2的功能及其在糖尿病心肌疾病中的研究作一综述。

【关键词】  UCP2;糖尿病;心肌

UCP2是线粒体阴离子载体蛋白(mitochondrial anion carrier protein,MACP)家族中的一个亚族中的成员之一,在脑、肺、脾、肾、肝、脂肪组织和心脏等都有表达。

  1.UCP2结构与基因定位

  1997年Fleury等[1]发现UCP2基因定位于人类染色体11q13。UCP2基因全长8.7kb,相对分子质量为33,098,编码308个氨基酸,由8个外显子和7个内含子组成,其5′端的两个外显子不翻译,另外6个外显子各编码UCP2的一个跨膜单位。人UCP2启动子中无TATA盒和CAAT盒,但富含GC碱基对。其三级结构由相似的3个结构域组成,每个结构域约含100个氨基酸,分别形成两个跨膜螺旋,由一个N末端和C末端具有细胞液定向的基质环相连。UCP2具有独有的标记结构,分别位于第一、二、四3个α螺旋。这些结构可能参与脂肪酸阴离子的结合和跨膜转运[2]。引物扩增分析发现,UCP2的转录起始位点有多个可调节UCP2基因表达的调控元件。UCP2基因分别位于小鼠和大鼠的第7、1号染色体上,基因序列分析显示UCP2的序列同源性高达95%。

  2.UCP2的作用

  2.1 影响ATP的生成。正常情况下,三羧酸循环中脱下的氢经线粒体内膜上电子传递链从内膜基质侧泵至膜间隙,从而使膜间隙的质子浓度高于基质,因而在内膜的两侧形成了质子浓度梯度△P和电位梯度△ψ。Brand等人提出,静息时质子主要通过UCP2介导的跨膜内流降低质子电化学势能梯度,以限制安静时的机体对能量的需求。当机体对能量的需求迅速增加时,ATP合成增加,使△P和△ψ降低。高△P和△ψ水平是UCP2介导质子转运的驱动力,使其不通过酶进行ATP的合成,而直接通过线粒体内膜进入基质,发生了质子渗漏,最终导致ATP的合成减少。因此,△P和△ψ降低即可使UCP2的通道关闭,以便提高和维持较高的△P和△ψ。体外实验发现,UCP2基因重组入酵母菌中,可使线粒体膜上的电位差降低,合成ATP的耦联率降低,表明UCP2具有解耦联活性。同时,UCP2-/-小鼠胰岛β细胞ATP水平高于对照组,脂肪酸、ATP/ADP低于野生型小鼠[3]。

  2.2 调节机体糖及脂肪酸的代谢。糖尿病心肌细胞存在严重的糖脂代谢紊乱,由于胰岛素缺乏和(或)胰岛素抵抗使心肌细胞利用葡萄糖氧化来提供的能量减少,从利用葡萄糖和脂肪酸供能转变为几乎全部通过脂肪酸β氧化提供能量[4]。研究发现用长链脂肪酸作用于培养的初生大鼠心肌细胞,可以诱导编码脂肪酸转运及β氧化蛋白的基因表达,并且发现这一作用主要是通过激活过氧化物酶体增殖物受体α(PPAR-α)[5]。而PPAR-α(-/-)的db/db小鼠心肌UCP2的表达显著下调,用PPAR-α的特异性激动剂WY-14,643处理野生小鼠后,心肌UCP2上调,说明UCP2可以通过PPAR-α依赖性及非依赖性通路调节UCP2的表达;而PPAR-α(-/-)的链脲佐菌素(STZ)小鼠心肌UCP2的表达水平未发生变化。大量体内外的实验均发现血浆游离脂肪酸β氧化增高时可上调UCP2在棕色脂肪组织(BAT)、WAT、心肌和胰岛细胞中的表达。运动后及禁食状态下,血糖水平下降而血浆游离脂肪酸增加,鼠和人骨骼肌中UCP2表达出现上调。这些研究提示UCP2可能参与调控脂肪酸转运入线粒体,增加脂肪供能所占的比例。

  2.3 抑制线粒体活性氧簇(ROS)的产生。线粒体跨膜电位在一定范围内与ROS生成呈正相关。由于UCP2对质子的通透性可降低ΔμH+,因而UCP2含量或活性的改变可以调控ROS的生成量。UCP2基因敲除鼠可完全抵抗弓形虫感染,其巨噬细胞的自由基产量比野生型高80%,提示UCP2能限制自由基的产生。Echtay等[8]认为UCP2可将超氧阴离子从基质转运至内外膜间隙,再通过歧化酶或辅酶Q(CoQ)等抗氧化物质的作用或质子化作用将其清除。此过程中线粒体呼吸产生的大量ROS通过UCP2转运至膜外,这可能是由于ROS的过度生成而致的反馈反应。

  2.4 抑制胰岛素分泌。免疫组织化学和免疫印迹技术证实UCP2表达于胰岛β细胞上,由甾醇调节因子结合蛋白1c(SREBP-1c)、过氧化物酶体增殖物受体γ(PPAR-γ)、PPAR-α调节其表达。近年来研究发现,UCP2是胰岛素分泌的负性调节因子。高糖或高非酯化脂肪酸会激活上述因子,进而使得UCP2的过表达或激活,抑制葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS),从而促进糖尿病的发生。

  研究发现,5周龄的ob/ob小鼠胰岛细胞UCP2的表达上调,但其空腹血糖、甘油三酯、非酯化脂肪酸正常;8周龄时,在UCP2表达上调的同时,其空腹血糖、甘油三酯、非酯化脂肪酸水平也升高。同时体外实验证实短期内(48h)抑制UCP2表达没有改善胰岛素的分泌,而UCP2缺失的ob/ob小鼠,其胰岛素分泌和胰岛素抵抗明显改善。说明,UCP2与胰岛素的作用呈时间依赖性。同时UCP2基因敲除小鼠胰岛的体外培养显示,胰岛素对葡萄糖的反应性增加。UCP2基因敲除小鼠体内胰岛素和葡萄糖的比值增加,杂合型(UCP2+/-)鼠的胰岛素分泌能力介于野生型(UCP2+/+)和基因敲除型(UCP2-/-)之间[1]。同时,siPPARα干扰的胰岛β细胞UCP2-/-后随着葡萄糖浓度的增加GSIS明显降低,当血糖达16.5mmol/l时软质酸刺激不会引起GSIS增加[18]。

  2.5 UCP2与细胞凋亡。体外实验证实,UCP2过表达可以减少氧化应激诱导的心肌细胞凋亡数,降低caspase3的活性,抑制Ca2+超载,使ROS的生成、跨膜电位的损失减少,起到心肌保护作用。UCP2可以部分抑制因结扎胸主动脉所致肥厚心肌细胞的凋亡。UCP2-/-小鼠与野生组比较胰岛β细胞的凋亡较高。向脑室内注射TNF-a可以诱导下丘脑UCP2的表达,但是应用反义寡核苷酸抑制UCP2表达后,TNF-a的损伤作用增强,UCP2对Bax的抑制作用完全消失。

  3. UCP2与糖尿病心肌病变

  与野生型小鼠比较,db/db心肌UCP2的表达上调(37%),血浆游离脂肪酸增加(58%),血糖增加(248%),胰岛素增加(310%);而STZ建模后6周SEVE129小鼠心肌UCP2的表达未发生变化,血浆游离脂肪酸增加(96%),血糖增加(99%),胰岛素降低(50%);但是体外实验证实,UCP2过表达可以减少氧化应激诱导的心肌细胞凋亡数,降低caspase3的活性,抑制Ca2+超载,使ROS的生成、跨膜电位的损失减少,起到心肌保护作用。糖尿病心肌病变的发生也与氧自由基、Ca2+超载、心肌细胞凋亡密切相关,同时Cai等用链脲佐菌素诱导的糖尿病小鼠研究也显示,糖尿病增加了心肌细胞的凋亡,同时线粒体细胞色素c释放和caspase-3活性增加,而高糖环境下培养的心肌细胞研究也显示,高血糖不仅增加了细胞凋亡的发生,也增加了线粒体细胞色素c释放和caspase-3活性,UCP2也可能对糖尿病心肌病变起同样的作用。

  4.展望

  众所周知,糖尿病引起的高血糖,高游离脂肪酸,氧化应激最终导致心肌病变,包括心肌细胞凋亡、心肌细胞肥大、心肌纤维化、心肌灶状坏死等。而目前研究表明,UCP2上调可以通过调节线粒体的功能,抑制活性氧族及线粒体Ca2+超载诱导的心肌细胞凋亡,抑制caspase3的活性。但也有研究表明STZ建立糖尿病模型6周后,心肌细胞UCP2的表达未发生变化。那么,UCP2对糖尿病心肌病变的作用如何,是否与STZ的剂量有关,是否存在时间的依赖性,有待进一步研究。而本实验研究的内容正是在此基础上,研究UCP2对不同时间节点糖尿病小鼠心肌细胞凋亡的作用。同时,糖尿病可以通过不同的机制诱导心肌细胞凋亡,如:线粒体通路、内质网应激、膜通路、P53、心肌干细胞受损等,UCP2作用的具体机制如何,是否与内质网应激有关,还是通过caspase3这个凋亡最后通路起作用,还有待进一步研究。

【参考文献】
   [1] Fleary C,Neverova M,Collins S,et al.Uncoupling protein2:a novel gene linked toobesity and hyperinsulinemia.Nat Genet,1997,15:269-272.

  [2] Jezek P,Urbankova E.Specific sequence of motifs of mitochondrial uncoupling proteins [J].IUBMB Life,2000,49:63-70.

  [3] Zhang CY,Baffy G,Perret P,et al.Uncoupling protein-2 negatively regulates insulin secretion and is a major link between obesity,beta cell dysfunction,and type 2 diabetes,Cell 2001,105:745-755.

  [4] Belke DD,Larsen TS,Gibbs EM,et al.Altered metabolism causes cardiac dysfunction in perfused hearts from diabetic (db/ db) mice.Am.J.Physiol,2000,279:E1104-E1113.

  [5] vander Lee KA,Vork MM,de Vries JE,et al.Long chain fatty acid induced changes in gene expression in neonatal cardiac myocytes.J Lipid Res,2000,41:41-47.

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