ucp与内皮细胞凋亡相关性的研究进展.doc

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UCP2与细胞凋亡
施宏华, 孙雅文 审阅: 李稻
上海交通大学医学院 病理生理学教研室 05级硕士 (上海, 25)
【摘要】
解偶联蛋白2 (uncoupling protein 2, UCP2)是线粒体内膜上一个蛋白, 基因定位于11号染色体上 (11q13)上, 基因全长8.4 k b, 有8个外显子。它对线粒体质子泵（proton pump）有调整作用。它调整能够从多个路径减缓, 甚至抑制细胞凋亡（apoptosis）和线粒体损伤。其原因是UCP2能够降低△Ψm（线粒体跨膜电位）改变, 降低了线粒体Ca2+沉积和活性氧类（reactive oxygen species, ROS）产生, 降低线粒体通透性转换孔（permeability transition pore, PTP）开放和细胞色素C释放。另外, UCP2还能抑制一些原因对NF-κB通路系统激活, 从而阻止细胞凋亡。

【关键词】细胞凋亡 UCP2 LPC ROS △Ψm

UCP2是线粒体内膜上一个质子转运蛋白。当它被激活时候, 能够产生质子渗漏, 降低线粒体在呼吸时形成H+梯度, 使氧化磷酸化解偶联, ATP合成降低, 造成细胞代谢中能量以钠泵路径消耗和以热能形式释放出来[1]。所以, 该质子转运蛋白被称为解偶联蛋白(uncoupling proteins, UCPs)。多年来, 大家研究发觉, UCP2参与能量代谢、 活性氧产生、 子宫内膜退化、 衰老等过程。而且, UCP2与非乙醇性脂肪肝、 动脉粥样硬化、 局部缺血、 缺血再灌注损伤、 抗肥胖以及2型糖尿病等存在着亲密关联性, 尤其与细胞凋亡相关作用引发大家广泛重视[2]。
1．UCPs结构与功效
UCPs其本质是线粒体内膜上H+通道, 能影响线粒体跨膜电位（△Ψm）。UCPs占整个线粒体蛋白6％～8％, 占膜蛋白14％。UCPs含有转运质子活性, 能引发质子经线粒体内膜回漏增加, 使合成ATP所依靠线粒体质子跨膜梯度降低, 造成ADP磷酸化合成ATP效率下降, 氧化与磷酸化解偶联。现在, 已发觉UCPs有5个亚型: UCP1、 UCP2、 UCP3、 UCP4和UCP5[3]。
1．1 UCP2基因定位与分子结构
UCPs共同特征是每个单体含有6个跨膜域, 由二聚体发挥转运功效。UCPs在氨基酸组成上含有一定程度同源性。比如, UCP2与UCP1和UCP4分别存在55%和33%同源性, 而与UCP3同源性高达73%。UCPs表示于不一样组织细胞, 其发挥作用也不尽相同。
UCP2由309个氨基酸组成, 分子量33218。人UCP2基因定位于11号染色体上 (11q13)上, 基因全长8.4 kb, 有8个外显子[4]。成年人体内UCP2分布比较广泛, 如心、 肾、 骨骼肌、 白色脂肪组织以及脾、 淋巴结等处。
1．2 UCP2 作用原理
Echtay等人认为超氧化物与UCP2相互作用可能是线粒体内活性氧浓度降低机制, 并提出两种模式: 一个模式是超氧化物可经过别构效应激活质子转运机制进而增强质子传输; 另一个模式是UCP2可将内、 外源性产生超氧阴离子从基质转运到内外膜间隙（有研究认为UCP2属于阴离子转运载体）, 再经过抗氧化损伤物歧化酶或辅酶Q（CoQ）等作用或质子传输作用将超氧阴离子清除[5、 6]。在此过程中线粒体呼吸产生大量活性氧也可经过UCP2转运到膜外, 这可能是因为活性氧过分生成而造成反馈反应。
1．3 UCP2对氧化磷酸化调控
氧化磷酸化就是将还原型烟酰胺嘌呤二核苷酸（NADH）和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（FA- DH2）经过氧化呼吸链电子传输合成ATP过程。Brand等人提出UCP2调控氧化磷酸化和ATP合成机制可能以下: 在静息时, 质子关键经过UCP2介导跨膜内流降低质子电化学势能梯度（△mH+）, 以限制平静时机体对能量需求。当机体对能量需求快速增加时, ADP水平升高, 质子经过F0-F1ATP合成酶转运增强, 使△mH+降低。高△mH+水平是UCP2介导质子转运驱动力。所以, 当△mH+降低即可使UCP2通道作用关闭, 方便提升和维持较高△mH+。△mH+储存能量能经过F0-F1ATP合成酶将ADP磷酸化转化为ATP。此时ATP合成快速增加而无需增加燃料代谢和线粒体呼吸, 这一假说是以大量燃料在静息时浪费为代价[7]。Hong等人研究也发觉, 当降低细胞内ADP/O比率和增强细胞呼吸作用, UCP2过分表示将有利于降低线粒体氧化耦联和磷酸化作用[8]。
2．UCP2对细胞凋亡影响
细胞凋亡（apoptosis）是细胞内预存死亡程序被开启, 其中线粒体路径是一个非常关键通路系统。线粒体内外膜之间通透性转运孔（mitochondrial permeability transition pore, MPT）开放, 可使线粒体膜通透性增加、 线粒体肿胀、 △Ym下降。线粒体膜通透性增加和稳定性破坏使细胞色素C等因子释放入胞浆[9], 继而引发细胞凋亡。UCP2作为线粒体内膜上蛋白, 含有抑制MPT开放, 阻止线粒体路径细胞凋亡发生。
2．1 抑制ROS产生
活性氧分子（reactive oxygen species, ROS）是指一类化学性质活泼含氧物质。在生物体内ROS不停经过非酶反应与酶反应产生, 天天约有1％～3％摄入氧转变为超氧阴离子及其活性衍生物。所以, 在生理情况下, 因为抗氧化酶及抗氧化剂协同作用下, ROS可维持在极低水平。不过在一些病理情况下（如糖尿病, 动脉硬化, 局部缺血-再灌注损伤等）, ROS产生增多或被清除减弱, 从而造成对机体损伤。所以, 当线粒体内膜电势升高, ROS产生增加时, 因为UCP2含有很高质子转运活性, 能使质子直接进入基质而不参与ATP合成, 结果造成储存在质子电化学势能中自由能以热能形式被消耗, 降低了△mH+, 从而也抑制ROS生成。比如, UCP2能够经过降低ROS预防心肌细胞或神经细胞凋亡[9]。相反, 当质子顺着电化学梯度很快经过线粒体内膜时, 因为电子传输比率是有限, 所以在线粒体呼吸链氧化还原过程中就会产生大量ROS[10]。尽管, 早先研究已经发觉位于线粒体内膜上UCPs可部分降低△Ψm, 但最近试验深入证实, UCP2能够经过降低△Ψm和增加电子传输比率来降低ROS产生。而且, 局部解偶联能够降低线粒体内NADH／NAD比率, 为脱氢酶提供更多NAD, 加紧底物氧化, 使底物氧化还原反应过程中产生ROS降低。所以, 当细胞内ROS增加时, UCP2表示随之出现上调, 所以UCPs对于细胞和组织来说是有利, UCP2表示可降低了ROS形成和阻止细胞凋亡发生[8、 11] 。
2．2 LPC与亚油酸对UCP2调控
试验研究证实, 过氧化氢酶（Catalase）、 尿酸和过硫酸盐在细胞内被清除时, 胞内DCF荧光标识亚油酸和LPC有所增加。在细胞内亚油酸和LCP可刺激ROS产生, 并激活氧化还原敏感转录因子, 如NF-κB 和AP-1[12]。同时, 亚油酸和LCP增加也将带来过氧化氢和亚硝酸盐产物增加[13]。另外, LCP和亚油酸引发线粒体Ca2+沉积, 线粒体膜出现临时超极化（伴伴随去极化）, 降低氧消耗量和促进细胞色素C释放, 造成细胞凋亡。最近研究发觉, LCP和亚油酸也能上调UCP2基因表示, 使细胞线粒体中UCP2含量增加。UCP2高表示可抑制caspase活性和LCP与亚油酸相关细胞凋亡, 并预防LCP诱导产生受损血管内皮舒张[10]。相反, 抑制内源性UCP2表示, 可增强亚油酸和LCP诱导casepase活化和细胞凋亡。另外, 用腺病毒将UCP2基因转染细胞后, 细胞线粒体上UCP2表示增加同时, 可显著地抑制ROS产生, 抑制NF-κB活性和ET-1mRNA表示, 以及增强eNOS转录。
在人类UCP2基因转录起始部位开启子区域中, 包含结合AP-1[14、 9]。这一发觉也有力地证实, UCP2基因转录是受到细胞内ROS和AP-1激活程度相关。Paradis等人类似研究表明, LPC和亚油酸能够使UCP2 mRNA转录增加三倍。然而, 这个增加可能并不能抵消LPC/亚油酸所引发ROS增加。只有, 当UCP2过分表示到足够强时, 才能压制LCP和亚油酸诱导所引发ROS增加, 反之则不能够完全压制ROS产生[15]。与这个理论相一致是, 最新试验证实, 在多数组织中存在过氧化物活化UCP家族[16]。所以, 能够设想ROS诱导UCP2是抵消细胞内氧化压代偿机制。
2．3 阻止△Ψm下降
现在已知, UCP2过表示可反馈性抑制LPC和亚油酸诱导内皮细胞凋亡和caspase活化[17]。另外, 试验证实, 采取iRNA技术抑制细胞内UCP2表示, 可增强LPC和亚油酸诱导caspase活化和细胞凋亡。Kashemsant等人提出, UCP2过表示阻止细胞凋亡路径可能与抑制了由LPC和亚油酸引发△Ψm下降和降低了线粒体内Ca2+沉积, 进而使ROS产生, PTP开放和细胞色素C释放降低。
在细胞中, LPC和亚油酸能够引发线粒体瞬时超极化, 并伴伴随△Ψm下降。△Ψm下降可显示出线粒体内Ca2+蓄积程度。众所周知, △Ψm降低是凋亡细胞一个标志, 现有些人提出△Ψm显著下降是早期细胞死亡先决表现[18]。UCP2降低△Ψm是一个最基础机制来预防一系列造成细胞凋亡反应。
2．4 阻止线粒体内[Ca2+]超载
△Ψm下降被证实是限制了线粒体内Ca2+沉积[12]。线粒体内Ca2+沉积与ROS产生是相互联络在一起[16, 17], 而且造成了线粒体细胞色素C和别分子渗透率增加, 最终经过发动链级反应造成细胞死亡。UCP2能够降低由LPC和亚油酸引发△Ψm改变和降低了线粒体内Ca2+蓄积, 以及ROS产生、 PTP开放和细胞色素C释放降低。这也表明UCP2保护细胞是与抑制线粒体Ca2+过载相关。
另外, LCP和亚油酸可激活人动脉内皮细胞NF-κB通路系统, 从而诱导细胞凋亡。所以, UCP2高表示可抑制内皮细胞内NF-κB活化[12]。
3． 展望
UCP2在很多关键疾病中作为潜在诊疗目标吸引了大家越来越多关注。众多研究表明, UCP2在调整ROS、 抑制细胞死亡中相关键作用。最近有些人证实, UCP2在人结肠癌细胞中有显著增加, 而且癌细胞恶化程度与UPC2含量成正比关系。由此可见, 癌症细胞内UCP2可能作为一个自适应工具, 降低氧化压力, 从而抵御细胞凋亡[19]。所以, 尽管UCP2对氧化呼吸链调整可能对细胞代谢有一定作用, 但其在抗细胞凋亡过程中作用研究和其调控基因发觉将有利于肿瘤疾病防治。

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