UCP1 是唯一在褐色脂肪组织(BAT)中表达的解偶联蛋白质。 有别于解偶联蛋白家族其他成员的功能, UCP1 的主要功能是参与 BAT 的产热调节和能量代谢来维持机体的能量代谢平衡。陆续有研究阐明调控 UCP1参与BAT产热调节和能量代谢的分子机制, 逐渐揭示了 UCP1 在 BAT 能量代谢过程中涉及的信号通路与转录调控。这不仅让我们更好地理解 UCP1 在 BAT 能量代谢调控中的重要作用,而且为基于褐色脂肪组织的肥胖治疗提供了理论依据。本文阐述了近年来研究发现的 UCP1 在 BAT 能量代谢过程中发挥重要作用的信号通路与转录调控,并讨论了多种基于针对褐色脂肪组织的肥胖治疗手段的有效性与可行性。 UCP1 is the only one expression of uncoupling protein in the brown adipose tissue (BAT). Different from the uncoupling protein family other member functions, UCP1’s main function is to participate thermogenic regulation and energy metabolism in BAT to maintain the body’s energy metabolic balance. In succession studies clarify regulation UCP1 participate heat production regulation and energy metabolism molecular mechanism in BAT, gradually reveals the UCP1 inBAT energy metabolic process involved in the signal path and transcription regulation. This not only let us better understand UCP1 inBAT energy metabolism control of the important role, but based on brown adipose tissue obesity treatment provides a theoretical basis. This paper describes the research in recent years UCP1 found in BAT energy metabolism process play an important role in the signal path and transcription regulation, and discussed based on various for brown adipose tissue obesity treatment of the effectiveness and feasibility.
肥胖症是当今全人类健康所面临的严重威胁[
解偶联蛋白(UCPs)是分布于线粒体内膜上的一类产热蛋白[
Aquila et al.(1985)研究指出UCP1的一级结构由306个氨基酸残基构成,具有6个由α-螺旋构成的疏水环的过渡区域。UCP1分子的末端位于线粒体内膜的外表面,并且具有一个核苷酸结合位点。最近,有人深入地研究了UCP1分子上核苷酸结合位点的结构状况,结果表明,UCP1的核苷酸结合位点可能位于由UCP1分子构成的一个亲水通道上[
定向位点突变常用来检验UCP1的功能结构。在细菌表达系统、重组哺乳动物细胞株或酵母菌表达系统得到UCP1,在此基础上进行其功能结构的研究。位于83、182、276位点的Arg残基位于穿膜域的α-螺旋结构处。这些实验数据支持了膜上具有核苷酸结合的口袋结构。对UCP1进行氨基酸测序发现有一段序列与ADP/ATP载体非常相似。随后又发现这一区域与田鼠UCP1的261~269位的氨基酸残基相对应,这段区域被认为是核苷酸结合位点和α-螺旋结构。与这种假设一致的是267~269位的氨基酸缺失仍然可以组成一种UCP。这种UCP可以被脂肪酸激活,但不能被核苷酸抑制。核苷酸与UCP1的结合极易受pH值的影响。所以pH值被认为是调节褐色脂肪细胞UCP1的机制之一。
生物的生存适应是现代生理生态学研究的重要领域之一,动物在冷环境下的适应性产热及其调节机理研究更是当前生理生态学研究的热点之一。对大多数哺乳动物来说,出生时的非颤抖性产热(NST)是一个相当重要的过程。NST的主要来源是BAT,其产热能力主要取决于其线粒体内膜上UCPs的含量。UCPs在啮齿类动物冷暴露期间、冬眠动物觉醒期间以及在大多数哺乳动物的新生儿(包括人类婴幼儿)体内尤其活跃,它的发现揭示了哺乳动物抵御寒冷和调节体温的一种类型的机制(图1)。
BAT线粒体的解偶联状态被解释为内膜对质子及离子的通透性,这与UCP1有关。对线粒体呼吸的研究表明:去除非脂化脂肪酸或是提供核苷酸可以保
图1. UCP1产热机制模型图(朱莉平,2003)
证重建偶联呼吸及UCP1受到抑制。关于UCPl活性的调节,大部分的究者认为它的行为受核苷酸的抑制和受非脂化脂肪酸的激活。对UCP1的氨基酸序列分析表明,UCP1的第三域(C-末端)内与ADP/ATP载体具有很强的同源性,也是线粒体内膜质子载体族的成员。而且UCP1除了可以运输质子外,还具有阴离子运输能力。
现在关于UCP1的解偶联行为和脂肪酸的作用共提出了两种假设:
1) Klingenberg提出的模型:UCP1确实是转运质子的载体,而脂肪酸则是提供众多的羧基,使得转运成为可能,或是更有效。2) Garlid提出的:此理论涉及到了脂肪酸在内膜的循环,而UCP1保证了阴离子的运输。在脂肪酸循环模型中,脂肪酸对于质子流通及解偶联活动是必需的。然而,在没有脂肪酸的条件下仍然可以观测到UCP1介导的解偶联。说明在没有进行脂肪酸循环时,质子通道仍然是开启的。线粒体呼吸的数据表明就算是清蛋白与脂肪酸相结合了,线粒体仍处于解偶联状态。清蛋白转运脂肪酸的功能被提出置问,因此,现在假设用不可交换的脂肪酸来解释BAT线粒体UCP1的解偶联活性。然而,这又与重组实验相矛盾,即重组系中的UCP1的解偶联活性需要较高浓度的脂肪酸。而且脂肪酸循环模型还包括脂肪酸池和膜磷脂的平衡作用。在酵母菌重组系统中,UCP1可以促进线粒体质子泄露,这并不受脂肪酸的影响。当线粒体膜两侧的势能差达到一定程度时,UCP1可以促进质子回流,可以诱导不受脂肪酸激活的解偶联呼吸。对于脂肪酸在UCP1解偶联活动中的作用的研究有两个不同层次的研究:线粒体中的UCP1和重组体中的UCP1。在线粒体中发现了脂肪酸(FA)对H+转运的激活,但是对其在解偶联中的作用还不能下定论。关于脂肪酸对解偶联活动的激活作用在科研界中引起了热烈的讨论。但是所进行的一系列研究活动都是在细胞外进行的,其结构及生理活性与在体内的情况是不同的,所以所得出的一些结论只能作为UCP1在体内生理活性的推论。UCP1对脂肪酸的分子结构要求比较宽松。但是GDP和DTP可以抑制脂肪酸与UCP1的结合。科研者们同时也对不同条件下UCP1解偶联活动所需要的脂肪酸浓度作了大量的工作。在BAT线粒体的UCP1解偶联活动的激活需要脂肪酸(Kl/2)为90 nM[
UCP1基因水平的调节在UCP1含量和BAT产热调节中起着决定作用,是BAT产热生理调节的中心[
Miroux et al.(1992)在E. coli中表达出大白鼠UCP1分子。表达产物经过纯化后,能结合到线粒体内膜上;并且证明了第258和279号氨基酸残基位于线粒体内膜的基质一侧,第255和273号氨基酸残基位于线粒体基质中的结论。位于线粒体基质一侧的组氨酸145和147很可能构成H+的转运通道,而且H+
图2. UCP1活性的机理模型;H+转运和脂肪酸的 参与(朱莉平,2003)
泄漏通道部分在转运H+时还与游离脂肪酸分子中的羧基有关。如果Arg83和Arg182发生突变,则使UCP1分子几乎完全失去与核苷酸结合的功能,质子传导功能也完全受到抑制。Arg276突变后,UCP1分子仍然具有与核苷酸结合的功能,但是完全失去抑制质子传导的功能;如果删除267~269位氨基酸残基,UCP1分子丧失与核苷酸结合的能力[
采用转基因小白鼠对UCP1基因的精细结构研究结果表明,在5’-端有一个3 kb的DNA区域具有抑制冷诱导UCP1基因转录的功能,因此在5’-端的–3和–1.2 kb区域内可能有一个控制UCP1基因转录的功能序列,而且在转录起始位点处可能有一个–2.8 kb的上游序列,该上游序列具有对cAMP反应的特征[
低温或交感神经释放的去甲肾上腺素(NE)是激活BAT细胞UCPl合成增加的主要生理信号[
UCP1基因可能在白色脂肪组织细胞中异位表达[
UCP1合成强烈受到转录水平的调节。cAMP是激活UCP1基因转录的主要激活剂[
除NE外,啮齿类动物UCP1的合成还需要其他激素,如三典甲状腺原氨酸(3,3’5-triiodothyronine, T3)(图4)、Leptin蛋白、胰岛素、糖皮质激素、皮质酮等的影响[
图3. 低温和过食对UCP1参与BAT产热的影响(Collins et al., 1997)
图4. 三典甲状腺原氨酸(T3)对产热的影响(Searpace et al., 1997)
Leptin是脂肪细胞中特有的一种蛋白质,是肥胖基因的产物,它作用于下丘脑,调节个体能量平衡,在调节动物整体能量代谢消耗中具有重要的意义[
Yoshitomi-H et al.(1998)用特异性β3-肾上腺素受体拮抗剂(CL316,243)慢性处理BAT,导致UCP1,UCP2和UCP3 mRNA表达分别增加14,6和16倍。在WAT中,UCP1和UCP3 mRNA表达分别增加12倍和9倍,但UCP2 mRNA表达却没有变化。UCP2和UCP3 mRNA表达在骨骼肌和心脏中剧烈下降。尤其是骨骼肌中UCP3 mRNA表达水平降低至对照小鼠的10%,表明UCPs mRNA表达受组织特异性调节。血浆中胰岛素和循环FFA浓度也显著降低,表明与骨骼肌及心脏中的UCP2和UCP3 mRNA表达降低有关。BAT和WAT中UCP1及UCP3 mRNA表达主要受下丘脑通过交感神经系统控制,但胰岛素,FFA或两者都在骨骼肌和心脏中控制UCP2和UCP3 mRNA表达具有重要作用。
随着遗传易感性决定肥胖发生发展的理论获得普遍共识,近年来开展肥胖病因的遗传学研究倍受重视,迄今为止已发现有两百多个基因及多个染色体区域与肥胖相关。已知,解偶联蛋白家族(UCPs)是一类位于线粒体内膜上的基因,由于其参与BAT的能量代谢,因此其与肥胖发生发展的关系引起关注[
我们通常认为,当机体摄取的能量长期超过消耗时,多余的能量就会以脂肪的形式储存在身体内,久而久之造成肥胖(图5)。从能量平衡的角度看,通过增加产热、提高能量的消耗来减轻体重,不失为一种抵抗肥胖的手段[
图5. 体脂调节稳态模型(Speakman et al., 2011)
图6. 动物能量分配(Vickers et al., 2011)
具有耗散能量功能的BAT,研究人员就希望能够通过调节BAT的产热功能来治疗、预防肥胖及其相关疾病。归纳起来,有两种途径来增加BAT的总量和活性:一是通过小分子药物或者生长因子来刺激体内BAT的生长、分化和激活;二是通过体外诱导干细胞分化成褐色脂肪细胞,然后植入肥胖患者体内,从某种意义上说就是脂肪组织移植(图7)。
采用小分子药物或者生长因子来激活BAT的产热功能并非是不可能的。例如DNP是一种非特异性的线粒体氧化解偶联剂,它能够持续增加机体消耗能量,并且不会使机体产生耐受性[
图7. 两种利用褐色脂肪组织功能治疗肥胖的方法(姚旋等,2011)
通过移植BAT来增加机体能量的消耗,从而改善能量代谢的手段,也受到越来越多的关注。起初脂肪组织的移植是为了改善人们的面貌,满足人们的审美需求。后来,为了研究不同部位脂肪组织的分化来源与生物学功能,实验动物水平的脂肪组织移植技术得到越来越频繁的使用。如今,随着移植技术的日趋完善,人们寄希望于移植脂肪组织或细胞来防治疾病。这方面的研究涉及到褐色脂肪相关的细胞与组织,它们在移植方式、成功率等方面差别很大。可移植的细胞主要包括SVF(脂肪组织经过胶原酶消化后、去除成熟的脂肪细胞而得到的多种细胞混合物,包括脂肪前体细胞、成纤维细胞、血管细胞、血细胞和巨噬细胞)、脂肪前体细胞(一种间充质细胞,在合适的外界条件刺激下只会分化成脂肪细胞)和褐色脂肪细胞。在培养皿中长满的前体细胞、去分化的原代成熟脂肪细胞和SVF比完全分化的细胞或者成熟脂肪细胞更容易移植。移植的成功率还和移植部位的血管丰富程度有关,使用抗体抑制VEGF干扰血管功能会导致移植的脂肪组织无法存活。在大鼠中,小块BAT能够成功移植,相比之下,前体细胞或成熟褐色脂肪细胞移植后则不能存活[
关于药物与生长因子激活BAT和褐色脂肪移植都在实验动物水平积累了大量的研究结果,但是将这些理论应用在临床时仍需考虑一些因素。例如,人体内的BAT呈现出极大的年龄与个体差异。研究表明,随着年龄的增长,BAT呈现衰退的趋势。这一现象从某种程度上解释了中年肥胖发生的原因,但同时也为BAT激活来治疗肥胖带来难题[
从褐色脂肪定向分化关键因子BMP-7、PRDM16的发现和深入研究[
从技术上来说,BAT组织特异性表达Cre的工具鼠是阻碍研究进展的一大问题。虽然曾经有实验室构建出UCP1-Cre小鼠,但是由于种种原因,这种小鼠没有被广泛应用。不能在BAT中特异敲除待研究的基因,就很难阐明这些基因所发挥的作用,无法得到体内的研究成果。FABP4-Cre工具鼠虽能在BAT中敲除目的基因,但同时也可能在WAT中沉默目的基因。由于BAT和WAT在整体能量代谢过程中都存在重要作用,并且二者功能互相影响,因此所得到的基因敲除鼠即使出现某些表型,其原因也并不能完全归结于所敲除基因在BAT中的作用。
另外,目前小鼠的饲养方式也阻碍甚至误导了某些实验结论的推导。研究表明,小鼠的平衡温度是30℃,此时小鼠不需要适应性产热,形象地讲就是,在这个温度下小鼠不需要穿衣保暖。而目前小鼠的饲养环境温度是低于该温度的。在这种饲养温度下,UCP1被激活,BAT发挥适应性产热的功能。因此在这样的饲养温度下,所得到的基因敲除小鼠的表型通常不能单纯反映被敲除基因的功能。有些在BAT中确有功能的基因被敲除后,却没有明显的表型,也看不到UCP1被激活。这是因为在低于平衡温度的环境中,UCP1已经处于激活的状态。相反,有些对WAT的脂质生成具有重要作用的基因被敲除后,小鼠无法通过脂质积累维持体重;同时,BAT中的UCP1由于低温环境处于激活状态,导致小鼠能量代谢旺盛,引起实验动物体重减轻。这样的现象会导致研究者错误地认为该基因可以激活BAT产热作用。另外,由于个体差异(如被毛的密度、运动能力等),小鼠等实验动物对寒冷的抵御能力也不一样,UCP1被激活的需求也不尽相同。因此,BAT中UCP1被激活很有可能是体重或体脂改变的反映,而不是引发体重或体脂改变的原因。如果将实验小鼠的饲养环境的温度提高至30℃,可以避免环境温度因素对BAT功能研究中产生的干扰。
从研究所涉及的分子机制来看,目前对UCP1的研究主要还是围绕着信号通路和转录调控,尚未广泛接触其它一些新兴研究领域,比如RNA编辑、选择性剪切、非编码RNA、DNA甲基化修饰和组蛋白修饰等。我们相信在未来的几年里,UCP1的研究将在这些新兴研究领域有所突破。借助当今日新月异的生物技术,我们对褐色脂肪细胞分化与代谢的调控机制会越来越清楚,利用BAT来抵御和治疗肥胖将不再是梦想。
对于解偶联蛋白的研究已经进行了几十年。自从Lin et al.(1980)首次将解偶联蛋白(后来定名为UCP1)从仓鼠BAT中纯化出来以后,小型哺乳动物的产热特征研究就进入了分子水平阶段,国外许多学者对UCP1的分子结构特征进行了大量的研究。但主要来自实验啮齿动物或人类,野生动物的研究却很少,尤其是国内关于野生动物UCPs的研究罕见,仅见王政昆等(1996)综述了中缅树鼩BAT产热特征;Liu et al.(1998)报道了采用Northern印迹法测定冷驯化下长爪沙鼠UCP1 mRNA的变化;刘永明等(1999)就解偶联蛋白基因–3826多态性与其mRNA表达相关性进行了研究;张武先(2001),朱莉萍(2003),张逊(2005),王颖(2007)对中缅树鼩UCP1进行了研究;关于UCP1的分离纯化方法在国内的研究也十分罕见,仅见张武先等(2001)在Lin et al.(l980)从啮齿类中纯化UCP1的方法基础上,成功地从中缅树鼩褐色脂肪组织中分离和纯化出了UCP1。
由以上研究结果可见,由于UCPs的功能与产热能力紧密相关,以及与肥胖症和Ⅱ型糖尿病等密切相关,因而成为目前研究个体和细胞能量代谢调节的前沿,同时也能促进从分子水平角度来探讨影响产热能力的各种因素及症状发生的分子水平原因,也对阐明动物受低温环境胁迫时的适应能力、适应模式及其进化途径具有重要的意义。在哺乳类动物细胞中,能量以热的形式消耗掉,是由于细胞线粒体的呼吸链和氧化磷酸化系统解偶联,降低呼吸过程中产生的质子梯度,这就是所谓的质子泄漏问题。但大多数的研究都集中在啮齿目和灵长目这两类动物,还应该再在其更多的物种身上进行比较研究,无论是个体水平、细胞水平,还是分子水平,这都会更加迅速地推进UCPs与其产热机制的研究,同时,在不同环境因子作用下UCPs与其产热机制的变化,也是一个值得深入研究的问题。
现在己知UCP1序列的哺乳动物中,BAT UCP1的同源性非常高,达到99%以上。从其他类型UCP的同源性来,人的UCP2基因与鼠UCP2同源性约为95%,鱼UCP2与人UCP2基因同源性为59%,小鼠UCP3基因与人约85.6%同源表明在进化地位或起源上越是接近的种类,其同型UCP的氨基酸序列同源性越高。中缅树鼩BAT UCP1分子量与人,大鼠,小鼠非常近似。从蛋白质分子量上进行粗略地比较,中缅树的BAT UCP1似乎与啮齿类更为接近。作为同一类型,并且功能相同的蛋白质,中缅树鼩BAT UCP1一级结构的功能序列也可能与其他哺乳动物BAT UCP1可能非常接近。至于一级结构全序列同源性还有待于对中缅树的BAT UCP1氨基酸序列及相关基因序列进一步研究。对氨基酸序列同源性进行研究,能为树鼩科动物在系统演化或进化树上的定位提供意义重大的数据,也为长期以来人们对树鼩科动物究竟应该归为食虫类,啮齿类,还是灵长类提供一个非常确凿的分子生物学证据。因此,进一步对中缅树鼩UCP1蛋白质的一级结构,空间晶体结构,核酸序列,基因结构,甚至在核苷酸突变、UCP1基因人工去除等方面进行深入研究,将为树鼩科动物及相关类目动物的系统学分类提供更为有力的分子生物学证据。
感谢国家自然科学基金项目(No. 31071925),云南省应用基础研究面上项目(No. 2011FZ082)的支持,感谢云南师范大学生命科学学院生理生态研究室所有老师和同学的帮助。
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