UCP基因多態性與2型糖尿病視網膜病變的相關性研究進展

劉永瑩(綜述)，楊　瑩(審校)

(云南省第二人民醫院內分泌科，昆明 650032)

?

UCP基因多態性與2型糖尿病視網膜病變的相關性研究進展

劉永瑩△(綜述)，楊瑩※(審校)

(云南省第二人民醫院內分泌科，昆明 650032)

摘要：糖尿病視網膜病變(DR)的發生、發展與糖尿病的病程、血糖水平、血脂水平及氧化應激損傷密切相關。解偶聯蛋白(UCP)是一類線粒體內膜蛋白，在維持體溫、能量代謝、脂肪酸代謝及氧化應激損傷等生理過程中發揮重要作用。UCP基因多態性可導致UCP功能異常，使胰島素、非酯化脂肪酸和活性氧類調節紊亂，促進DR的發生、發展。該文綜述了UCP的生理學功能、UCP基因多態性與DR相關性的研究進展，為闡明DR的發病機制提供了依據。

關鍵詞：糖尿病視網膜病變；解偶聯蛋白；氧化應激

糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy,DR)是糖尿病嚴重并發癥之一，可造成視力受損和失明，在眼底病變中居首位[1]。DR的發生、發展與糖尿病的病程、血糖水平、血脂水平及氧化應激損傷密切相關[2]。解偶聯蛋白(uncoupling protein,UCP)屬于線粒體載體超家族，是一類位于線粒體內膜上的載體。已知的UCP有5類，分別是UCP1、UCP2、UCP3、UCP4和UCP5。UCP1主要存在于棕脂肪組織中，在胰腺中也有部分表達，其基因定位于染色體4q31，全長13 kb，共6個外顯子；UCP2分布廣泛，在胰島β細胞、骨骼肌和心肌等組織中均有表達；UCP3主要位于骨骼肌中，UCP2和UCP3的基因均定位于染色體11q13，長分別有615 kb和817 kb，亦有6個編碼外顯子，5′端還有非編碼外顯子；UCP4和UCP5主要位于腦組織中，其基因定位于染色體6p11及2q12[3]。除UCP4和UCP5外，UCP1、UCP2和UCP3在DR發病中或多或少均發揮了作用。現就UCP基因多態性與DR的相關性研究進展予以綜述。

1UCP的生理學功能

UCP將氫離子從線粒體內膜外側轉運至線粒體基質上，消除了線粒體內膜兩側的跨膜質子梯度差，減緩了氧化磷酸化過程，使腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)合成轉化為熱能。

1.1控制產熱、維持體溫UCP通過介導氫離子轉運，使能量轉化為熱量，從而維持機體體溫。其中發揮作用的主要是UCP1，UCP1多位于棕脂肪組織中，在寒冷和食物誘導的熱量產生中發揮作用。研究表明，UCP1基因剔除的小鼠無法在寒冷中維持體溫[4]，但剔除UCP2和UCP3的小鼠在寒冷中卻可以維持正常體溫，提示UCP1是維持體溫的主要蛋白[5]。

1.2調節活性氧類(reactive oxygen species,ROS)的產生線粒體產生能量的同時也產生ROS，大部分ROS在氧代謝的電子傳遞鏈過程中產生。在正常條件下，大部分的質子梯度差主要用于合成ATP，僅0.1%左右會生成ROS，UCP通過消除質子梯度差從而抑制ROS的產生[6]。研究表明，UCP2表達增加的同時可增加氧的消耗以及減少ROS的產生[7]。Vidal-Puig等[8]發現，與野生型小鼠相比，剔除了UCP3小鼠的線粒體中可檢測到更多的ROS，提示UCP2、UCP3對ROS產生具有重要調節作用，其抑制調控可能是一種反饋抑制機制。

1.3調節能量平衡及脂肪酸氧化研究表明，UCP在機體能量代謝中發揮作用，在饑餓狀態下，UCP1基因表達下降，而肌肉中UCP2和UCP3基因表達增加，同時可見機體代謝率降低[9]。另有實驗表明，UCP與脂肪酸代謝有密切關系，高脂飲食可提高脂肪組織中UCP1、UCP2以及骨骼肌中UCP3的表達水平，而β氧化增強時，UCP2和UCP3的表達增加，而其機制可能與UCP運輸脂肪酸作用相關[10]，提示UCP2和UCP3在調節能量平衡和脂肪酸代謝中具有重要作用。

1.4調節ATP的產生速度在靜息狀態下，ATP利用少，腺苷二磷酸(adenosine diphosphate,ADP)水平低，與ATP合成酶偶聯的質子轉運低，因此，UCP介導的質子轉運增加，使線粒體跨膜質子濃度差減小，氧化磷酸化過程減慢，ATP生成減少，而能量轉換為熱量增多[6]。當機體ATP的利用增加時，ADP水平增高，造成UCP介導的質子轉運降低，從而使大部分質子與ATP合成酶偶聯，ATP合成增加[11]，其中UCP2和UCP3發揮主要功能。

1.5調節體質量研究表明，UCP1和UCP3在白色脂肪組織和骨骼肌中過度表達能使肥胖者的體質量減輕[12]。Emilsson等[13]報道，相比較纖瘦的大鼠，肥胖大鼠的棕脂肪、白脂肪及骨骼肌中UCP2、UCP3的表達水平要低2～3倍，提示肥胖的發生與UCPs的差異表達有關。

2UCP與DR的關系

2.1對胰島素的調節Bordone等[14]通過β細胞株發現，UCP2表達增加能抑制高葡萄糖刺激誘導的ATP水平增加，而ATP/ADP比值增高是刺激胰島β細胞分泌胰島素的重要偶聯信號；ATP/ADP比值增高可使β細胞線粒體內膜上ATP敏感的鉀離子通道關閉，鈣離子通道開放，而鈣離子內流可促進分泌胰島素；UCP通過調控ATP合成，從而調控胰島素分泌。在1型糖尿病動物模型及2 型糖尿病患者中，均檢測到UCP2和UCP3的表達水平升高[15]。Affourtit和Brancl[16]證實，胰島細胞中UCP2 表達增加，胰島素分泌被抑制，而剔除UCP2后，胰島素分泌正常，動物血糖水平降低。

2.2對非酯化脂肪酸及ROS的調節UCP對轉運非酯化脂肪酸和脂肪酸過氧化氫物均有作用，從而減少ROS產生；同時，UCP通過解偶聯作用，降低了電化學質子濃度梯度，從而抑制了ROS生成，特別是UCP2可減輕ROS對細胞的損傷，對細胞組織有保護作用[5]。

3UCP基因多態性與DR的關系

UCP基因多態性導致UCP表達水平變化，從而引起氧化應激、脂肪代謝及胰島素分泌一系列內環境紊亂，導致DR的發生。

3.1UCP1多態性與DRBrondani等[17]調查了153例1型糖尿病DR患者中UCP1 -3826A/G多態性發現，G/G基因型角膜UCP1的表達量比A/A攜帶者高2倍，表明UCP1 -3826G/G 基因型是DR的易患因素。

3.2UCP2多態性與DRBrondani等[18]報道UCP2的多態性主要包括：5′端上游啟動子區-866 G/A 變異、外顯子2 G/A 變異、外顯子4 C/T變異、外顯子8非翻譯區的45 bp和3 bp 的ins/del變異，而外顯子2G/A、3 bp的ins/del變異極為罕見。

3.2.1Ala55Val及-866 G/A多態性Ala55Val (rs660339)定位于UCP2的第4外顯子，該位點堿基的變化可導致編碼氨基酸的改變(丙氨酸-纈氨酸)；UCP2基因-866G/A(rs659366)定位于UCP2啟動子區，該位點堿基的差異可改變轉錄因子PAX6 (配對盒因子6)的結合，而該轉錄因子調控基因可能與胰腺發育、β細胞功能相關[19]。UCP2基因Ala55Val的變異與2型糖尿病有重要關系，Yu等[20]研究發現,黑人中UCP2基因Ala55Val基因型者糖尿病發病率更高。Palmer等[21]通過限制性片段長度多態性聚合酶鏈反應發現，攜帶UCP2 -866 AA/GA基因型的糖尿病心肌梗死患者比-866 AA/GG基因型的對照患者，具有更高的髓過氧化物酶水平和更差的生存率。Jia等[22]通過對大鼠的胰島β細胞研究發現，UCP2基因的-866 G/A的A等位基因可增高UCP2基因的轉錄活性。還有研究者也報道了攜帶-866A等位基因的非糖尿病患者靜脈或口服葡萄糖時胰島素的分泌減少，從而增加2型糖尿病及并發癥的發病風險[23]。與攜帶G等位基因患者相比，攜帶A等位基因的2型糖尿病患者的葡萄糖耐量試驗胰島素分泌明顯降低；此外，A等位基因攜帶者有較高腰圍/臀圍比率，且血漿中氧化應激標志物水平升高，導致代謝綜合征的發病風險增高，從而更易誘導DR的發生[24]。但聞杰[25]通過薈萃分析發現，-866 G/A及Ala55Val多態性沒有明顯相關性。另有學者指出，巴西人UCP2基因的A val ins/A val ins單倍體(-866/A、Ala55Val和ins/del多態性)可增加2型糖尿病患者及DR患者并發增生性DR的風險[26]。

3.2.28號外顯子的45 bp ins/del位點多態性Walder等[15]在檢測UCP2基因序列時發現，8號外顯子3′非翻譯區45 bp的ins/del雜合子比純合子24 h靜息代謝率更高，而當ins/del雜合子位于3′非翻譯區下游150 bp處時,沒有明顯區別，提示ins/del基因多態性的位置可能會影響UCP2信使RNA的穩定性。而馮曉朋等[3]的研究發現，糖尿病患者中,UCP2基因8號外顯子3′非翻譯區45 bp ins/del基因多態性與中國人2型糖尿病并發視網膜病變無關。

3.3UCP3多態性與DRArgyropoulos等[27]的研究發現，美國黑人和Mende部落成員中存在UCP3基因G304A和6號外顯子剪接位點的多態性，且6號外顯子突變者的基礎脂肪氧化比下降了50%，說明UCP3與基礎代謝密切相關，但在高加索人群中未發現同類現象。但楊玉芝等[28]的研究卻提示，UCP3基因G304A多態性與中國人DR無明顯關系，說明UCP3的多態性存在地域差異，且與DR的關系也不盡相同。

4小結

UCPs作為一類線粒體轉運蛋白，在調節產熱、能量代謝、脂肪酸代謝及氧化應激損傷中發揮重要作用，其主要生理學功能決定了UCPs在DR發病中必然具有重要作用。UCPs多態性可能造成UCPs表達或蛋白結構發生異常，導致疾病發生發展，并且可能具有可遺傳性。雖然大量研究工作已經為UCPs多態性在DR中的作用機制提供依據，但尚有許多領域仍不為人知，而其作用機制的闡明對于糖尿病和并發癥的早期預警將具有重大意義，值得深入研究。

參考文獻

[1]Zhao C,Wang W,Xu D,etal.Insulin and risk of diabetic retinopathy in patients with type 2 diabetes mellitus:data from a meta-analysis of seven cohort studies[J].Diagn Pathol，2014,9:130.

[2]任珉.2型糖尿病視網膜病變的危險因素和易感基因研究[D].天津：天津醫科大學，2011.

[3]馮曉朋,謝建新.解耦連蛋白在2型糖尿病及其并發癥中作用[J].中華實用診斷與治療雜志,2013,27(6):526-527.

[4]Grimpo K,V?lker MN,Heppe EN,etal.Brown adipose tissue dynamics in wild-type and UCP1-knockout mice:in vivo insights with magnetic resonance[J].J Lipid Res，2014,55(3):398-409.

[5]Crane JD,Mottillo EP,Farncombe TH,etal.A standardized infrared imaging technique that specifically detects UCP1-mediated thermogenesis in vivo[J].Mol Metab,2014,3(4):490-494.

[6]Akhmedov AT,Rybin V,Marín-García J.Mitochondrial oxidative metabolism and uncoupling proteins in the failing heart[J].Heart Fail Rev，2015,20(2):227-249.

[7]Teshima Y,Akao M,Jones SP,etal.Uncoupling protein-2 overexpression inhibits mitochondrial death pathway in cardiomyocytes[J].Circ Res，2003,93(3):192-200.

[8]Vidal-Puig AJ,Grujic D,Zhang CY,etal.Energy metabolism in uncoupling protein 3 gene knockout mice[J].J Biol Chem,2000,275(21):16258-16266.

[9]Toda C,Diano S.Mitochondrial UCP2 in the central regulation of metabolism[J].Best Pract Res Clin Endocrinol Metab，2014,28(5):757-764.

[10]Wu B,Feng YH,Liu CB,etal.Effects of repeated fasting/refeeding on lipid metabolism and uncoupling proteins expression in rats[J].Zhongguo Ying Yong Sheng Li Xue Za Zhi，2013,29(4):363-367.

[11]Liu J,Li J,Li WJ,etal.The role of uncoupling proteins in diabetes mellitus[J].J Diabetes Res,2013,2013:585897.

[12]Erlanson-Albertsson C.The role of uncoupling proteins in the regulation of metabolism[J].Acta Physiol Scand,2003,178(4):405-412.

[13]Emilsson V,Summers RJ,Hamilton S,etal.The effects of the beta3-adrenoceptor agonist BRL 35135 on UCP isoform mRNA expression[J].Biochem Biophys Res Commun,1998,252(2):450-454.

[14]Bordone L,Motta MC,Picard F,etal.Sirt1 regulates insulin secretion by repressing UCP2 in pancreatic beta cells[J].PLoS Biol,2006,4(2):e31.

[15]Walder K,Norman RA,Hanson RL,etal.Association between uncoupling protein polymorphisms (UCP2-UCP3) and energy metabolism/obesity in Pima indians[J].Hum Mol Genet,1998,7(9):1431-1435.

[16]Affourtit C,Brand MD.On the role of uncoupling protein-2 in pancreatic beta cells[J].Biochim Biophys Acta,2008,1777(7/8):973-979.

[17]Brondani LA,de Souza BM,Duarte GC,etal.The UCP1 -3826A/G polymorphism is associated with diabetic retinopathy and increased UCP1 and MnSOD2 gene expression in human retina[J].Invest Ophthalmol Vis Sci,2012,53(12):7449-7457.

[18]Brondani LA,Assmann TS,de Souza BM,etal.Meta-analysis reveals the association of common variants in the uncoupling protein (UCP) 1-3 genes with body mass index variability[J].PLoS One,2014,9(5):e96411.

[19]Krempler F,Esterbauer H,Weitgasser R,etal.A functional polymorphism in the promoter of UCP2 enhances obesity risk but educes type 2 diabetes risk in obese middle-aged humans[J].Diabetes,2002,51(11):3331-3335.

[20]Yu X,Jacobs DR Jr,Schreiner PJ,etal.The uncoupling protein 2 Ala55Val polymorphism is associated with diabetes mellitus:the CARDIA study[J].Clin Chem,2005,51(8):1451-1456.

[21]Palmer BR,Devereaux CL,Dhamrait SS,etal.The common G-866A polymorphism of the UCP2 gene and survival in diabetic patients following myocardial infarction[J].Cardiovasc Diabetol,2009,8:31.

[22]Jia JJ,Zhang X,Ge CR,etal.The polymorphisms of UCP2 and UCP3 genes associated with fat metabolism,obesity and diabetes[J].Obes Rev,2009,10(5):519-526.

[23]D′Adamo M,Perego L,Cardellini M,etal.The -866A/A genotype in the promoter of the human uncoupling protein 2 gene is associated with insulin resistance and increased risk of type 2 diabetes[J].Diabetes,2004,53(7):1905-1910.

[24]Wang S,Se YM,Liu ZQ，etal.Effect of genetic polymorphism of UCP2-866 G/A on repaglinide response in Chinese patients with type 2 diabetes[J].Pharmazie,2012,67(1):74-79.

[25]聞杰.UCP2基因多態與2型糖尿病和肥胖的關聯研究及Meta分析[D].武漢：華中師范大學，2013.

[26]Crispim D,Fagundes NJ,dos Santos KG,etal.Polymorphisms of the UCP2 gene are associated with proliferative diabetic retinopathy in patients with diabetes mellitus[J].Clin Endocrinol(Oxf),2010,72(5):612-619.

[27]Argyropoulos G,Brown AM,Willi SM,etal.Effects of mutations in the human uncoupling protein 3 gene on the respiratory quotient and fat oxidation in severe obesity and type 2 diabetes[J].J Clin Invest,1998,102(7):1345-1351.

[28]楊玉芝,李賢厚,馮琨,等.UCP 3基因多態性與DR關系的研究[J].放射免疫學雜志,2007,20 (4):362-364.

Study Progress of Correlation between UCP Polymorphism and Type 2 Diabetic RetinopathyLIUYong-ying,YANGYing.(DepartmentofEndocrinology,theSecondPeople′sHospitalofYunnanProvince,Kunming650032,China)

Abstract：The occurrence and development of diabetic retinopathy(DR) are closely associated with duration of diabetes,blood sugar levels,blood lipid level and oxidative stress injury.Uncoupling protein(UCP) is a class of carrier,locating in mitochondrial inner membrane.UCP plays an important role in maintaining body temperature,energy metabolism,fatty acid metabolism,oxidative stress injury,and so on.The polymorphism of gene UCP can damage its function,which further results in disturbances of the regulation of insulin,free fatty acids and Reactive oxygen species and DR onset and progress in the end.Here reviews the functions of UCP and the research progress of the relationship between UCP gene polymorphism and DR,in order to provide the basic evidence for the clarification of DR pathogenesis.

Key words:Diabetic retinopathy； Uncoupling protein； Oxidative stress

收稿日期：2014-09-22修回日期：2014-12-31編輯：鄭雪

基金項目：國家自然科學基金(81260135)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.13.042

中圖分類號：R587.2

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)13-2412-03