解偶聯(lián)蛋白2在呼吸系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展*

楊曉東 趙晨旭 王琳琳 劉麗云

佳木斯大學(xué)附屬第一醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，黑龍江省佳木斯市 154002

解偶聯(lián)蛋白2(Uncoupling protein 2，UCP2)是廣泛分布于人類(lèi)及嚙齒類(lèi)動(dòng)物脂肪、肺、腦、胃腸道、脾和胰腺等器官組織線粒體內(nèi)膜上的陽(yáng)離子載體蛋白，其主要的生理作用是將線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)，調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng)及糖脂代謝等。UCP2參與了多種疾病的病理生理過(guò)程，使機(jī)體免受氧化應(yīng)激損傷，發(fā)揮組織器官保護(hù)的作用。

1 UCP2的基因定位與分布

UCP2是Fleury等[1]于1997年發(fā)現(xiàn)并克隆的一種“新型”解偶聯(lián)蛋白，由309個(gè)氨基酸殘基組成，相對(duì)分子量約為32kD，基因定位于人的第11號(hào)染色體上。其與 UCP1的基因序列高度同源，約有59%的一致性。UCP2分布廣泛，在人類(lèi)及嚙齒類(lèi)動(dòng)物的脂肪、肺、腦、胃腸道、脾和胰腺等各組織器官線粒體內(nèi)膜上均有分布[2]。由此，對(duì)于UCP2的研究近年來(lái)日益增多，已經(jīng)有學(xué)者研究證實(shí)在減少胰島素分泌、調(diào)節(jié)脂肪酸代謝、抗神經(jīng)元凋亡等方面UCP2均發(fā)揮了作用，其還能限制活性氧的產(chǎn)生、參與巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的免疫應(yīng)答和炎癥過(guò)程[3]。

2 UCP2的主要生理功能

UCP2可將呼吸鏈氧化過(guò)程與磷酸化過(guò)程解偶聯(lián)，其通過(guò)介導(dǎo)“質(zhì)子漏”(即降低跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度，限制ATP合成，導(dǎo)致能量以熱的形式消耗掉)使線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子梯度降低，進(jìn)而使活性氧簇(Reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生減少、氧化應(yīng)激反應(yīng)減輕[4]。需氧真核細(xì)胞抗氧化防御的首要條件是抑制線粒體ROS的產(chǎn)生，其效果優(yōu)于消除已經(jīng)形成的反應(yīng)性自由基。研究表明UCP2可通過(guò)調(diào)節(jié)活性氧的產(chǎn)生以幫助機(jī)體完成“溫和的解偶聯(lián)”過(guò)程，而溫和的解偶聯(lián)對(duì)機(jī)體具有天然保護(hù)作用。因此，誘導(dǎo)UCP2過(guò)表達(dá)能減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)，抑制氧化損傷。另外，線粒體ROS產(chǎn)生的局部反饋回路中也有UCP2的參與控制。基于此兩點(diǎn)，調(diào)控UCP2的表達(dá)被廣泛用于干預(yù)癌癥、動(dòng)脈粥樣硬化、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等與氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)疾病的實(shí)驗(yàn)中，這或許可以成為減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)的新靶點(diǎn)，作為控制相關(guān)疾病進(jìn)展的新方法而被廣泛應(yīng)用于臨床工作之中[5]。UCP2在調(diào)節(jié)糖脂代謝方面也發(fā)揮著重要作用[6]。在調(diào)控血糖方面，UCP2不但能通過(guò)介導(dǎo)質(zhì)子漏干擾胰島 β 細(xì)胞ATP合成，還能通過(guò)調(diào)節(jié)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體信號(hào)通路基因表達(dá)等途徑改善胰島素敏感性[7]，這使得糖尿病的治療途徑在未來(lái)將更加多元化。在脂代謝調(diào)節(jié)方面，一項(xiàng)UCP2-866G/A基因多態(tài)性作用對(duì)血脂影響的研究將血脂調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)的定位于基因?qū)用妗６谶@之前已經(jīng)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)非酒精性脂肪肝內(nèi)UCP2的表達(dá)量增加，為臨床治療提供了重要的理論依據(jù)。

3 UCP2與呼吸系統(tǒng)疾病

3.1 UCP2與肺癌 肺癌是人類(lèi)亟須攻克的一大難題，腫瘤細(xì)胞因具有生長(zhǎng)迅速和侵襲轉(zhuǎn)移能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在諸多限制條件如缺氧、氧化應(yīng)激、宿主免疫攻擊等情況下仍進(jìn)展快速，這一過(guò)程需要大量的能量消耗。UCP2作為人體能量主要來(lái)源的線粒體內(nèi)膜上的陽(yáng)離子載體蛋白，近年來(lái)越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)其與腫瘤進(jìn)程的關(guān)系密切。已有研究發(fā)現(xiàn)在不同腫瘤中均有UCP2的過(guò)表達(dá)，其不但可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞有氧糖酵解，還可靶向作用于p53，通過(guò)抑制ROS系統(tǒng)逆轉(zhuǎn)由 p53發(fā)起的凋亡信號(hào)，避免腫瘤細(xì)胞受到過(guò)多ROS損害。一項(xiàng)通過(guò)氨基甲酸乙酯誘發(fā)小鼠肺癌的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，肺癌的形成與小鼠肺中UCP2高表達(dá)相關(guān)，且多劑量氨基甲酸乙酯誘導(dǎo)的小鼠在第一劑量氨基甲酸乙酯誘導(dǎo)后接受UCP2高選擇性抑制劑京尼平治療能降低腫瘤發(fā)生率。線粒體功能異常是腫瘤生長(zhǎng)的重要因素，通過(guò)抑制UCP2的過(guò)表達(dá)來(lái)限制線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)或許可以部分逆轉(zhuǎn)腫瘤形成，成為肺癌防治的新方法[8]。在肺癌的生長(zhǎng)方面，UCP2也發(fā)揮了重要作用。腫瘤細(xì)胞的迅速增殖需要消耗大量能量，故與非腫瘤細(xì)胞相比其更容易受線粒體鈣超載的影響。但其發(fā)展出一種聰明的平衡策略，在滿足線粒體Ca2+攝取需求的同時(shí)還能保護(hù)自身免受鈣超載影響。其主要機(jī)制是通過(guò)控制蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶1(PRMT1)甲基化降低線粒體Ca2+攝取敏感性以抵消鈣超載，同時(shí)腫瘤細(xì)胞線粒體UCP2在PRMT1驅(qū)動(dòng)甲基化下使線粒體Ca2+攝取正常化，確保線粒體Ca2+足量攝取以維持腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)[9]。總之，適量的線粒體Ca2+攝取是腫瘤生長(zhǎng)的必要條件。有研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)合高表達(dá)UCP2和PRMT1能提高肺癌細(xì)胞活性和增殖能力，降低肺癌患者總體生存率[10]。因此，控制UCP2的表達(dá)，靶向調(diào)節(jié)線粒體Ca2+攝取或許可以有效抑制肺癌細(xì)胞活性和增殖，并誘發(fā)其受鈣超載影響而損傷。若能打破肺癌細(xì)胞的“平衡策略”，或許將能更好地實(shí)現(xiàn)肺癌的個(gè)體化治療。此外，在UCP2與肺癌分型相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn)，肺腺癌中UCP2的表達(dá)高于鱗狀細(xì)胞肺癌，證實(shí)不同分型的肺癌細(xì)胞中UCP2表達(dá)程度也有所不同[11]，這與Sayeed A等人發(fā)現(xiàn)的UCP2水平與腫瘤的分型密切相關(guān)的結(jié)果一致。在肺癌的治療方面，UCP2被發(fā)現(xiàn)既能影響化療藥物紫杉醇誘導(dǎo)的活性氧產(chǎn)生，還能調(diào)節(jié)肺癌細(xì)胞對(duì)紫杉醇治療的敏感性。在化療耐藥性上UCP2也發(fā)揮作用。研究發(fā)現(xiàn)缺氧的非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞對(duì)化療的敏感性降低，這是由于缺氧通過(guò)介導(dǎo)缺氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)抑制過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)從而下調(diào)UCP2，而UCP2的下調(diào)導(dǎo)致其對(duì)ROS的抑制的作用降低，促進(jìn)藥物外排而導(dǎo)致化療耐藥[12]。對(duì)于接受順鉑化療的晚期肺癌患者，癌細(xì)胞UCP2低表達(dá)預(yù)示著化療反應(yīng)差，生存率低。UCP2低表達(dá)可能通過(guò)ROS介導(dǎo)的Nrf2穩(wěn)定和藥物外排轉(zhuǎn)運(yùn)體ABCG2在NSCLC細(xì)胞中的上調(diào)而促進(jìn)藥物外排導(dǎo)致順鉑耐藥。而活性氧清除劑N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)下調(diào)缺氧細(xì)胞中Nrf2和ABCG2的表達(dá)，提高了細(xì)胞對(duì)順鉑的敏感性。由此，UCP2作為缺氧誘導(dǎo)非小細(xì)胞肺癌化療耐藥的關(guān)鍵介質(zhì)，或許可在難治性非小細(xì)胞肺癌的治療中發(fā)揮潛在的靶向作用，為降低肺癌化療耐藥性提供新思路。

3.2 UCP2與肺動(dòng)脈高壓 肺動(dòng)脈高壓(PH)是發(fā)病機(jī)制復(fù)雜、預(yù)后極差的一類(lèi)疾病，其發(fā)病率逐年上升，嚴(yán)重危害人類(lèi)的健康。多種因素共同參與影響PH的病理發(fā)展過(guò)程，包括氧化應(yīng)激反應(yīng)、內(nèi)皮功能障礙、離子通道異常開(kāi)閉、免疫反應(yīng)等[13]。其中氧化應(yīng)激反應(yīng)的參與使UCP2和PH的相關(guān)性研究成為近年來(lái)的熱點(diǎn)。Dromparis在2013年首次闡明UCP2在肺動(dòng)脈高壓血管重建中的作用。發(fā)現(xiàn)敲除UCP2基因的小鼠可自發(fā)形成肺血管重構(gòu)和肺動(dòng)脈高壓，這歸因于UCP2具有將鈣從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體并抑制線粒體功能，減少活性氧的產(chǎn)生及減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)的作用。在PH的發(fā)生中，缺氧能直接抑制線粒體葡萄糖氧化，降低線粒體鈣水平使內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激能間接抑制線粒體葡萄糖氧化，二者均能促進(jìn)肺血管重構(gòu)。此外，敲除UCP2基因的小鼠呈現(xiàn)假缺氧狀態(tài)，在抑制線粒體葡萄糖氧化使肺血管重構(gòu)的同時(shí)還能激活HIF-1，令慢性缺氧不會(huì)進(jìn)一步加重，這或許在一定程度上還起到肺血管保護(hù)效果。綜上，UCP2在延緩肺血管重構(gòu)和肺動(dòng)脈高壓進(jìn)展方面具有極為重要的作用。另一研究發(fā)現(xiàn)，在間歇性缺氧(IH)誘導(dǎo)形成PH的模型中，UCP2基因敲除的小鼠肺動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的有絲分裂能力增強(qiáng)、線粒體生物合成不足、內(nèi)皮細(xì)胞凋亡增加。而使用靶向作用于內(nèi)皮細(xì)胞的慢病毒沉默RNA影響UCP2基因敲除的小鼠可預(yù)防IH誘導(dǎo)的PH發(fā)生，足以見(jiàn)得UCP2對(duì)于預(yù)防PH具有顯著的作用[14]。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，其通過(guò)慢性持續(xù)低氧誘導(dǎo)建立小鼠PH模型發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組小鼠肺組織內(nèi)UCP2水平隨著低氧時(shí)間延長(zhǎng)而增加，UCP2代償性增加能部分阻止肺血管重構(gòu)，但不足以與持續(xù)低氧導(dǎo)致的肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增生相對(duì)抗。因此肺組織內(nèi)代償性的UCP2水平升高雖然能延緩PH的進(jìn)程，但仍然不能達(dá)到阻止其發(fā)展的效果。由此推論，如果能在肺動(dòng)脈高壓早期通過(guò)靶向干預(yù)及時(shí)增強(qiáng)UCP2的表達(dá)，或許可以延緩甚至逆轉(zhuǎn)PH的進(jìn)展，這將成為治療PH的有利條件，為臨床治療PH提供又一新思路[15]。

3.3 UCP2與急性肺損傷 急性肺損傷(Acute lung injury, ALI)是常見(jiàn)的臨床危重癥，全身失控性炎癥反應(yīng)是其發(fā)生發(fā)展的重要原因。急性肺損傷后，外周的炎癥細(xì)胞聚集于肺組織并大量釋放炎癥因子，引起炎癥瀑布反應(yīng)，損傷肺泡—血管屏障，加重肺水腫和通氣/血流比例失衡[16]，一系列復(fù)雜的病理特征導(dǎo)致目前對(duì)ALI有效的治療手段依然相對(duì)匱乏，欲降低其死亡率仍是一個(gè)難題。近年來(lái)對(duì)UCP2的不斷深入研究發(fā)現(xiàn)其與急性肺損傷有著緊密聯(lián)系。有學(xué)者通過(guò)建立高氧相關(guān)性肺損傷(HALI)動(dòng)物模型模擬了UCP2在高濃度吸氧引起急性肺損傷的發(fā)病過(guò)程中所發(fā)揮的作用。其實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在高氧暴露1h的小鼠肺組織中發(fā)生線粒體突變，ROS產(chǎn)生短暫性上升，引起肺內(nèi)一系列氧化應(yīng)激反應(yīng)發(fā)生，促成急性肺損傷。同時(shí)，大量產(chǎn)生的ROS增強(qiáng)了小鼠肺泡巨噬細(xì)胞的促炎活性，誘導(dǎo)UCP2在小鼠巨噬細(xì)胞中高表達(dá)，使線粒體膜電位(ΔΨm)下降，減少了線粒體超氧化物的產(chǎn)生，反過(guò)來(lái)又對(duì)高氧性肺損傷小鼠細(xì)胞內(nèi)不適當(dāng)?shù)拇傺装Y激活起到限制作用，使其發(fā)生適應(yīng)性抗氧化反應(yīng)。另一項(xiàng)通過(guò)在小鼠氣管內(nèi)注射脂多糖(LPS)誘導(dǎo)建立小鼠急性肺損傷模型的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，肺組織內(nèi)UCP2的表達(dá)最初被抑制，隨著內(nèi)源性糖蛋白錫鈣素-1(STC1)不斷升高，UCP2水平上調(diào)。高表達(dá)的UCP2減輕了氧化應(yīng)激反應(yīng)并發(fā)揮抗炎抗損傷作用。此外，該實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對(duì)小鼠氣管外源性注射STC1能抑制炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)、誘導(dǎo)抗氧化和抗凋亡機(jī)制，有效對(duì)抗LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷，驗(yàn)證了外源性重組人STC1對(duì)急性肺損傷的保護(hù)作用，而UCP2作為STC1發(fā)揮作用的重要媒介，調(diào)控其表達(dá)對(duì)治療急性肺損傷同樣具有潛在臨床應(yīng)用價(jià)值，或許能填補(bǔ)急性肺損傷治療的部分空白[17]。然而，國(guó)內(nèi)一項(xiàng)研究結(jié)果與此完全相反，其發(fā)現(xiàn)在LPS誘導(dǎo)的小鼠急性肺損傷模型中UCP2的表達(dá)顯著增高，但過(guò)表達(dá)的UCP2 加重了肺組織病理改變、增加炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)和肺組織出血，促進(jìn)肺水腫并降低急性肺損傷小鼠的存活率，這一機(jī)制可能與UCP2激活JNK、p38 MAPK、NF-κB信號(hào)通路并釋放炎癥因子使肺組織發(fā)生炎癥損傷、促進(jìn)肺泡上皮細(xì)胞凋亡有關(guān)。最近另有一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)LPS誘導(dǎo)的急性肺損傷小鼠肺組織內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化應(yīng)激反應(yīng)，使線粒體功能障礙、ΔΨm下降及ATP合成減少，UCP2 mRNA低表達(dá)，這又與之前的幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所不同[18]。總之，UCP2在ALI中的作用不容忽視，但其具體作用及機(jī)制尚存在爭(zhēng)議，有待進(jìn)一步探究。

3.4 UCP2與其他呼吸系統(tǒng)疾病 近年來(lái)發(fā)現(xiàn)UCP2還廣泛參與到其他呼吸系統(tǒng)疾病中。一項(xiàng)臨床實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(OSAS)患者UCP2水平變化發(fā)現(xiàn)，OSAS可引起UCP2高表達(dá)，其機(jī)制可能是OSAS患者睡眠中發(fā)生類(lèi)似“心肌缺血—再灌注損傷”的反復(fù)低氧—再恢復(fù)過(guò)程，產(chǎn)生大量ROS促進(jìn)氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致UCP2反饋式增加。特發(fā)性肺纖維化(IPF)與UCP2的關(guān)系也受到關(guān)注，有學(xué)者指出臨床病程進(jìn)展快的老年IPF患者肺成纖維細(xì)胞UCP2表達(dá)明顯高于病程進(jìn)展慢的患者。其機(jī)制是衰老導(dǎo)致線粒體功能障礙引起活性氧過(guò)度產(chǎn)生，UCP2反應(yīng)性上調(diào)以達(dá)到抗氧化、維持穩(wěn)態(tài)的作用。在博萊霉素誘導(dǎo)形成肺纖維化的老年小鼠模型中，纖維形成高峰后通過(guò)氣道給予UCP2 siRNA可減少組織膠原從而改善肺結(jié)構(gòu)。這一研究使UCP2用于靶向治療IPF成為可能[19]。

綜上所述，UCP2與呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展之間存在緊密聯(lián)系，但目前對(duì)UCP2及呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)性的研究，尤以慢性阻塞性肺疾病、支氣管哮喘和肺炎等罕見(jiàn)報(bào)道，尚有待進(jìn)一步探索。不難發(fā)現(xiàn)關(guān)于UCP2在呼吸系統(tǒng)疾病中的作用及機(jī)制將成為今后的一大研究熱點(diǎn)并為呼吸系統(tǒng)疾病的治療注入強(qiáng)有力的新鮮血液。