UCP2/SIRT3信號通路與氧化應激在疾病中的作用

楊雨鳴 王淑英

(1佳木斯大學基礎醫學院,黑龍江 佳木斯 154000;2黑龍江省微生物-免疫調節網絡與相關疾病重點實驗室)

氧化應激是指在內外環境發生變化時,機體內氧化系統與抗氧化系統間的動態平衡被破壞,導致活性氧(ROS)過量產生的病理狀態〔1〕。氧化應激是多種疾病發生發展過程中的重要病理環節,多種信號通路參與介導氧化應激的病理機制,細胞能通過協調各種信號通路,消散氧化應激反應的不利影響,以維持自身的穩定狀態。因此,在疾病的研究過程中,應當具備整體思路,深入了解有關信號通路在病程進展中的作用,為藥物的針對性治療提供理論基礎,本文對VCP2/SIRT3信號通路與氧化應激在疾病中的作用進行綜述。

1 解耦聯蛋白(UCP)

線粒體載體蛋白是物質交換的結構基礎,氨基酸、糖脂化合物和無機鹽等物質通過載體蛋白在細胞胞質與線粒體基質間流動,有利于維持線粒體結構和功能的穩定狀態及細胞自身代謝的正常進行〔2〕。UCP是線粒體載體蛋白的重要組成部分,參與介導細胞氧化磷酸化(OXPHOS)進程中的質子轉運,在調節能量代謝和ROS產生方面發揮作用〔3〕。UCP可直接將質子由線粒體內膜轉運至線粒體基質,使氧化和磷酸化過程解除耦聯,三磷酸腺苷(ATP)的產生減少,能量轉以熱能形式釋放〔4〕。目前,哺乳動物體內共發現6種不同亞型的UCP,包括最早被發現的UCP1及其同系物UCP2-UCP6,其各自分布部位有所差異:UCP1特異性存在于棕色脂肪組織,作用于非戰栗產熱;UCP2在不同器官中均有廣泛表達;UCP3在骨骼肌中可見較高表達,其在心臟中亦有少量分布;UCP4和UCP5主要分布在神經組織中,對神經元的可塑性和存活發揮調節作用;UCP6則較多表達于機體腎臟中〔5,6〕。

UCP2的廣泛分布為其功能的多樣性提供基礎〔7〕。UCP2參與調節基礎代謝、氧化應激反應和胰島素抵抗等多種生理和病理進程。ROS主要生成于線粒體,ROS產生與累積與氧化應激的發生和發展直接相關,過量的ROS會攻擊脂質和蛋白質等細胞成分,并阻礙細胞內信號轉導,造成細胞損傷〔8〕。UCP2通過多重機制的共同作用調控ROS生成,介導氧化應激反應:一方面,UCP2表達水平升高促進質子轉運至線粒體內膜,線粒體膜電位降低,OXPHOS反應解耦聯,ATP合成減少,氧化型輔酶Ⅰ水平上升,氧化反應加速進行,ROS產量減少〔9〕;另一方面,血氧供應不足時,細胞通過無氧呼吸供能,減輕線粒體內物質代謝產生的壓力,保護線粒體功能,間接減少ROS產生〔10〕。此外,UCP2和UCP3可以通過調節線粒體內Ca2+的攝取,減輕線粒體內膜壓力,維持線粒體的穩定狀態,減輕細胞損傷〔11〕。有研究表明〔12〕,經受相同缺血再灌注(I/R)損傷后,缺失UCP2小鼠比野生型小鼠的腦組織損傷更為嚴重,ROS水平顯著升高,線粒體腫脹更為嚴重,即UCP2通過減輕氧化應激損傷并維護線粒體穩態,發揮對I/R損傷神經元的保護作用。

2 去乙酰化酶(SIRTs)

SIRTs是具有NAD+依賴性的組蛋白去乙酰化酶家族,其在進化過程具有高度保守性,以NAD+為底物發揮去乙酰化活性〔13〕。包括ROS積累、慢性炎癥和早衰等體內多種病理活動都與SIRT的調控有關。目前發現,SIRTs包括SIRT1～7共7個成員,其各自在亞細胞定位和調控機制上有所差異〔14〕。

SIRT3主要存在于線粒體,對能量代謝和氧化應激具有調節作用,參與維持線粒體的穩定狀態〔15〕。SIRT3參與調節ATP合酶的活性,并通過去乙酰化的激活異檸檬酸脫氫酶(IDH2),IDH2以NADP+(氧化型輔酶Ⅱ)為反應輔助因子,是三羧酸循環中的關鍵酶,從而促進OXPHOS反應的進行并調節細胞能量代謝〔16,17〕。SIRT3通過去乙酰化激活部分酶的活性,如過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)2,兩者是抗氧化系統的重要成員,能夠通過將超氧化物轉化為過氧化氫,減輕細胞內氧化應激水平〔18〕。SIRT3通過去乙酰化提高線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ表達水平,加速電子傳遞,間接減少ROS產生〔19〕。此外,通過激活線粒體內膜融合蛋白(OPA)1,SIRT3參與維持線粒體融合/分裂的動態平衡,對維持線粒體結構和功能的相對穩定具有積極作用〔20〕。親環素D是線粒體通透性過渡孔(mPTP)的組分之一,SIRT3通過去乙酰化親環素D,關閉mPTP,阻礙胞質內離子和無機磷酸鹽進入線粒體,減輕線粒體內膜壓力,減少氧化應激損傷〔21〕。有研究表明〔22〕,缺血/再灌注(I/R)發生后,激活SIRT3,能顯著減輕氧葡萄糖剝奪/恢復(OGD/R)誘導的神經元損傷,有利于減輕線粒體損傷,減低氧化應激水平,減少神經元凋亡。因此,SIRT3可能是調控氧化應激,維持線粒體穩態,減輕細胞損傷的有效作用靶點。

3 UCP2/SIRT3信號通路與氧化應激

還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸與其氧化狀態(NADH)可以互相轉化,兩者參與機體各種生化反應,是能量代謝的必需輔酶〔23〕。UCP2參與介導質子直接轉運至線粒體內膜,而不經過OXPHOS過程,因此,ATP合成受阻,NAD+/NADH比值上升。此外,NAD+是多種信號通路的重要參與者,其下游因子通過接受NAD+的信號轉導,發揮對氧化應激和能量代謝的調節作用〔24〕。SIRT3去乙酰化活性的發揮具有依賴于NAD+的特性,能夠感知NAD+的水平變化,即當NAD+水平升高時,SIRT3酶活性顯著提高。UCP2通過使線粒體氧化和磷酸化反應解偶聯,減少ATP產生,提升NAD+/NADH比值,上調SIRT3活性。表面上看,這一過程未產生足量ATP為細胞供能,但在血氧供應不足的病理條件下,這一過程一方面能降低線粒體膜電位,直接減少ROS的產生,降低細胞內氧化應激水平,另一方面,也有利于激活位于SIRT3下游的SOD2和CAT等抗氧化酶,增強機體抗氧化系統防御能力,有效保護細胞,減少細胞損傷〔25〕。因此,UCP2/SIRT3信號通路在調節機體氧化應激方面發揮積極作用,不僅有利于線粒體穩態的維持,也對細胞適應外環境的動態變化具有重要意義。

4 UCP2/SIRT3信號通路與氧化應激在衰老相關疾病中的作用機制

氧化應激導致細胞損傷是多種衰老和年齡相關性疾病的共同病理進程。抗氧化系統防御能力減弱和以ROS為主的自由基在體內積聚,誘發氧化反應,直接損害脂質和蛋白質等細胞組分,細胞因子釋放,引發炎癥反應,進一步加重細胞損傷。SIRT3參與調節線粒體功能及細胞衰老的相關進程,煙酰胺單核苷酸(NMN)是NAD+的前體,NMN通過提高SIRT3活性,一方面使降低受損線粒體蛋白的乙酰化程度和ROS水平,另一方面,提高抗氧化劑SOD2活性,減輕氧化應激水平及腦組織缺血性損傷〔26〕。已有研究表明〔27〕,衰老過程中,氧化應激反應與神經元損傷與神經功能缺損的發生關系密切。缺血性腦卒中(IS)是由于血管堵塞使腦血流量急劇減少引起腦組織血氧供應障礙繼而導致神經組織損傷的一種臨床疾病,恢復血流灌注并減少I/R損傷能有效改善IS患者的預后〔28〕。有研究證實〔9〕,UCP2能通過感知NAD+水平,調節SIRT3活性,影響線粒體呼吸鏈并調節ATP和ROS的產生,這有利于減少氧化應激損傷,保護I/R損傷的神經元。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助因子(PGC)-1α是參與調節線粒體功能的主要因子之一,能提高抗氧化劑水平,減少ROS產生,提高缺氧狀態下神經元的代謝活性,改善慢性腦缺血小鼠認知缺陷〔29〕。Meng等〔30〕研究發現,絲氨酸蛋白酶能通過上調UCP2/SIRT3/PGC-1α信號通路降低I/R小鼠腦皮層線粒體損傷,有利于保護受損的神經元,此外,UCP2特異性抑制劑Genipin能通過UCP2/SIRT3/PGC-1α信號通路改善腦I/R損傷。星形膠質細胞是神經組織的組分之一,參與炎癥反應和神經損傷修復。缺氧條件下,斯鈣素(STC)-1低表達的星形膠質細胞通過降低SIRT3和UCP2并增加ROS水平抑制細胞活力,增加細胞凋亡,進一步研究表明,STC1的表達受低氧誘導因子(HIF)-1α的調節,即HIF-1α能通過調節UCP2和SIRT3水平,維持氧化應激水平,保護受缺氧損傷是星形膠質細胞〔31〕。

心臟和腦均是機體代謝率高、對血氧供應不足敏感的器官,UCP2/SIRT3信號通路在心肌損傷的進展中同樣發揮重要作用。瞬時受體電位香草酸亞型(TRPV)1是一種非特異性陽離子通道,對H+、Ca2+和Mg2+等離子具有通透性,參與調節血管功能和重塑〔32〕。研究表明〔33〕,慢性攝入辣椒素可能通過提高TRPV1活性,上調UCP2和SIRT3表達,降低氧化應激水平,減輕高鹽誘導的心肌細胞線粒體功能障礙,保護心肌細胞。耿爭光〔34〕實驗證明,上調UCP2能提高缺氧復氧(HR)損傷心肌細胞的存活率,且UCP2/SIRT3通路能夠通過減輕氧化應激、減少線粒體分裂并維護線粒體動態平衡發揮對損傷心肌細胞的保護作用。

5 UCP2/SIRT3信號通路與氧化應激在代謝相關疾病中的作用機制

心腦血管疾病的發生發展與糖類和脂類化合物代謝減慢并在血管內積聚有關,此外,非酒精性脂肪肝和糖尿病及其相關并發癥也是常見的以代謝障礙為特點的疾病。非酒精性脂肪肝以肝細胞內脂肪代謝紊亂為主要特征,脂質積累導致ROS蓄積,線粒體功能受損,最終加重肝臟組織氧化應激水平〔35〕。有研究顯示〔36〕,對高脂飲食誘導的非酒精性脂肪肝小鼠應用利拉魯肽能上調UCP2和SIRT3的表達水平,減少ROS產生,增加抗氧化酶活性,加強線粒體結構穩定性,顯著改善脂肪積聚誘導的肝細胞損傷。馬佳敏等〔37〕研究發現,枸杞多糖和有氧運動的聯合治療措施能使非酒精性脂肪肝大鼠肝臟內UCP2、SIRT3和錳超氧化物歧化酶(MnSOD)表達水平均提高,同時,聯合治療組大鼠糖脂代謝障礙、氧化應激和肝臟損傷得到明顯改善,其作用機制可能與UCP2/SIRT3通路有關。糖尿病是以血糖慢性升高為特征的常見代謝性疾病,線粒體功能障礙是糖尿病的重要標志之一。2型糖尿病(T2DM)的患病率遠高于1型,胰島素抵抗是其主要的發病機制〔38〕。Gounden等〔39〕研究證實了肝組織細胞中UCP2和SIRT3具有同向變化性及SIRT3和PGC-1α在氧化應激狀態下能增強抗氧化系統的防御能力,從而減輕高血糖環境對肝細胞的損傷。有研究表明〔40〕,在體外實驗中,辣木葉提取物能顯著提高高糖處理的肝臟細胞中的UCP2和SIRT3水平,提高線粒體復合物Ⅰ和Ⅳ的活性和數量,即辣木葉提取物能通過調節線粒體呼吸鏈及UCP2和SIRT3的表達水平改善線粒體功能障礙及胰島素敏感性,抑制ROS產生,減輕高糖環境對肝組織細胞的損傷。

肥胖是糖脂代謝障礙的常見表現,肥胖兒童脂肪組織中線粒體融合相關蛋白表達水平低于正常,同時,呼吸鏈復合物Ⅰ活性及ATP水平明顯降低。與正常組相比,PGC1α、呼吸鏈復合物Ⅰ和Ⅴ及超氧化物歧化酶(SOD)2處于高度乙酰化狀態,活性被顯著抑制,UCP1、UCP2和SIRT3等線粒體功能相關蛋白表達下降,導致線粒體生物發生、結構、代謝和功能存在障礙,不利于細胞生理代謝的正常進行〔41〕。由此可見,UCP2/SIRT3在脂肪代謝和維持線粒體功能方面也發揮重要調節作用。瘦素參與調節體質量、脂質代謝和細胞凋亡,通過多種通路作用于脂肪組織〔42〕。研究表明〔43〕,經瘦素處理的小鼠激素敏感性脂肪酶(HSL)、UCP2、SIRT3、腎上腺素受體(ADR)3等因子表達增加,而胱天蛋白酶(caspase)3、腫瘤壞死因子(TNF)-α和脂肪酸合成酶等表達降低,結果表明,瘦素通過介導UCP2和SIRT3及其他相關因子促進脂質動員及能量耗散,進而加速脂肪代謝,減少脂肪堆積。 盡管UCP2/SIRT3信號通路在不同疾病進程中的作用有所差異,但是,其對細胞氧化應激和能量代謝的調節作用已在現有研究中得到證明。

綜上,UCP2/SIRT3信號通路在調節氧化應激和能量代謝方面的作用日益受到廣泛關注。線粒體是細胞的“動力工廠”,對細胞能量供應和穩態維持具有重要意義。UCP2/SIRT3信號通路可以通過介導氧化應激反應,參與疾病的發生發展進程。因此,通過了解UCP2/SIRT3信號通路與氧化應激調控機制,整體性評價該通路在氧化應激進程中的作用及其對疾病病程的影響,可以進一步了解不同疾病及疾病不同發展階段中,UCP2/SIRT3信號通路的作用機制,以制定針對UCP2/SIRT3信號通路和氧化應激機制更為精準的個體化研究方案,將為疾病的治療提供更為廣闊的前景。