解偶联蛋白与甲状腺激素对能量代谢调节的研究现状

　　作者：陈玉华(综述)，武革(审校) 作者单位：广东医学院附属医院内分泌科 524001

　　【关键词】 甲状腺激素;解偶联蛋白;能量代谢;氧化磷酸化

　　甲状腺激素(thyroid hormone，TH)调节着专性产热即基础代谢率(base metabolism rate，BMR)和兼性产热也即非颤栗性产热(nonshivering thermogenesis，NST)，其机制可能是刺激细胞核和线粒体内有关能量代谢的重要基因的转录。而解偶联蛋白(uncoupling proteins，UCPs)能将产能转化为产热，提高BMR，与TH一起在调节机体产热和能量代谢方面发挥着重要的作用。本文就UCPs与TH对能量代谢调节作用的研究现状作一综述。

　　1 UCPs家族概述

　　UCPs是线粒体内膜上一种具有调节质子跨膜转运作用的阴离子转运蛋白。UCPs可以驱散质子电化学梯度，使呼吸链与ATP的合成解偶联。目前，已发现5种不同的UCPs家族成员，分别为UCP1～UCP5。UCPs广泛分布于人体的各种组织器官中，其基因结构在种属间是高度保守的。各型UCP在结构上有相当高的同源性，它们的共同特征是每个成员均有3个由100个氨基酸组成的重复序列，且每个氨基酸结构域都有线粒体载体信号基序，这对通过Tim10/ Tim12/ Tim22途径向线粒体内膜定向转运的转运体来说是非常重要的。但UCPs中只有二聚体才具有转运质子的功能。

　　1985年Aquila和Link[1] 首先确定了UCP1的氨基酸顺序和DNA序列。人类UCP1基因位于4号染色体长臂(4q31)上，由306个氨基酸组成，分子量为32kDa，由6个C或N末端朝向胞液的跨膜区组成，以二聚体形式存在。UCP1与二磷酸腺苷/三磷酸腺苷(ADP/ATP)载体具有同源性，其活性受嘌呤核苷酸的限制。1997年，Fleury等[2]发现了与UCP1具有高度同源性的UCP2，其基因位于人类11号染色体(11q13)上，由309个氨基酸组成，分子量为33.218 kDa。随后，又由Boss等[3]克隆出了UCP3，其基因也位于人类11号染色体(11q13)上，并与UCP2紧密连锁。UCP3存在两个RNA转录体：UCP3L和UCP3S，分别编码长链(312个氨基酸)和短链(275个氨基酸)UCP3，两者的区别在于UCP3mRNA的C末端是否缺少37个核苷酸残基。这个差别很重要，因为这个区域的功能是调节嘌呤核苷酸的抑制解偶联活性的。1998年Sanchis和Fleury等[4]首先发现了脑线粒体载体蛋白1(BMCP1)。不久，Yu和Mao等[5]也克隆出了BMCP1，但在发现UCP4之后才将其定义为UCP5。其基因位于人类X染色体(Xq24)上，由325个氨基酸组成。UCP5具有一个其他UCPs所不具有的由22个氨基酸组成的疏水氨基末端，这一独特的末端可能是其与线粒体膜发生相互作用的部位。1999年Mao等[6]发现了UCP4，其基因位于人类6号染色体(6p11.2q12)上。UCP5在脑和睾丸组织中的含量丰富，而UCP4仅在胎儿和成人脑组织中表达。有研究表明UCP4、UCP5在哺乳动物细胞中的异常表达均能降低线粒体的膜电位，可能参与体温调节的生热作用和脑组织代谢，但具体调控因素尚不明确。目前关于UCP1、UCP2、UCP3的研究较多，被认为是人类产热的重要调节因素，也是TH作用的关键调节因子。

　　2 UCP与TH关系的研究

　　2.1 UCP1与TH的关系

　　棕色脂肪(brown adipose tissue，BAT)是哺乳动物发生 NST的主要组织。对于维持动物的体温和能量平衡起重要作用。UCP1特异性的在BAT内表达，位于BAT线粒体内膜的UCP1是决定BAT 功能的关键因素。Valeria等[7]研究发现UCP1基因敲除鼠(UCP1(/)鼠)在寒冷环境中不能维持NST，其体温降低，生存期缩短，与正常组比较差异有显著性，而TH能增加BAT中UCP1的表达。Anne等[8]研究了不同状态甲状腺功能的鸡腓肠肌UCP表达，发现给予三碘甲状腺原氨酸(3,5,3'Triiodothyronine，T3)处理后，其腓肠肌内UCPmRNA的表达比正常对照组增加2倍，而他巴唑处理组则比正常组降低74%。Takayuki等[9]给大鼠连续7d皮下注射T3，大鼠棕色脂肪内UCP1的表达增加1.7倍。早有研究发现甲状腺切除的大鼠BAT中UCP1的含量比正常组降低了33%，把这些鼠暴露在寒冷环境中其表现出低体温，且其UCP1水平比同样环境下的正常对照组大鼠低80%。当补充生理剂量的甲状腺素(thyroxine，T4)后，动物体温可以恢复正常，UCP1的表达亦恢复。这些结果表明，TH对BAT组织UCP1的产热作用具有调节作用。

　　TH对UCP1的调节被认为是在交感神经的共同配合下完成的。Rabelo等[10]研究显示：去甲肾上腺素(norepinephrine，NE)单独刺激可使UCP1基因转录增加2倍，TH单独作用可增加4 倍，而两者联合作用则可增加15倍。Carvalho等[11]的研究也表明：正常大鼠4℃冷暴露或以NE处理后，BAT中的UCP1mRNA表达在2h内即可增加2～3倍;同样的处理对TH水平过低的动物几乎无效，若给动物补充T3后，则UCP1的表达可增加且与T3的剂量相关。切除支配一侧肩胛间BAT的神经后再给予NE可以恢复该侧下降的UCP1 mRNA水平。交感神经加强TH作用的主要机制是增加了Ⅱ型脱碘酶(5'deiodinase， 5'DⅡ)的活性，5'DⅡ使组织内T4转化为T3。这在实验中也得到证实，给甲状腺切除后大鼠补充T3使血浆中的T4和T3水平达到正常，但动物在冷暴露下的体温和UCP1水平却不能恢复。但由于成人的BAT很少，UCP1在人体能量平衡中的作用不大。

　　2.2 UCP2、UCP3与TH的关系

　　UCP2在白色脂肪组织(WAT)、骨骼肌、免疫系统、脾、胰腺B细胞、肝脏等组织内广泛表达，而UCP3主要在骨骼肌内表达，均被认为是TH调节基础能量代谢的关键物质。在啮齿类动物中注入T3可使心肌和骨骼肌的UCP2、UCP3表达水平增高，线粒体的解偶联活性也升高。伊迎春等[12]在TH对大鼠脂肪组织UCP2基因表达的研究中发现，与对照组相比甲亢组UCP2 mRNA 的表达增加1.4倍，甲低组则降低20%。在Takayuki等[9]所做的实验中，给大鼠连续7d皮下注射T3后，发现大鼠BAT、WAT和骨骼肌内的UCP2 mRNA的表达分别增加1.6、1.6和1.7倍。Boehm等[13]观察到甲亢大鼠的心肌线粒体中的UCP2水平比正常对照组增加32%，UCP3增加了48%。Solanes等[14]通过建立携带完整人类UCP3基因的转基因鼠来研究TH对人类UCP3基因表达的影响，发现经T3处理后的大鼠骨骼肌人类UCP3 mRNA的表达比对照组升高了5倍。 高热量饮食是UCP3的一个强刺激因子，但在缺乏TH情况下，高热量饮食也不能诱导UCP3的表达。Christoffolete等[15]研究表明：给予高热量饮食10d的大鼠较正常饮食大鼠的腓肠肌UCP3 mRNA表达增高1.7倍，而切除大鼠甲状腺后给予同样的饮食，其UCP3 mRNA表达则比正常饮食下降了约60%。在药物诱发的发热大鼠中[16]，甲亢组骨骼肌的UCP3的表达比甲低组增加了7倍，比正常对照组增加了3.5倍。以上研究均说明，在各种诱发产热增加的因素中，TH对UCPs都具有正向调节作用。Vincent等[17]应用放射性核磁共振光谱技术检测了正常男性给予外源性T3前后的能量代谢，发现给予T3治疗3　d后，骨骼肌三羧酸循环(TCA)流量增加了大约70%，而ATP的合成率却保持不变，表明T3降低了ATP/TCA比值。Pieter等[18]给甲低大鼠单独注射T3，并在同时期内做严格对比，发现大鼠腓肠肌的UCP3水平升高，线粒体的呼吸率降低，而整个大鼠的相对代谢率升高。但同一时间腓肠肌线粒体的非磷酸化呼吸率显著升高，而膜电位是降低的，这清楚的表明线粒体内存在着解偶联作用。提示T3在体内可以通过骨骼肌线粒体能量解偶联来增加产热作用，这可能与升高骨骼肌内的UCP3表达，使线粒体发生解偶联反应有关。

　　但也有不同的研究结果[19]，给无UCP3(/)小鼠注入T34　d(100ug/100g·d)，发现这些小鼠与正常对照组小鼠的BMR均是升高的。产生这种偏差的原因可能是大剂量的T3通过过度刺激其他的产热机制而掩盖了UCP3的作用，或是大剂量的T3转化成3,5二碘甲状腺氨酸而起作用。

　　3 TH通过UCP调节能量代谢的可能机制

　　早在上世纪50年代，Lardy和Feldcott就提出TH可能通过线粒体氧化磷酸化解偶联来改变线粒体的氧化呼吸效率来调节能量代谢。近年来，根据基础与临床研究的结果，已证实TH调节UCPs的机制主要表现在基因转录和分子水平的调节。

　　Solanes等[14]用T3处理携带人类UCP3基因的大鼠，通过瞬时转染技术发现TH可以激活人类的UCP3表达，同时与其启动子相邻的MyoD和甲状腺激素受体(thyroid hormone receptor，TR)基因也被转染，且与UCP3启动子最邻近区域的结合区包含一个同向重复结构。这说明TH可以通过与UCP3邻近的多激素反应元件直接诱导人类UCP3基因的表达。TH和NE 的协同作用也发生在基因水平。在BAT内，由5'DⅡ转化的组织内的T3才能与T3核受体结合促进UCP1基因转录。

　　已经证实[20]，TH在体外对UCP1、UCP2及UCP3的调节均需要过氧化物、辅酶Q和脂肪酸及其衍生物的共同参与，TH在体内对UCP3的调节似乎也一样。Silvestri等[21]研究报道，给予T3处理的大鼠，其骨骼肌线粒体内脂质氧化率升高，与脂质代谢相关的酶的表达也升高，同时线粒体内过氧化物产物和辅酶Q的水平也升高。但当脂肪酸事先被牛血清白蛋白螯合后，线粒体的质子电导率则没有改变。这说明在体内TH刺激UCP表达的活性也是通过这个复杂的生物化学途径为基础的。

　　4 展望

　　TH调节线粒体的能量代谢是通过UCPs来实现的，虽然具体的机制仍不清楚。但提示：若能改变UCPs水平或其在线粒体中的作用环节或其它调节因素可达到调控机体能量代谢的作用，因而有可能在探讨与能量代谢密切相关的肥胖症、2型糖尿病的发生机制上提供更进一步的研究线索，并通过调节UCPs为治疗肥胖症和2型糖尿病等相关疾病开拓新的领域。

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