晉華，晉帥

1.山西運城鳳英中醫(yī)冠心病專科醫(yī)院，運城 044000；2.中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

解偶聯(lián)蛋白在肥胖導(dǎo)致的心力衰竭中的作用

晉華1，晉帥2

1.山西運城鳳英中醫(yī)冠心病?？漆t(yī)院，運城 044000；2.中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853

肥胖、代謝綜合癥、Ⅱ型糖尿病等代謝系統(tǒng)疾病，經(jīng)常導(dǎo)致線粒體呼吸復(fù)合物中活性氧（ROS）生成增加，進而導(dǎo)致脂肪在心肌細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、骨骼肌、肝細(xì)胞中積累。動物實驗表明，在心肌細(xì)胞中，脂質(zhì)積累會產(chǎn)生脂毒性，從而進一步導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、心臟衰竭。因此，心肌細(xì)胞等通過高表達(dá)解偶聯(lián)蛋白（UCP）來進行抗氧化應(yīng)激和脂毒性適應(yīng)。在肥胖的嚙齒類動物和人類心臟中，UCP2和UCP3通過下調(diào)細(xì)胞程序死亡，使心肌細(xì)胞免于死亡以致心力衰竭。UCP激活后通過減少ROS的生成和細(xì)胞凋亡，影響細(xì)胞色素c和促凋亡蛋白的釋放。本綜述簡要總結(jié)了UCP如何通過抗ROS生成及維持生物能量代謝平衡來起到保護心肌細(xì)胞、保護心臟的作用。

解偶聯(lián)蛋白；肥胖；心力衰竭

肥胖是由于脂肪細(xì)胞生成游離脂肪酸（FFA）增加，使得心肌細(xì)胞脂肪變性導(dǎo)致的一系列綜合征，包括氧化應(yīng)激、線粒體損害、甘油三酯（TG）積累導(dǎo)致的心功能不全[1]。心肌中脂質(zhì)的積累可以提高線粒體活性氧（ROS）水平，使氧化應(yīng)激增強，從而進一步使肥胖及糖尿病患者的心力衰竭幾率增加[2]。FFA增加、線粒體ROS生成及輕度的氧化磷酸化解偶聯(lián)導(dǎo)致的解偶聯(lián)蛋白UCP2/UCP3過表達(dá)均提示早期心力衰竭[3]。

線粒體是細(xì)胞生產(chǎn)生活必需的供能細(xì)胞器,同時，絕大多數(shù)ROS都在線粒體中發(fā)生。在病理條件下，如代謝綜合征、肥胖、飽和脂肪酸的β氧化作用、脂毒性和過量活性氧生成，心肌細(xì)胞和心肌結(jié)構(gòu)受損[4]。為了對抗過量活性氧的生成和氧化損傷，細(xì)胞進化出一系列防御機制，在線粒體水平上表現(xiàn)為解偶聯(lián)蛋白（uncoupling proteins，UCP）的過表達(dá)。當(dāng)UCP缺失或被藥物抑制后，氧化應(yīng)激和超氧陰離子的產(chǎn)生增加。在缺血性心肌病中，UCP3的遺傳缺失使細(xì)胞凋亡增加從而引起心力衰竭。UCP的藥物或遺傳誘導(dǎo)則可以增強氧化穩(wěn)態(tài)，減少氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激引起大分子水平的損傷，從而進一步導(dǎo)致心血管系統(tǒng)中細(xì)胞的壞死和凋亡。UCP的過表達(dá)通過減少線粒體ROS生成來下調(diào)細(xì)胞程序死亡，提高細(xì)胞存活率[5-6]。該過程是通過線粒體內(nèi)的細(xì)胞色素c及凋亡前體蛋白跨膜進入細(xì)胞質(zhì)來實現(xiàn)的[6]。線粒體中細(xì)胞色素c的釋放被認(rèn)為是凋亡啟動過程中的重要步驟[7]。在此，我們將對UCP的分子特征、生化性質(zhì)做一般性描述，并討論UCP2和UCP3在細(xì)胞死亡和心力衰竭以及肥胖中的作用。

1 UCP的分子特征

UCP位于線粒體內(nèi)膜中，在不同生物體如酵母、植物、鳥類、哺乳動物中廣泛分布。UCP呈典型三聯(lián)體結(jié)構(gòu)，共有UCP1～UCP5等5種異構(gòu)體。UCP1、UCP2、UCP3的相對分子質(zhì)量為 30 000～34 000，UCP4、UCP5 為 36 000～38 000[8]。UCP1在棕色脂肪與胸腺中特異性表達(dá)[9]；UCP3在骨骼肌和心肌中高表達(dá)，并有54%～59%的氨基酸序列與UCP1同源；UCP4主要位于腎臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)；UCP5又名腦線粒體載體蛋白（BMCP1）。UCP4和UCP5的含量相比UCP家族的其他3種蛋白較低。

1.1 心肌UCP2和UCP3的調(diào)節(jié)

UCP2、UCP3由GTP、ATP、GDP等嘌呤核苷酸負(fù)調(diào)節(jié)。FFA作為UCP的直接激動劑，可以增加電導(dǎo)并將H+電化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。UCP2、UCP3由FFA正調(diào)節(jié)，并與油酸、亞油酸等不飽和脂肪酸極度親和；UCP2、UCP3也可由超氧離子負(fù)反饋調(diào)節(jié)。動物實驗表明，肥胖、禁食等因素，以及脂肪動員、甲狀腺激素治療導(dǎo)致的血漿FFA增加，可以誘導(dǎo)UCP2與UCP3的過表達(dá)，而這些均與心肌細(xì)胞的氧化應(yīng)激、代謝應(yīng)激密切相關(guān)，可以進一步導(dǎo)致心力衰竭的發(fā)生。高脂高糖飲食導(dǎo)致的FFA增加、甲狀腺激素過高等因素，會使心肌中UCP2、UCP3的表達(dá)升高，隨之使心肌細(xì)胞輕度解偶聯(lián)、線粒體ROS生成減少、心肌凋亡減慢，從而改善心肌功能[10-11]。

此外，UCP2通過催化蘋果酸酶、草酰乙酸酶、天冬氨酸酶的磷酸化，以及通過從線粒體中輸出碳物質(zhì)來調(diào)節(jié)供能。UCP2同樣可以通過調(diào)節(jié)葡萄糖代謝及脂肪酸氧化來供能，使細(xì)胞增殖、存活，從而在心肌細(xì)胞耐受缺氧、再灌注損傷及氧化應(yīng)激中發(fā)揮作用[12]。在心臟缺血再灌注實驗中，UCP3敲除的心臟比普通心臟產(chǎn)生更多的ROS。UCP3敲除心臟在解偶聯(lián)劑處理后，心肌缺血后的功能恢復(fù)明顯加快[13]。

在升主動脈收縮引起的壓力過載導(dǎo)致的心力衰竭動物模型中，UCP2、UCP3表達(dá)下調(diào)，線粒體ROS生成增加，導(dǎo)致心肌細(xì)胞肥大[14]。但這個模型不涉及FFA誘導(dǎo)的UCP表達(dá)上調(diào)。

1.2 UCP的表達(dá)調(diào)控

在UCP1基因下游約2.4 kb位置，一段200 bp的基因序列可以通過cAMP通路與β腎上腺素受體結(jié)合，使UCP的表達(dá)增強。該序列擁有類視黃醇、甲狀腺激素、過氧化物酶體增殖劑激活受體γ（PPARγ）、PPARα、過氧化物酶體增殖活化受體γ共激活因子1α（PGC-1α）的結(jié)合位點，并決定了UCP1的表達(dá)。因此，UCP1在棕色脂肪中選擇性高表達(dá)[15]。相應(yīng)地，UCP2、UCP3的啟動子序列中也有PPARα、PPARγ、PPARδ的結(jié)合位點。PPAR介導(dǎo)的UCP表達(dá)隨不同組織和發(fā)育階段而不同。在小鼠心肌和骨骼肌中，F(xiàn)FA主要誘導(dǎo)PPARα來調(diào)控UCP的表達(dá)。胰島素生長因子（IGF）1和2、成纖維細(xì)胞生長因子21（FGF21）等參與控制葡萄糖穩(wěn)態(tài)、胰島素敏感性和酮體生成的生長因子，均被發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)線粒體UCP2、UCP3的表達(dá)。同時，超氧化物歧化酶2（SOD-2）參與心肌細(xì)胞的抗氧化途徑來預(yù)防炎性反應(yīng)和心肌細(xì)胞肥大。UCP3的遺傳缺失會導(dǎo)致線粒體功能障礙，在缺氧或缺血性心肌病時，會增加ROS的產(chǎn)生，促進心肌細(xì)胞凋亡。因此，UCP2與UCP3可能是心肌梗死面積、缺血后心臟重塑、患者存活的一個重要決定因素[16-17]。

2 UCP、ROS生成和細(xì)胞存活

研究表明，F(xiàn)FA、葡萄糖、脂多糖，病理條件如肥胖、代謝綜合征、Ⅱ型糖尿病等共同決定UCP在氧化應(yīng)激和線粒體ROS生成中的作用[18]。圖1說明了UCP在防止線粒體超氧化和H2O2生成介導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡和壞死中的作用機制。

2.1 ROS生成和細(xì)胞死亡

細(xì)胞存活過程中線粒體ROS生成和氧化信號傳導(dǎo)的作用已被廣泛證實。細(xì)胞是存活還是死亡取決于ROS生成量，低水平的ROS可以使信號通路活化、細(xì)胞存活；而線粒體ROS生成過量，超過細(xì)胞抗氧化代償能力時，會導(dǎo)致細(xì)胞損傷甚至死亡。在代謝系統(tǒng)疾病中，線粒體ROS為主要致病因素。它通過可逆氧化翻譯后復(fù)合物Ⅱ的修飾（Cys100B亞基和Cys103）引起復(fù)合物Ⅰ、Ⅱ的氧化改變，從而影響酶的催化活性、蛋白的相互作用、氧化磷酸化和線粒體功能[19]。

2.2 UCP的解偶聯(lián)和細(xì)胞存活

UCP的輕度和重度解偶聯(lián)均會導(dǎo)致線粒體ROS生成減少，但重度解偶聯(lián)會引起ATP消耗和細(xì)胞壞死。一種線粒體質(zhì)子載體2，4二甲基苯酚（DNP）口服控釋片可以間接產(chǎn)生輕度解偶聯(lián)，減輕高甘油三酯血癥、胰島素抵抗、肝脂肪變性和糖尿病大鼠模型的非酒精性脂肪肝。該實驗指出UCP可能通過輕度解偶聯(lián)來保護細(xì)胞，使之免受脂毒性和氧化損傷。其他幾個體外實驗也表明UCP催化H+流導(dǎo)致輕度解偶聯(lián)，從而在影響產(chǎn)熱、脂肪酸氧化的調(diào)節(jié)等生理活動的同時不影響ATP合成。UCP3或低濃度的DNP導(dǎo)致的線粒體膜電位輕度解偶聯(lián)也保護心臟免受缺血/再灌注損傷（I/R）[19-20]。

圖1 UCP調(diào)節(jié)對細(xì)胞死亡或存活的作用

3 脂毒性和UCP2：從細(xì)胞存活到細(xì)胞死亡

流行病學(xué)和動物研究顯示，肥胖是心力衰竭的重要患病因素并影響其預(yù)后。針對肥胖個體的研究發(fā)現(xiàn)心臟異位脂肪沉積與心臟功能障礙有關(guān)[21]。在肥胖中，改變的生化參數(shù)主要是TG和FFA，它們的慢性升高會導(dǎo)致心臟中脂質(zhì)的積聚。脂肪酸代謝是心臟健康功能中重要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)之一。心臟中的脂肪酸主要來源于TG的水解。通過脂蛋白酶和血管內(nèi)脂蛋白顆粒如乳糜顆粒和極低密度脂蛋白（VLDL）的作用，脂肪酸形成FFA的氧化底物。生理條件下，通過β氧化、膜生物合成、脂質(zhì)信號分子生成、蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)等多個通路，游離脂肪酸被用于多個系統(tǒng)。在胰島素抵抗的肥胖患者中，脂肪組織中脂肪分解活性升高，F(xiàn)FA生成過量。細(xì)胞內(nèi)FFA輸入過多、利用通路受損，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)累積，引起心臟內(nèi)FFA氧化和儲存功能失調(diào)。人類和動物肥胖模型的幾項研究表明，TG及其在心臟中的水解產(chǎn)物的過量積累可以誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、損害正常細(xì)胞信號傳導(dǎo)，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙和細(xì)胞死亡，進一步導(dǎo)致心力衰竭[22]。TG或FFA過量導(dǎo)致的脂毒性可以通過過量脂肪酸影響神經(jīng)酰胺生物合成和膜磷脂組分變化，從而導(dǎo)致ROS生成等多個生物機制，致細(xì)胞凋亡和壞死[23]。

4 UCP和脂肪酸氧化

UCP2和UCP3在脂毒性條件下的過表達(dá)提示UCP可以使細(xì)胞免受脂肪酸過度代謝和過度儲存的危害。當(dāng)心臟中UCP2和UCP3高表達(dá)時，脂肪酸氧化供能增加。在胰島素抵抗、糖尿病、心肌缺血應(yīng)激等病理狀況下，長期暴露在高FFA環(huán)境下的細(xì)胞會通過提高UCP的表達(dá)來使自身免受FFA負(fù)荷帶來的負(fù)面影響。事實上，糖尿病心臟的特征性表現(xiàn)為UCP3過表達(dá)、脂肪酸氧化增加、心肌耗氧量增加、心率下降[14,16,24]。

5 線粒體脂肪酸代謝和心肌細(xì)胞功能障礙

圖2 UCP2/3保護心肌細(xì)胞免受線粒體中LCFA積累和TG、FFA流入細(xì)胞所誘導(dǎo)的脂毒性的作用

圖2說明了UCP2和UCP3在線粒體中針對過量的長鏈脂肪酸（LCFA）積累的解毒作用。正常情況下，F(xiàn)FA過量時會被引導(dǎo)至TG的生物合成。然而在病理條件下，TG的儲存超過極限或TG過量水解時，可以引起脂毒性，導(dǎo)致線粒體脂肪酸氧化缺陷。這一過程發(fā)生在肥胖早期并與血漿游離脂肪酸濃度增加密切相關(guān)[1]。在肥胖的大鼠模型中，無法代謝的FFA（主要是飽和脂肪酸）直接作用于線粒體，誘導(dǎo)線粒體膜通透性轉(zhuǎn)變，細(xì)胞色素c釋放，并進而導(dǎo)致心臟細(xì)胞凋亡。同時，UCP2下調(diào)可導(dǎo)致LCFA在基質(zhì)中積累，誘導(dǎo)線粒體功能障礙，脂毒性和細(xì)胞死亡[1,25]。

6 結(jié)語

實驗證據(jù)表明，心肌細(xì)胞的凋亡和心力衰竭與心肌中的ROS產(chǎn)生、氧化應(yīng)激和FFA積累密切相關(guān)。UCP2/UCP3在肥胖和代謝綜合征中的過表達(dá)引起的輕度解偶聯(lián)，對內(nèi)源性ROS生存、線粒體LCFA的積累有著解毒作用。UCP的過表達(dá)以及藥理學(xué)方法導(dǎo)致的輕度解偶聯(lián)，是針對肥胖誘發(fā)的心力衰竭的一種有效的解決方法和未來的研究方向。

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Role of Uncoulping Proteins in Heart Failure with Obesity

JIN Hua1,JIN Shuai2*
1.Yuncheng Fengying Chinese Medicine Coronary Heart Disease Hospital,Yuncheng 044000;2.China PLA General Hospital,Beijing 100853;China

Metabolic diseases such as obesity,metabolic syndrome,and typeⅡ diabetes are often characterized by increased reactive oxygen species（ROS） generation in mitochondrial respiratory complexes,associated with fat accumulation in cardiomyocytes,skeletal muscle,and hepatocytes.Several rodents studies showed that lipid accumu?lation in cardiac myocytes produces lipotoxicity that causes apoptosis and leads to heart failure,a dynamic patho?logical process.Meanwhile,several tissues including cardiac tissue develop an adaptive mechanism against oxida?tive stress and lipotoxicity by overexpressing uncoupling proteins（UCP）.In heart from rodent and human with obe?sity,UCP2 and UCP3 may protect cardiomyocytes from death and from a state progressing to heart failure by down-regulating programmed cell death.UCP activation may affect cytochrome c and proapoptotic protein release from mitochondria by reducing ROS generation and apoptotic cell death.Therefore the aim of this review is to dis?cuss recent findings regarding the role that UCP play in cardiomyocyte survival by protecting against ROS genera?tion and maintaining bioenergetic metabolism homeostasis to promote heart protection.

uncoulping proteins;obesity;heart failure

Q24;Q51

A

1009-0002（2017）05-0694-06

10.3969/j.issn.1009-

*Corresponding author,E-mail:512048487@qq.com

2017-01-04

晉華（1978- ），女，主治醫(yī)師，（E-mail）825511419@qq.com

晉帥，（E-mail）512048487@qq.com