解偶联蛋白

棕色脂肪组织中线粒体的解偶联蛋白 (UCP) 是哺乳动物细胞特有的特定成分。在几个实验室中分离了大鼠和小鼠 UCP 的互补 DNA(Jacobsson 等人,1985 年;Bouillaud 等人,1986 年;Ridley 等人,1986 年)。cDNA 已被用于确定大鼠 UCP 的序列并监测各种生理、病理和药理学情况下 UCP mRNA 水平的变化。关于棕色脂肪组织在人类中的生理意义及其对肥胖抵抗的可能贡献存在争议(见601665)。然而,有大量证据表明,在某些病理和非病理情况下,这种组织存在于年幼婴儿和成人中。

▼ 克隆与表达
布约等人。(1988)用对应于大鼠棕色脂肪组织线粒体 UCP 的 cDNA 筛选了人类基因组文库。他们成功克隆了一个包含 2 个内含子区域和 2 个外显子区域的 0.5 kb 片段。外显子区编码84个氨基酸的序列,与大鼠UCP的中央结构域具有很强的同源性。Southern 分析实验表明,人类中有 1 个基因拷贝,就像啮齿动物一样。在 Northern 分析实验中,该探针在 6 名嗜铬细胞瘤患者和 1 名冬眠患者的人类棕色脂肪组织中检测到了一个特定的 1.8-kb mRNA。

卡萨德等人。(1990)指出解偶联蛋白有 305 个氨基酸,分子量为 32,786。

▼ 基因结构
卡萨德等人。(1990)发现人类 UCP 基因跨越 13 kb 并包含一个覆盖 9 kb 的转录区域。它有6个外显子。

▼ 映射
弗莱彻等人。(1991)将 Ucp 基因定位到小鼠 8 号染色体,位于着丝粒侧携带与人类 8p 基因同源基因的片段和端粒方向携带与人类基因 16q 同源基因的片段之间的位置。使用原位杂交,Cassard 等人。(1990)将人类 UCP 基因分配给 4q31。他们发现UCP的一级结构与骨骼肌的ADP/ATP转运蛋白( 103220 )相似,其基因也位于4号染色体上。因此,与小鼠同源的预测不成立。

▼ 基因功能
大肠杆菌包涵体中表达的 UCP1 未能进行依赖于脂肪酸的 H(+) 转运活性包涵体使得Echtay 等人。(2000)寻找一个本地 UCP 辅因子。他们将辅酶 Q(CoQ,或泛醌)鉴定为这样的辅因子。将 CoQ(10) 添加到从包涵体重建的 UCP1 中后,脂肪酸依赖性质子转运达到与天然 UCP1 相同的速率。质子转运对嘌呤核苷酸高度敏感,仅被氧化而不是还原的 CoQ 激活。天然 UCP1 的质子转运与内源性 CoQ 含量相关。

解偶联蛋白 1 通过催化质子穿过内膜的受控泄漏,将能量从 ATP 合成转移到棕色脂肪线粒体中的产热。UCP2 ( 601693 ) 和 UCP3 ( 602044 ) 的丰度比 UCP1 低得多,并且与它们相关的解偶联没有显着的产热。然而,轻度解偶联会减少线粒体产生的活性氧物质,活性氧物质是氧化损伤的重要介质。Echtay 等人。(2002)证明超氧化物通过对 UCP1、UCP2 和 UCP3 的影响增加线粒体质子电导。超氧化物诱导的解偶联需要脂肪酸并被嘌呤核苷酸抑制。超氧化物诱导的解偶联与 UCP 的组织表达相关,并出现在表达 UCP1 的酵母的线粒体中。骨骼肌线粒体仅表达 UCP3;因此,UCP3 基因敲除小鼠的骨骼肌中不存在超氧化物诱导的解偶联。Echtay 等人。(2002)得出结论,超氧化物与 UCP 的相互作用可能是降低线粒体内活性氧浓度的一种机制。

在小鼠实验中,Tateishi 等人。(2009)表明 Jhdm2a ( 611512 ) 表达由 β-肾上腺素能刺激诱导,直接调节 Ucp1 和过氧化物酶体增殖物激活受体 α 的表达(PPARA;170998)。此外,Tateishi 等人。(2009)证明,β-肾上腺素能激活诱导 Jhdm2a 与 Ucp1 基因的 PPAR 响应元件 (PPRE) 的结合不仅降低了组蛋白 H3(H3K9me2;参见602810)在 PPRE 处的二甲基化水平,而且还促进了Ppar -gamma ( 601487 ) 和 Rxr-alpha ( 180245 ) 及其辅激活因子 Pgc1-alpha ( 604517 )、CBP/p300(见600140 ) 和 Src1 ( 602691 ) 到 PPRE。

Gerhart-Hines 等人。(2013)证明了 Rev-erb-alpha ( 602408),一种强大的转录抑制因子,通过调节棕色脂肪组织功能将昼夜节律和产热网络联系起来。当 Rev-erb-alpha 几乎不表达时,在 05:00(Zeitgeber 时间 22)暴露于冷食物的小鼠比在 Rev-erb-alpha 丰富的 17:00(Zeitgeber 时间 10)好得多。删除 Rev-erb-alpha 显着提高了 17:00 的耐寒性,表明克服 Rev-erb-alpha 依赖性抑制是对冷的产热反应的基本特征。在低温对 Ucp1 的生理诱导之前,棕色脂肪组织中 Rev-erb-alpha 的快速下调。Rev-erb-alpha 以棕色脂肪细胞自主方式抑制 Ucp1,即使在热中性条件下,Rev-erb-alpha 缺失小鼠的棕色脂肪组织 Ucp1 水平也很高。Gerhart-Hines 等人。(2013)得出的结论是,Rev-erb-alpha 充当以适应环境需求的方式建立和维持体温节律所需的产热焦点。

Kong 等人使用小鼠和人类棕色脂肪组织 (BAT) 。(2014)发现 IRF4 ( 601900 ) 不仅通过禁食而且通过在诱导 UCP1 之前暴露于寒冷中进行转录调节。在 BAT 中过表达 Irf4 的小鼠表现出增强的产热基因表达、能量消耗和耐寒性。在 Ucp1 阳性细胞中特异性缺乏 Irf4 的小鼠肥胖且具有胰岛素抵抗性,并且它们表现出产热基因表达、寒冷耐受性和能量消耗降低。Irf4 表达还诱导 Pgc1a 和 Prdm16 的表达 ( 605557),并且 Irf4 与 Pgc1a 相互作用以诱导 Ucp1 表达。在没有 Irf4 的情况下,即使强制表达 Pgc1a,冷儿茶酚胺也无法诱导产热基因表达。孔等人。(2014)得出结论,IRF4 通过与 PGC1A 的遗传和物理相互作用作为产热的主要转录调节因子。

乔查尼等人。(2016)证明棕色脂肪组织中急剧激活的产热是由线粒体活性氧 (ROS) 水平的显着增加定义的。值得注意的是,这个过程支持体内产热,因为线粒体 ROS 的药理学耗竭导致低温暴露后体温过低,并抑制全身能量消耗的 UCP1 依赖性增加。乔查尼等人。(2016)进一步确定产热 ROS 改变棕色脂肪组织中半胱氨酸硫醇的氧化还原状态以驱动呼吸增加,并且 UCP1 的 cys253 是一个关键目标。UCP1 cys253 在产热过程中被亚磺酰化,而该位点的突变使载体的嘌呤核苷酸抑制状态对肾上腺素能激活和解偶联脱敏。乔查尼等人。(2016)得出的结论是,他们的研究将棕色脂肪组织中的线粒体 ROS 诱导确定为支持 UCP1 依赖性产热和全身能量消耗的机制。

▼ 动物模型
棕色脂肪组织,由于其进行非耦合线粒体呼吸的能力,是兼性能量消耗的重要部位。据推测,这种组织通常具有预防肥胖的功能。由于弥漫性沉积物以及再生和肥大的大量能力,对棕色脂肪组织进行消融或去神经支配的外科手术未成功。洛厄尔等人。(1993)使用转基因毒素基因方法创建了 2 系具有棕色脂肪组织原发性缺陷的转基因小鼠。在构建这些转基因小鼠时,Lowell 等人。(1993)使用解偶联蛋白基因的调控元件来驱动白喉毒素 A 链 (UCP-DTA) 或减毒突变体的表达。在第 16 天时,两条品系都缺乏棕色脂肪和肥胖。一方面,棕色脂肪随后再生并解决了肥胖问题。另一方面,缺乏症持续存在,肥胖症及其病态并发症不断恶化。在没有食欲过盛的情况下发生肥胖,这表明缺乏棕色脂肪的小鼠的代谢效率提高。随着肥胖的进展,转基因动物出现了食欲亢进。另见 UCP2 ( 601693 )。

解偶联蛋白是一种不与氧化磷酸化偶联的线粒体质子通道。因此,当跨线粒体内膜建立质子梯度时,解偶联蛋白的激活导致质子解偶联通过通道并产生热量。解偶联蛋白的表达和激活通常由交感神经系统介导,并由去甲肾上腺素直接控制。这种机制是对低温的适应性反应的一部分。它还调节能量平衡。控制产热可能是对抗肥胖的有效策略(Lowell 等,1993)。Enerback 等人。(1997)通过靶向灭活小鼠的 UCP 基因,确定了 UCP 在调节体重中的作用。他们发现,UCP 缺陷小鼠在用 β-3-肾上腺素能受体激动剂治疗后消耗的氧气较少,而且它们对寒冷很敏感,这表明体温调节存在缺陷。然而,这种缺陷既不会导致以标准饮食或高脂肪饮食喂养的小鼠的过度进食或肥胖。Enerback 等人。(1997)提出 UCP 的损失可以通过 UCP2 来补偿,UCP2 是 UCP 的同系物,在 UCP 缺陷小鼠的棕色脂肪中普遍表达并诱导。

肾上腺素和去甲肾上腺素分别是交感神经系统和肾上腺髓质的主要效应物,被认为通过多种机制控制肥胖和能量平衡。它们促进甘油三酯和糖原的分解代谢,在注入中枢神经系统时刺激食物摄入,激活棕色脂肪组织中的产热,并通过调节外周血管收缩和立毛来调节热量损失。棕色脂肪的产热是对寒冷和暴饮暴食的反应,在人类和动物模型中,饮食诱导的产热与肥胖之间存在反比关系。作为肥胖症的潜在模型,Thomas 和 Palmiter (1997)通过灭活编码多巴胺 β-羟化酶 (DBH; 223360 )的基因,生成无法合成去甲肾上腺素或肾上腺素的小鼠。这些小鼠不耐冷,因为它们的外周血管收缩受损,并且无法通过解偶联蛋白 (UCP1) 在棕色脂肪组织中诱导产热。突变体增加了食物摄入量,但没有变得肥胖,因为它们的基础代谢率 (BMR) 也升高了。BMR 的意外增加不是由于甲状腺功能亢进、广泛表达的 UCP2 的补偿或颤抖。

为了验证血管中低效代谢促进血管疾病的假设,Bernal-Mizrachi 等人。(2005)生成的小鼠在动脉壁中具有多西环素诱导的 UCP1 表达。他们表明主动脉平滑肌细胞中的 UCP1 表达会导致高血压并增加膳食动脉粥样硬化,而不影响胆固醇水平。UCP1 表达还增加了超氧化物的产生并降低了一氧化氮的可用性,这是氧化应激的证据。伯纳尔-米兹拉奇等人。(2005)得出的结论是,他们的结果证明了血管中低效代谢会导致血管疾病的原理。

伯格等人。(2006)对猪 Ucp1 基因进行测序,发现外显子 3 到 5 缺失,导致 Ucp1 失活。这一发现在不同品种的家猪及其野生祖先中得到证实。作者得出结论,这解释了为什么小猪依靠发抖来调节体温,他们估计大约 2000 万年前,猪的 Ucp1 被破坏了。

▼ 等位基因变体( 1 选定示例):

.0001 UCP1 多态性
UCP1, -3826A-G
奥珀特等人。(1994)鉴定了具有 2 个等位基因的 BcII 限制性片段长度多态性 (RFLP),一个是 8.3 kb,另一个是 4.5 kb。他们发现,在 12 年的时间里,与体脂百分比低的人相比,被归类为“高增长者”的个体中 8.3-kb 等位基因的频率更高。

在对 238 名病态肥胖和 91 名非肥胖白人受试者的研究中,Clement 等人。(1996)将 UCP1 基因中 A-to-G 等位基因变异的存在与病态肥胖受试者成年期的高体重增加联系起来。

在 380 名健康的年轻白种人队列中,Urhammer 等人。(1997)发现 UCP1 基因的 5-prime 侧翼区域的核苷酸多态性的等位基因频率为 25.3%。这种核苷酸变异的携带者和非携带者在儿童期或青春期的体重指数、脂肪量、腰臀比或体重增加方面没有差异。

Urhammer 等人的研究。(2000)未能证明 ADRB3 基因的 W64R 变体 ( 109691.0001 ) 和 UCP1 基因的 -3826A-G 变体对随机招募的丹麦高加索受试者肥胖和胰岛素抵抗的发展有累加或协同作用。

永井等人。(2003)研究了 -3826A-G 多态性是否与儿童高脂肪餐后餐后产热相关。通过对口腔样本 DNA 进行 PCR RFLP 分析,对儿童进行 UCP1 多态性基因分型。在 GG 等位基因或 AA+AG 组中,交感神经活动对高碳水化合物膳食没有反应,并且膳食热效应 (TEM) 没有显着差异。然而,在高脂肪餐后,两组都出现了交感神经反应;此外,GG等位基因组的TEM显着低于AA+AG组。作者得出结论,尽管脂肪诱导交感神经刺激,但 GG 等位基因携带者对脂肪摄入的 TEM 反应能力降低,这表明这种与 UCP1 相关的产热受损会对体重调节产生不利影响。

标签: 蛋白

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