・综述与讲座・
解偶联蛋白2与2型糖尿病
杨璐
2型糖尿病发病的中心环节之一是胰腺β细胞功能衰竭,其表现为胰岛素分泌功能进行性降低。最近,一种参与下调胰岛素分泌的线粒体上的蛋白质———解偶联蛋白(un2couplingprotein,Ucp)引起普遍关注。其中Ucp2在胰岛素分泌过程中究竟起什么作用,它与2型糖尿病的关系又如何呢?现就线粒体内膜上的Ucp2与2型糖尿病的发病及相关研究进展作一综述。一、Ucp2的结构和功能最先,Ucp1的发现是在棕色脂肪,其作用是产热,并能减少ATP的产生,与能量供给作用以及与哺乳动物的体重调节有关。但是成人棕色脂肪含量太少,Ucp1似乎不能起到调节体重的作用,因此相关的研究减少了许多。直到1997年,Ucp2和Ucp3的发现使解偶联蛋白再次成为焦点。研究[1]发现了Ucp2基因,其定位于人类染色体11q13,全长8.7kb,分子质量为33098u,编码308个氨基酸,由8个外显子和7个内含子组成。Ucp2和Ucp3定位的染色体11q13被认为是与人类肥胖相关的候选基因。在植物和啮齿类动物体内都发现Ucp,在啮齿类动物至少已有5种(Ucp1～Ucp5)并被克隆,亚细胞定位均在线粒体内膜,各成员间序列同源性较高,组织分布有一定特异性。Ucp2是该家族中分布最广的成员,在体内分布广泛,脂肪、胎盘、骨骼肌、心脏、脾脏、肾脏、淋巴结以及中枢神经系统都有存在,其中在胰腺中的分布是Ucp2特异表达。二、Ucp2在β细胞的基本功能1.Ucp2是胰岛素分泌的负性调节因子:线粒体氧化磷酸化是葡萄糖代谢胰岛β细胞分泌过程的一个重要环节。Ucp2通过使细胞线粒体的氧化磷酸化过程解偶联,降低ATP产生,ATP/ADP比值下降,来减少ATP敏感的钾离子通道的关闭,进而影响细胞除极。使电压依赖性的钙离子通道开放迟缓或幅度减低,钙离子内流抑制,含有胰岛素的颗粒细胞不能释放,胰岛素分泌减少[2]。机体为此所必须付出的代价是能量通过Ucp的作用以热能的形式被消耗,而不是以ATP形式被储存,Ucp2的这种质子传递作用能被细胞内的ADP抑制。2.抑制活性氧簇(ROS),减少氧化损伤:在Ucp2含量丰富的巨噬细胞中发现,把Ucp2敲除则巨噬细胞内ROS含量增加,表明Ucp2能抑制ROS的生成[3]。活性氧是细胞氧化损伤的主要来源,损伤的后果是加重疾病和老化。ROS在线粒体中的产生来源于呼吸链产物中一部分氧经单电子
作者单位:524000湛江,广东医学院附属医院内分泌科还原为水的过程中经过呼吸链复合体Ⅰ、Ⅲ形成,包括超氧阴离子、过氧化氢、羟自由基等。当线粒体内的抗氧化防御系统如谷胱甘肽、MnSOD、CoQ及维生素E不能有效清除超氧化物时,ROS积聚会引发膜磷脂过氧化,蛋白质DNA的损伤激发级联反应最终导致线粒体破坏和细胞凋亡。三、影响Ucp2mRNA表达的因素1.脂肪酸的影响:脂肪酸对非胰岛组织Ucp2的诱导作用已经得到证实[4],用250μm油脂酸培养12～16h能使肝细胞内Ucp2的表达增加8倍以上。高脂饮食喂养2d就能明显上调A/J大鼠棕色脂肪组织中Ucp2mRNA的表达。Vettor等[5]发现用脂肪乳剂持续24h灌注能明显增加大鼠心脏和骨骼肌中Ucp2的表达,同时胰岛素调节的葡萄糖转运被抑制。同样游离脂肪酸对胰腺组织中Ucp2上调的影响也被许多实验证实。Tokuyuki等[6]通过将脂肪形成的关键转录因子即固醇调节元件结合蛋白(Sreb-1c)的腺病毒插入胰岛细胞,使细胞内脂肪酸合成大大增加,甘油三酯含量随之增加,Ucp2表达增加。另一项研究是应用高脂高糖和普通饲料喂养GK大鼠,观察其对β细胞胰岛素分泌功能的不同影响发现,高脂高糖能增加胰岛细胞内甘油三酯含量并且影响GK大鼠的胰岛素分泌,而且Ucp2蛋白表达水平增加,这些作用通过胰岛素治疗得到改善,表明Ucp2是β细胞胰岛素分泌的重要负性调节因子[7]。Joseph等[8]通过对Ucp2基因敲除小鼠和野生性小鼠胰岛细胞分别在体外用软脂酸培养48h后观察并比较细胞内甘油三酯含量和软脂酸代谢速率发现,Ucp2基因敲除鼠的β细胞游离脂肪酸的代谢速率提高,避免了甘油三酯细胞内堆积,从而避免脂毒性对β细胞损伤,这可能就是Ucp2表达过度损伤胰岛细胞功能的机制之一。2.高血糖:高血糖对Ucp2mRNA表达的影响研究结果不尽相同,但多数研究[9-10]表明,高血糖能上调胰岛细胞线粒体的Ucp2表达,而且ROS的产生增加,进而抑制胰岛素的分泌,在协同高脂的环境下,ROS生成的增多有诱导Ucp2的表达增多,表明Ucp2活性增加对胰岛素分泌产生不利作用。同样在Ucp2基因敲除小鼠中发现其β细胞数量增加但在高脂高糖环境中仍能维持一定的胰岛素分泌功能
。3.其他因素:脂联素能减少AY/a肥胖小鼠的内脏脂肪,可能与上调解偶联蛋白在棕色脂肪、白色脂肪以及骨骼肌中的表达有关[11]。瘦素通过提高白色脂肪中Ucp2的表达来加强或激活脂肪酸类代谢和利用[12]。甲状腺素能增加心脏、骨骼肌以及脂肪组织中Ucp2的mRNA表达。选择性β-3肾上腺素能激动剂能降低肥胖KK小鼠体重,可能是通・07・中国医师进修杂志2006年4月第29卷第4期内科版 ChinJPostgradMed,April2006,Vol.29,No.4A过改变血清中游离脂肪酸的含量,进而上调骨骼肌的Ucp2的表达量[13]。四、Ucp2与2型糖尿病既然胰岛组织中的Ucp2能抑制胰岛素分泌,那么Ucp2在胰岛β细胞中的过度表达是否参与了2型糖尿病的发病呢?这仍然是个有争议的问题。一些研究人员认为Ucp2具有对β细胞的负性调节作用而被认为是“糖尿病候选基因”[14]。在另一些对Ucp2的研究中有结果表明,Ucp2启动子A/G多态性能增加肥胖的危险,同时减少2型糖尿病的发生[15],而在肥胖高血糖Zuker大鼠胰岛组织中Ucp2呈下调表达。但在Ob/Ob小鼠和Fa/Fa大鼠体内以及高脂高糖饮食诱导的2型糖尿病大鼠胰岛细胞中Ucp2表达明显增高[16-17]。目前Ucp2基因多态性逐渐引起人们的重视,他们与体重指数(BMI)的改变、能量消耗以及高营养饮食后体重的维持相关。其中对启动子多态性关注的焦点在-866A/G的变异上。Krempler等[15]通过对肥胖非糖尿病患者的Upc2基因表型的测序和动物细胞培养以及与β细胞功能关系的研究发现,发生频率更高的Ucp2启动子866G/G型等位基因能减少Ucp2在脂肪组织和胰腺β细胞中mRNA表达,减少信号PAX6的转导。因而在增加发生肥胖可能的同时却能减少2型糖尿病的发生危险。进而,试验小组通过对糖尿病患者非糖尿病后代Ucp2启动子-866G/A进行基因表型和胰岛素敏感指数高血糖钳夹试验,Homa指数的实验研究认为:脂肪、胰岛β细胞、胰岛素-1细胞中Ucp2启动子的-866A/A基因型与肥胖、胰岛素分泌减少、胰岛素抵抗和2型糖尿病的遗传易感性有关[15,18]。Monica等[19]的研究与前面的结果一致,并且发现Ucp2基因变异在女性更为明显。进一步研究还表明[18]:已确诊为2型糖尿病且Ucp2启动子为-866A等位基因的患者,胰岛细胞葡萄糖刺激的胰岛素分泌(GSIS)水平明显低于对照组,而且对外源性胰岛素需求频率更高,Ucp2启动子为-866A/A基因型者Ucp2转录活性和表达水平都增加,另外从-866A/A与-866G/A或-866G/G人体中分离出来的GSIS相比较明显低于后两者[20]。而且-866A纯合子个体中Ucp2表达的增加与过氧化损伤相关的慢性心脏疾病的减少有关。学者[19]研究了意大利非糖尿病正常人群Ucp2启动子-866G/A多态性和葡萄糖耐量试验(OGTT)中葡萄糖刺激的胰岛素分泌状况,认为人类Ucp2基因的变异与胰岛素细胞功能及其分泌水平有关,-866G/A和-866G/G基因较-866A/A基因型人群体内分泌的胰岛素水平更高。同样在日本糖尿病患者群中的研究也得到同样的结论[20]。目前还没有证据能证明Ucp2的作用与胰岛素分泌不足之间存在着必然联系。而且,关于糖尿病进展与Ucp2表达改变之间的系统研究还缺乏更多相关报道。同样令人困惑的是:肥胖大鼠或肥胖糖尿病大鼠如Fa/Fa、ZDF大鼠,虽然胰岛β细胞中Ucp2表达增加,但空腹高胰岛素血症也同时存在,这一现象的进展与变化是否与糖尿病的发病有因果关系?胰岛素分泌是依赖于线粒体ATP产量和K+-ATP通道活性。因此,胰岛素分泌的障碍或不足与Ucp2表达上调之间的关系仍然需要进一步研究。Ucp2对能量代谢的调节作用,影响了胰岛素分泌的改变很可能是肥胖和2型糖尿病相关联的重要基因,对Ucp2的深入研究将对全面阐述2型糖尿病的发病机制和对糖尿病防治有着深远意义。(本文由武革教授审校)参 考 文 献1 LentesKu,TuN,ChenH,etal.Genomicorganizationandmuta2tionalanalysisofthehumanUcp2gene,aprimecandidategeneforhumanobesity.ReceptSignalTransductRas,1999,19(1-4):229-244.2 ChanCB,MacdonaldPE,SalehMC,etal.Overexpressionofuncou2plingprotein2inhibitsglucose-stimulatedinsulinsecretionfromratislets.Diabetes,1999,48(7):1482-14863 ArsenijevicD,OnumaH,PecqueurC,etal.Disruptionoftheuncou2plingprotein-2geneinmicerevealsaroleinimmunityandreactiveoxygenspeciesproduction.NatGenet,2000,26(4):465-469.4 BullenJWJR,ZiotopoulouM,UngsunanL,etal.Shortermresis2tancetodiet-inducedobesityinA/Jmiceisnotassociatedwithreg2ulationofhypothalamicneuropeptides.AmJPhysiolEndocrinolMetab.AmJPhysiolEndocrinolMetab,2004,287(4):E662-E670.5 VettorR,FabrisR,SerraR,etal.Changesinfat/cd36,ucp2,ucp3andglut4geneexpressionduringlipodinfusioninratskeletalandheartmuscle.IntObesRelatMetabDisord,2002,26(6):838-847.6 TokuyukiY,KazuhiroE,YukikoO.Roleofuncouplingprotein-2upregulationandtriglycerideaccumulationinimpairedglucosestim2ulatedinsulinsecretioninaβ-celllipotoxicitymodeloverexpressingsterolregulatioryelement-bindingprotein-1c.Endocrinology,2004,145(8):3566-3577.7 IsabelleBriaud,CynthiaLKelpe,LisaMJohnson,etal.Differentialeffectsofhyperlipidemiaoninsulinsecretioninisletsoflangerhansfromhyperglycemicversusnormoglycemicrats.Diabetes,2002,51(3):662-668.8 JosephJW,KoshkinV,SalehMC,etal.Freefattyacid-inducedbeta-celldefectsaredependentonuncouplingprotein2expression.BiolChem,2004,279(49):51049-51056.9 KraussS,ZhangCY,ScorranoL.Superoxide-mediatedactivationofuncouplingprotein2causespancreaticβ-celldysfunction.ClinIn2vest,2003,112(12):1831-184210LanginD.Diabetes,insulinsecretion,andthepancreaticBETA-cellmitochondrion.NEnglJMed,2001,345(24):1772-1774.11TakayukiMasaki,SeiichiChiba,TohruYasuda,etal.Peripheral,Butnotcentral,administrationofadiponectinreducesvisceraladipos2ityandupregulatestheexpressionofuncouplingproteininAgoutiyellow(AY/a)obesemice.Diabetes,2003,52(9):2266-2273.12TajimaD,MasakiT,HidakaS,etal.Acutecentralinfusionoflep2tinmodulatesFattyacidmobilizationbyaffectinglipolysisandmR2NAexpressionforuncouplingproteins.ExpBiolMed,2005,230(3):200-206.(下转第73页)・17・中国医师进修杂志2006年4月第29卷第4期内科版 ChinJPostgradMed,April2006,Vol.29,No.4A