解偶联蛋白2在呼吸系统疾病中的研究进展*

杨晓东 赵晨旭 王琳琳 刘丽云

佳木斯大学附属第一医院呼吸与危重症医学科，黑龙江省佳木斯市 154002

解偶联蛋白2(Uncoupling protein 2，UCP2)是广泛分布于人类及啮齿类动物脂肪、肺、脑、胃肠道、脾和胰腺等器官组织线粒体内膜上的阳离子载体蛋白，其主要的生理作用是将线粒体氧化磷酸化解偶联，调节氧化应激反应及糖脂代谢等。UCP2参与了多种疾病的病理生理过程，使机体免受氧化应激损伤，发挥组织器官保护的作用。

1 UCP2的基因定位与分布

UCP2是Fleury等[1]于1997年发现并克隆的一种“新型”解偶联蛋白，由309个氨基酸残基组成，相对分子量约为32kD，基因定位于人的第11号染色体上。其与 UCP1的基因序列高度同源，约有59%的一致性。UCP2分布广泛，在人类及啮齿类动物的脂肪、肺、脑、胃肠道、脾和胰腺等各组织器官线粒体内膜上均有分布[2]。由此，对于UCP2的研究近年来日益增多，已经有学者研究证实在减少胰岛素分泌、调节脂肪酸代谢、抗神经元凋亡等方面UCP2均发挥了作用，其还能限制活性氧的产生、参与巨噬细胞介导的免疫应答和炎症过程[3]。

2 UCP2的主要生理功能

UCP2可将呼吸链氧化过程与磷酸化过程解偶联，其通过介导“质子漏”(即降低跨膜质子电化学梯度，限制ATP合成，导致能量以热的形式消耗掉)使线粒体内膜的质子梯度降低，进而使活性氧簇(Reactive oxygen species，ROS)的产生减少、氧化应激反应减轻[4]。需氧真核细胞抗氧化防御的首要条件是抑制线粒体ROS的产生，其效果优于消除已经形成的反应性自由基。研究表明UCP2可通过调节活性氧的产生以帮助机体完成“温和的解偶联”过程，而温和的解偶联对机体具有天然保护作用。因此，诱导UCP2过表达能减轻氧化应激反应，抑制氧化损伤。另外，线粒体ROS产生的局部反馈回路中也有UCP2的参与控制。基于此两点，调控UCP2的表达被广泛用于干预癌症、动脉粥样硬化、神经系统疾病等与氧化应激反应相关疾病的实验中，这或许可以成为减轻氧化应激反应的新靶点，作为控制相关疾病进展的新方法而被广泛应用于临床工作之中[5]。UCP2在调节糖脂代谢方面也发挥着重要作用[6]。在调控血糖方面，UCP2不但能通过介导质子漏干扰胰岛 β 细胞ATP合成，还能通过调节过氧化物酶体增殖物激活受体信号通路基因表达等途径改善胰岛素敏感性[7]，这使得糖尿病的治疗途径在未来将更加多元化。在脂代谢调节方面，一项UCP2-866G/A基因多态性作用对血脂影响的研究将血脂调节更加精准的定位于基因层面。而在这之前已经有学者发现非酒精性脂肪肝内UCP2的表达量增加，为临床治疗提供了重要的理论依据。

3 UCP2与呼吸系统疾病

3.1 UCP2与肺癌 肺癌是人类亟须攻克的一大难题，肿瘤细胞因具有生长迅速和侵袭转移能力强的特点，在诸多限制条件如缺氧、氧化应激、宿主免疫攻击等情况下仍进展快速，这一过程需要大量的能量消耗。UCP2作为人体能量主要来源的线粒体内膜上的阳离子载体蛋白，近年来越来越多的研究发现其与肿瘤进程的关系密切。已有研究发现在不同肿瘤中均有UCP2的过表达，其不但可以通过调节细胞代谢，促进肿瘤细胞有氧糖酵解，还可靶向作用于p53，通过抑制ROS系统逆转由 p53发起的凋亡信号，避免肿瘤细胞受到过多ROS损害。一项通过氨基甲酸乙酯诱发小鼠肺癌的实验发现，肺癌的形成与小鼠肺中UCP2高表达相关，且多剂量氨基甲酸乙酯诱导的小鼠在第一剂量氨基甲酸乙酯诱导后接受UCP2高选择性抑制剂京尼平治疗能降低肿瘤发生率。线粒体功能异常是肿瘤生长的重要因素，通过抑制UCP2的过表达来限制线粒体氧化磷酸化解偶联或许可以部分逆转肿瘤形成，成为肺癌防治的新方法[8]。在肺癌的生长方面，UCP2也发挥了重要作用。肿瘤细胞的迅速增殖需要消耗大量能量，故与非肿瘤细胞相比其更容易受线粒体钙超载的影响。但其发展出一种聪明的平衡策略，在满足线粒体Ca2+摄取需求的同时还能保护自身免受钙超载影响。其主要机制是通过控制蛋白质精氨酸甲基转移酶1(PRMT1)甲基化降低线粒体Ca2+摄取敏感性以抵消钙超载，同时肿瘤细胞线粒体UCP2在PRMT1驱动甲基化下使线粒体Ca2+摄取正常化，确保线粒体Ca2+足量摄取以维持肿瘤细胞生长[9]。总之，适量的线粒体Ca2+摄取是肿瘤生长的必要条件。有研究发现联合高表达UCP2和PRMT1能提高肺癌细胞活性和增殖能力，降低肺癌患者总体生存率[10]。因此，控制UCP2的表达，靶向调节线粒体Ca2+摄取或许可以有效抑制肺癌细胞活性和增殖，并诱发其受钙超载影响而损伤。若能打破肺癌细胞的“平衡策略”，或许将能更好地实现肺癌的个体化治疗。此外，在UCP2与肺癌分型相关性研究中发现，肺腺癌中UCP2的表达高于鳞状细胞肺癌，证实不同分型的肺癌细胞中UCP2表达程度也有所不同[11]，这与Sayeed A等人发现的UCP2水平与肿瘤的分型密切相关的结果一致。在肺癌的治疗方面，UCP2被发现既能影响化疗药物紫杉醇诱导的活性氧产生，还能调节肺癌细胞对紫杉醇治疗的敏感性。在化疗耐药性上UCP2也发挥作用。研究发现缺氧的非小细胞肺癌细胞对化疗的敏感性降低，这是由于缺氧通过介导缺氧诱导因子-1(HIF-1)抑制过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)从而下调UCP2，而UCP2的下调导致其对ROS的抑制的作用降低，促进药物外排而导致化疗耐药[12]。对于接受顺铂化疗的晚期肺癌患者，癌细胞UCP2低表达预示着化疗反应差，生存率低。UCP2低表达可能通过ROS介导的Nrf2稳定和药物外排转运体ABCG2在NSCLC细胞中的上调而促进药物外排导致顺铂耐药。而活性氧清除剂N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)下调缺氧细胞中Nrf2和ABCG2的表达，提高了细胞对顺铂的敏感性。由此，UCP2作为缺氧诱导非小细胞肺癌化疗耐药的关键介质，或许可在难治性非小细胞肺癌的治疗中发挥潜在的靶向作用，为降低肺癌化疗耐药性提供新思路。

3.2 UCP2与肺动脉高压 肺动脉高压(PH)是发病机制复杂、预后极差的一类疾病，其发病率逐年上升，严重危害人类的健康。多种因素共同参与影响PH的病理发展过程，包括氧化应激反应、内皮功能障碍、离子通道异常开闭、免疫反应等[13]。其中氧化应激反应的参与使UCP2和PH的相关性研究成为近年来的热点。Dromparis在2013年首次阐明UCP2在肺动脉高压血管重建中的作用。发现敲除UCP2基因的小鼠可自发形成肺血管重构和肺动脉高压，这归因于UCP2具有将钙从内质网转运到线粒体并抑制线粒体功能，减少活性氧的产生及减轻氧化应激反应的作用。在PH的发生中，缺氧能直接抑制线粒体葡萄糖氧化，降低线粒体钙水平使内质网应激能间接抑制线粒体葡萄糖氧化，二者均能促进肺血管重构。此外，敲除UCP2基因的小鼠呈现假缺氧状态，在抑制线粒体葡萄糖氧化使肺血管重构的同时还能激活HIF-1，令慢性缺氧不会进一步加重，这或许在一定程度上还起到肺血管保护效果。综上，UCP2在延缓肺血管重构和肺动脉高压进展方面具有极为重要的作用。另一研究发现，在间歇性缺氧(IH)诱导形成PH的模型中，UCP2基因敲除的小鼠肺动脉内皮细胞的有丝分裂能力增强、线粒体生物合成不足、内皮细胞凋亡增加。而使用靶向作用于内皮细胞的慢病毒沉默RNA影响UCP2基因敲除的小鼠可预防IH诱导的PH发生，足以见得UCP2对于预防PH具有显著的作用[14]。国内也有学者进行了相关研究，其通过慢性持续低氧诱导建立小鼠PH模型发现，与对照组相比，实验组小鼠肺组织内UCP2水平随着低氧时间延长而增加，UCP2代偿性增加能部分阻止肺血管重构，但不足以与持续低氧导致的肺动脉平滑肌细胞增生相对抗。因此肺组织内代偿性的UCP2水平升高虽然能延缓PH的进程，但仍然不能达到阻止其发展的效果。由此推论，如果能在肺动脉高压早期通过靶向干预及时增强UCP2的表达，或许可以延缓甚至逆转PH的进展，这将成为治疗PH的有利条件，为临床治疗PH提供又一新思路[15]。

3.3 UCP2与急性肺损伤 急性肺损伤(Acute lung injury, ALI)是常见的临床危重症，全身失控性炎症反应是其发生发展的重要原因。急性肺损伤后，外周的炎症细胞聚集于肺组织并大量释放炎症因子，引起炎症瀑布反应，损伤肺泡—血管屏障，加重肺水肿和通气/血流比例失衡[16]，一系列复杂的病理特征导致目前对ALI有效的治疗手段依然相对匮乏，欲降低其死亡率仍是一个难题。近年来对UCP2的不断深入研究发现其与急性肺损伤有着紧密联系。有学者通过建立高氧相关性肺损伤(HALI)动物模型模拟了UCP2在高浓度吸氧引起急性肺损伤的发病过程中所发挥的作用。其实验发现在高氧暴露1h的小鼠肺组织中发生线粒体突变，ROS产生短暂性上升，引起肺内一系列氧化应激反应发生，促成急性肺损伤。同时，大量产生的ROS增强了小鼠肺泡巨噬细胞的促炎活性，诱导UCP2在小鼠巨噬细胞中高表达，使线粒体膜电位(ΔΨm)下降，减少了线粒体超氧化物的产生，反过来又对高氧性肺损伤小鼠细胞内不适当的促炎症激活起到限制作用，使其发生适应性抗氧化反应。另一项通过在小鼠气管内注射脂多糖(LPS)诱导建立小鼠急性肺损伤模型的实验发现，肺组织内UCP2的表达最初被抑制，随着内源性糖蛋白锡钙素-1(STC1)不断升高，UCP2水平上调。高表达的UCP2减轻了氧化应激反应并发挥抗炎抗损伤作用。此外，该实验中发现对小鼠气管外源性注射STC1能抑制炎症级联反应、诱导抗氧化和抗凋亡机制，有效对抗LPS诱导的急性肺损伤，验证了外源性重组人STC1对急性肺损伤的保护作用，而UCP2作为STC1发挥作用的重要媒介，调控其表达对治疗急性肺损伤同样具有潜在临床应用价值，或许能填补急性肺损伤治疗的部分空白[17]。然而，国内一项研究结果与此完全相反，其发现在LPS诱导的小鼠急性肺损伤模型中UCP2的表达显著增高，但过表达的UCP2 加重了肺组织病理改变、增加炎症细胞浸润和肺组织出血，促进肺水肿并降低急性肺损伤小鼠的存活率，这一机制可能与UCP2激活JNK、p38 MAPK、NF-κB信号通路并释放炎症因子使肺组织发生炎症损伤、促进肺泡上皮细胞凋亡有关。最近另有一项实验发现LPS诱导的急性肺损伤小鼠肺组织内发生强烈的氧化应激反应，使线粒体功能障碍、ΔΨm下降及ATP合成减少，UCP2 mRNA低表达，这又与之前的几项实验结果有所不同[18]。总之，UCP2在ALI中的作用不容忽视，但其具体作用及机制尚存在争议，有待进一步探究。

3.4 UCP2与其他呼吸系统疾病 近年来发现UCP2还广泛参与到其他呼吸系统疾病中。一项临床实验通过分析阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(OSAS)患者UCP2水平变化发现，OSAS可引起UCP2高表达，其机制可能是OSAS患者睡眠中发生类似“心肌缺血—再灌注损伤”的反复低氧—再恢复过程，产生大量ROS促进氧化应激反应，导致UCP2反馈式增加。特发性肺纤维化(IPF)与UCP2的关系也受到关注，有学者指出临床病程进展快的老年IPF患者肺成纤维细胞UCP2表达明显高于病程进展慢的患者。其机制是衰老导致线粒体功能障碍引起活性氧过度产生，UCP2反应性上调以达到抗氧化、维持稳态的作用。在博莱霉素诱导形成肺纤维化的老年小鼠模型中，纤维形成高峰后通过气道给予UCP2 siRNA可减少组织胶原从而改善肺结构。这一研究使UCP2用于靶向治疗IPF成为可能[19]。

综上所述，UCP2与呼吸系统疾病的发生发展之间存在紧密联系，但目前对UCP2及呼吸系统疾病相关性的研究，尤以慢性阻塞性肺疾病、支气管哮喘和肺炎等罕见报道，尚有待进一步探索。不难发现关于UCP2在呼吸系统疾病中的作用及机制将成为今后的一大研究热点并为呼吸系统疾病的治疗注入强有力的新鲜血液。