解偶联蛋白2对缺血性脑卒中脑保护作用的研究进展

杨迪，张颖新，赵金苗，张兵

缺血性脑卒中是世界上主要的致死病因之一。脑缺血启动了一系列瀑布级联反应，包括氧化应激、能量代谢障碍、Ca2+超载、炎症反应、细胞凋亡等[1,2]。在过去的二十年中，溶栓治疗一直是缺血性脑卒中最主要的治疗手段。尽管研究者们在不断探索，血管内治疗为脑卒中患者又带来新的希望，但不管是溶栓治疗还是血管内治疗仍然受到时间窗和适应证的严格限制，只有部分患者能从中受益[3]。对于就诊时间超过时间窗的脑卒中患者，如何进行有效的治疗值得科研工作者们继续深入研究。线粒体作为能量代谢的重要细胞器，广泛分布于脑组织中，在缺血性脑卒中的各个阶段起到重要作用。解偶联蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）是线粒体内膜上的一种载体蛋白，近期研究发现UCP2 可通过调控氧化应激反应、线粒体功能、细胞凋亡、物质能量与代谢等参与缺血性脑卒中的病理过程[4]，有望成为缺血性脑卒中防治的新靶点，本文就UCP2 的脑保护作用及相关机制综述如下。

1 UCP2概述

解偶联蛋白家族是位于线粒体内膜上的载体蛋白，介导H+转运到线粒体基质，使线粒体氧化磷酸化解偶联，将质子动力转化为热量形式。解偶联家 族 有5 个 亚 型：UCP1、UCP2、UCP3、UCP4、UCP5。其中，人类UCP2 基因位于11 号染色体上，基因长度为8.4 kb，有8个外显子编码309个氨基酸和6个跨膜蛋白[5]。UCP2分布在下丘脑、边缘系统、脑干、视交叉上核、室旁核、背内侧核、腹内侧核、弓状核、小脑、海马体等部位[6]。在mRNA水平，UCP2主要表达在神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞、中性粒细胞、单核细胞、脉络丛细胞及内皮细胞中[7]。位于神经元和神经胶质细胞中的UCP2能够调节能量代谢、糖脂代谢、氧化应激、炎症反应等，从而直接影响神经传递。UCP2在脑内的广泛分布与功能的多样性可能是其发挥脑保护作用的重要基础。

2 UCP2的脑保护作用

脑缺血/再灌注损伤是一个复杂的病理过程，涉及氧化应激反应、钙超载、炎症反应、细胞凋亡、能量代谢障碍等，这些机制相互作用最终导致细胞凋亡或坏死[1]。在体动物实验和体外细胞实验中，UCP2均呈现神经保护作用。在脑缺血/再灌注时应激诱导蛋白家族中的Sestrin2 被激活，并通过腺苷酸活化蛋白激酶/氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（AMP-activated protein kinase/peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1 α，AMPK/PGC-1α）通路上调UCP2的表达，从而减少活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的蓄积和氧化应激损伤[8]。在糖氧剥夺构建的大鼠神经元缺血性损伤模型中，人类斯钙素（stanniocalcin-1，STC-1）表达上调；过表达STC-1后，下游分子UCP2的mRNA和蛋白表达显著上调，神经元生长活力显著增加，Bcl-2蛋白表达显著增加，乳酸脱氢酶漏出量和Caspase-3活性明显降低；在使用UCP2 小干扰RNA 抑制UCP2 的表达后，神经元生长活力显著下降，表明STC-1可通过UCP2保护缺血性神经元，其机制可能与调控细胞凋亡相关蛋白有关[9]。

3 UCP2对缺血性脑卒中脑保护作用的相关机制

3.1 抑制氧化应激反应

氧化应激反应是脑缺血/再灌注损伤的主要机制之一，ROS 过度积累可通过多种信号途径加重脑缺血性损伤[10]。UCP2可抑制ROS 的产生从而减少ROS诱导的神经元损伤。研究显示，脑损伤时UCP2表达上调，但是在UCP2基因抑制小鼠的脑组织中，氧化应激标志物Romo-1和促凋亡蛋白Bax表达上调，抗凋亡蛋白Bcl-2的表达明显低于对照组[11]。UCP2调控ROS 的机制存在两种，一种是减少ROS 的产生，另一种是通过抗氧化机制清除过多的ROS[12]。在缺血缺氧条件下，线粒体质子转运体UCP2 的表达可以使线粒内膜上的H+回流，降低线粒体膜电位，在减少三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）产生的同时增加氧化/还原型辅酶ⅠNAD+/NADH比值，加速底物氧化，从而减少氧化还原中ROS的产生[1]。同时，脑卒中时细胞为保存能量进行无氧酵解，其产物丙酮酸会对线粒体呼吸链造成巨大的氧化还原压力，UCP2 可阻止丙酮酸进入线粒体，从而减少ROS 的形成[7]。而研究抗氧化机制时发现，UCP2通过参与调控抗氧化酶如超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性，清除过多的ROS，降低过氧化物水平，从而抑制氧化应激损伤[13,14]。以上实验和假说都证实UCP2 在氧化应激反应中发挥重要作用，对防治脑卒中具有积极的作用。

3.2 调节线粒体功能

缺血性脑卒中时线粒体稳态环境被破坏，低氧诱导因子1α、脱乙酰化酶1、AMPK、c-MYC、PGC-1α等蛋白受到翻译后修饰，激活相关信号通路，引起线粒体功能障碍，进一步诱导神经细胞级联性损伤[15]。保护线粒体功能是治疗缺血性脑卒中的重要靶点，在线粒体复杂的增殖过程中，PGC-1α是线粒体生物合成的重要调节因子并且调控UCP2 的表达[16]。研究显示，PGC-1α-UCP2通路通过参与线粒体生物合成，增加了ATP的产生，减少了线粒体功能障碍诱导的氧化应激反应，改善了小鼠的神经功能[17]。Xu等[18]也证实了增强UCP2的表达可以保护线粒体功能，从而减轻大鼠心脏骤停复苏后的脑损伤，其机制是降低线粒体膜势电位，激活线粒体未折叠蛋白应激反应，提高蛋白质的正确折叠并选择性清除多余或受损的蛋白质，调节线粒体蛋白酶和伴侣分子的表达，如热休克蛋白60、热休克蛋白10和酪蛋白水解酶1。此外，在弓状核中UCP2可以调控下游蛋白动力相关肽1（dynamin-related peptide 1，DRP1），介导线粒体的分裂和神经元中活性氧的水平[19]。因此，UCP2作为重要的线粒体膜蛋白在保护线粒体功能方面发挥了重要的作用，上述研究也为基于线粒体治疗缺血性脑卒中提供了理论依据。

3.3 参与神经细胞凋亡

脑卒中时，对组织造成损伤的主要因素不止是缺血本身，再灌注后神经元的迟发性凋亡也是脑组织损伤的重要因素。脑缺血损伤的第二阶段，除了线粒体功能障碍，钙超载也可引发促凋亡级联反应，远端轴突变性导致梗死面积扩大[20]。脑缺血后细胞内Ca2+升高，线粒体Ca2+超载会损伤线粒体导致膜通透性发生改变，释放线粒体凋亡蛋白到细胞质中并介导神经元凋亡[21]。体外实验证实，UCP2通过调控甲基化线粒体钙摄入蛋白1参与细胞Ca2+摄入[22]。也有研究认为，UCP2 通过降低线粒体膜电位，从而抑制Ca2+超载，并调节Ⅳ态呼吸作用[23]。应激状态下，UCP2对维持Ca2+稳态有重要作用，调节线粒体Ca2+负荷与细胞凋亡途径密切相关[24]。脑损伤时，UCP2基因抑制小鼠的脑组织中促凋亡蛋白Bax表达上调，抗凋亡蛋白Bcl-2的表达明显低于对照组[11]。同样在大鼠缺血缺氧性脑病模型中，GHSR-1α/AMPK/Sirt1/PGC-1α/UCP2 通路可以调节凋亡因子活化型半胱天冬酶-3的表达和Bcl2/Bax的比值，抑制神经元凋亡[25]。因此，推测UCP2通过抑制线粒体Ca2+超载，调控细胞凋亡相关蛋白的表达，减轻神经元凋亡带来的损伤，从而在脑缺血/再灌注损伤中起保护作用。

3.4 参与脑卒中后的物质与能量代谢

3.4.1 物质代谢 高糖血症和高脂血症是缺血性脑卒中的常见危险因素和并发症，糖脂代谢紊乱可加重血脑屏障损伤并影响患者预后[26]。高血糖环境下，葡萄糖氧化增强，大量的ROS 导致线粒体分裂/融合平衡被打破，引起缺血后脑组织肿胀和脑梗死出血性转化[27]。UCP2通过稳定线粒体分裂/融合平衡在葡萄糖稳态中发挥了重要的作用。Toda等[19]发现UCP2基因敲除小鼠葡萄糖耐受不良，但在SF1神经元重新表达UCP2后，线粒体动力学恢复，线粒体分裂蛋白DRP1被激活，葡萄糖水平反应性增加，重新建立了外周器官对胰岛素的敏感性，从而增加了下丘脑腹内侧核神经元活性。UCP2对脂肪酸的反应受脂肪酸结合蛋白、脂质伴侣、炎症通路调控[28]。Tekin 等[29]在小鼠脑室内灌注鸢尾素后发现，下丘脑UCP2 基因的表达增加，总胆固醇、低密度脂蛋白和甘油三酯的水平反而降低，证明UCP2 参与脂代谢，但机制不明确，可能与饥饿素和神经肽Y的释放相关。这些实验提示UCP2 在调控脑缺血后糖脂代谢中有积极的作用，探究其机制对脑卒中具有重要的意义。

3.4.2 能量代谢 在缺血性脑卒中的发病过程中，线粒体由于广泛的分裂、乙酰辅酶a的抑制和NAD+消耗酶活性的增加而导致功能失调，抑制了氧化磷酸化和ATP 的产生，最终导致能量衰竭和细胞死亡[30]。在线粒体蛋白中，UCP2的解偶联作用参与调节ATP水平[31]，其机制与增加线粒体增殖、提高呼吸速率和维持线粒体稳态相关[1,32,33]。UCP2 通过增加线粒体呼吸链和线粒体增殖的能量代谢，为海马体和前额叶皮质神经元提供更多的能量，从而耐受缺氧环境对脑组织的损伤[32]。生酮饮食可改善海马区神经元线粒体功能，通过PGC1α-SIRT3-UCP2 信号通路上调UCP2 的表达，提高线粒体数量使氧气消耗速率和NAD+/NADH 比值显著增加，起到对神经系统的保护作用[33]。Su 等[1]认为，UCP2 可通过调控线粒体脱乙酰化酶3 的活性，维持线粒体稳态和ATP水平，从而对脑缺血/再灌注损伤后的神经细胞发挥保护作用。由此可见，UCP2 可通过改善缺血性脑卒中后的能量代谢障碍发挥脑保护作用。

3.5 抑制炎症反应

脑缺血后，坏死的细胞和ROS 引起机体的固有免疫应答，小胶质细胞和星形胶质细胞被激活并进一步释放多种炎症因子，这些炎症因子经过一系列的信号通路破坏血脑屏障使脑组织发生更严重的炎症性损伤[25]。体外实验中，De Simone等[34]使用小干扰RNA 抑制小胶质细胞中UCP2 的表达，发现代表M1型小胶质细胞的促炎因子标志物白介素6、肿瘤坏死因子-α和亚硝酸盐的表达显著增加；而代表M2 型小胶质细胞的抗炎因子标志物白介素10和甘露糖受体1显著降低。炎症环境使小胶质细胞的极化呈动态变化，M1 型的小胶质细胞通常被认为加重脑损伤，而M2 型的小胶质细胞具有脑保护作用。因此，推测UCP2通过促进小胶质细胞的极化由M1型转向M2型从而发挥抗炎作用。星型胶质细胞也参与炎症反应。星形胶质细胞中UCP2 的沉默可使NF-κB 表达显著上调，促进炎症小体核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3和促炎因子白介素1β的释放，进一步诱导细胞凋亡[4]。上述研究说明，UCP2参与调控小胶质细胞和星型胶质细胞对炎症的反应，增加UCP2 的表达将有助于调控炎症因子的分泌并抑制炎症反应。

3.6 调控神经可塑性

神经可塑性是大脑针对环境变化在结构和功能上的一种重组，是缺血性脑卒中神经功能修复的生理基础。N-甲基-D-天冬氨酸受体分布在神经细胞的突触后膜，可调控神经可塑性，其损伤可导致缺血性脑卒中后认知功能障碍。Hermes 等[35]的研究显示，敲除UCP2 可导致线粒体功能障碍，进一步诱导N-甲基-D-天冬氨酸受体的损伤，小鼠出现神经可塑性和感觉功能的异常。Varela 等[31]的研究也证明UCP2 对神经可塑性的调控与线粒体功能和能量代谢相关。由此可见，UCP2 可以将线粒体功能和神经可塑性结合起来，但UCP2 通过调节神经可塑性实现缺血性脑卒中的保护作用还有待进一步深入的研究。

综上所述，UCP2 通过调控氧化应激反应、线粒体功能、神经细胞活性、能量代谢、炎症反应、神经可塑性等方面参与脑缺血及脑缺血/再灌注损伤的病理生理发展过程，为脑缺血损伤的治疗提供了潜在的新靶点。但在某些机制上对于UCP2的研究还存在一些争议，这可能与脑缺血模型的类型、实验动物的物种、预处理剂以及基因敲除小鼠的遗传补偿不同相关。UCP2的表达与调控是一个复杂的过程，对其机制的研究仅仅是一个开端。因此，充分了解UCP2 在缺血性脑卒中的作用和信号机制，将为今后脑缺血性损伤的治疗提供潜在的思路。另外，目前还没有专门的试剂可以调控UCP2 基因的转录，最终如何确保其最大效率地发挥脑保护作用还需要更多的研究。