楊迪，張穎新，趙金苗，張兵

缺血性腦卒中是世界上主要的致死病因之一。腦缺血啟動(dòng)了一系列瀑布級(jí)聯(lián)反應(yīng)，包括氧化應(yīng)激、能量代謝障礙、Ca2+超載、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡等[1,2]。在過(guò)去的二十年中，溶栓治療一直是缺血性腦卒中最主要的治療手段。盡管研究者們?cè)诓粩嗵剿?，血管?nèi)治療為腦卒中患者又帶來(lái)新的希望，但不管是溶栓治療還是血管內(nèi)治療仍然受到時(shí)間窗和適應(yīng)證的嚴(yán)格限制，只有部分患者能從中受益[3]。對(duì)于就診時(shí)間超過(guò)時(shí)間窗的腦卒中患者，如何進(jìn)行有效的治療值得科研工作者們繼續(xù)深入研究。線粒體作為能量代謝的重要細(xì)胞器，廣泛分布于腦組織中，在缺血性腦卒中的各個(gè)階段起到重要作用。解偶聯(lián)蛋白2（uncoupling protein 2，UCP2）是線粒體內(nèi)膜上的一種載體蛋白，近期研究發(fā)現(xiàn)UCP2 可通過(guò)調(diào)控氧化應(yīng)激反應(yīng)、線粒體功能、細(xì)胞凋亡、物質(zhì)能量與代謝等參與缺血性腦卒中的病理過(guò)程[4]，有望成為缺血性腦卒中防治的新靶點(diǎn)，本文就UCP2 的腦保護(hù)作用及相關(guān)機(jī)制綜述如下。

1 UCP2概述

解偶聯(lián)蛋白家族是位于線粒體內(nèi)膜上的載體蛋白，介導(dǎo)H+轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體基質(zhì)，使線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)，將質(zhì)子動(dòng)力轉(zhuǎn)化為熱量形式。解偶聯(lián)家 族 有5 個(gè) 亞 型：UCP1、UCP2、UCP3、UCP4、UCP5。其中，人類UCP2 基因位于11 號(hào)染色體上，基因長(zhǎng)度為8.4 kb，有8個(gè)外顯子編碼309個(gè)氨基酸和6個(gè)跨膜蛋白[5]。UCP2分布在下丘腦、邊緣系統(tǒng)、腦干、視交叉上核、室旁核、背內(nèi)側(cè)核、腹內(nèi)側(cè)核、弓狀核、小腦、海馬體等部位[6]。在mRNA水平，UCP2主要表達(dá)在神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、脈絡(luò)叢細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞中[7]。位于神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中的UCP2能夠調(diào)節(jié)能量代謝、糖脂代謝、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)等，從而直接影響神經(jīng)傳遞。UCP2在腦內(nèi)的廣泛分布與功能的多樣性可能是其發(fā)揮腦保護(hù)作用的重要基礎(chǔ)。

2 UCP2的腦保護(hù)作用

腦缺血/再灌注損傷是一個(gè)復(fù)雜的病理過(guò)程，涉及氧化應(yīng)激反應(yīng)、鈣超載、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡、能量代謝障礙等，這些機(jī)制相互作用最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或壞死[1]。在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，UCP2均呈現(xiàn)神經(jīng)保護(hù)作用。在腦缺血/再灌注時(shí)應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白家族中的Sestrin2 被激活，并通過(guò)腺苷酸活化蛋白激酶/氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（AMP-activated protein kinase/peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1 α，AMPK/PGC-1α）通路上調(diào)UCP2的表達(dá)，從而減少活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的蓄積和氧化應(yīng)激損傷[8]。在糖氧剝奪構(gòu)建的大鼠神經(jīng)元缺血性損傷模型中，人類斯鈣素（stanniocalcin-1，STC-1）表達(dá)上調(diào)；過(guò)表達(dá)STC-1后，下游分子UCP2的mRNA和蛋白表達(dá)顯著上調(diào)，神經(jīng)元生長(zhǎng)活力顯著增加，Bcl-2蛋白表達(dá)顯著增加，乳酸脫氫酶漏出量和Caspase-3活性明顯降低；在使用UCP2 小干擾RNA 抑制UCP2 的表達(dá)后，神經(jīng)元生長(zhǎng)活力顯著下降，表明STC-1可通過(guò)UCP2保護(hù)缺血性神經(jīng)元，其機(jī)制可能與調(diào)控細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白有關(guān)[9]。

3 UCP2對(duì)缺血性腦卒中腦保護(hù)作用的相關(guān)機(jī)制

3.1 抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)

氧化應(yīng)激反應(yīng)是腦缺血/再灌注損傷的主要機(jī)制之一，ROS 過(guò)度積累可通過(guò)多種信號(hào)途徑加重腦缺血性損傷[10]。UCP2可抑制ROS 的產(chǎn)生從而減少ROS誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷。研究顯示，腦損傷時(shí)UCP2表達(dá)上調(diào)，但是在UCP2基因抑制小鼠的腦組織中，氧化應(yīng)激標(biāo)志物Romo-1和促凋亡蛋白Bax表達(dá)上調(diào)，抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)明顯低于對(duì)照組[11]。UCP2調(diào)控ROS 的機(jī)制存在兩種，一種是減少ROS 的產(chǎn)生，另一種是通過(guò)抗氧化機(jī)制清除過(guò)多的ROS[12]。在缺血缺氧條件下，線粒體質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)體UCP2 的表達(dá)可以使線粒內(nèi)膜上的H+回流，降低線粒體膜電位，在減少三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）產(chǎn)生的同時(shí)增加氧化/還原型輔酶ⅠNAD+/NADH比值，加速底物氧化，從而減少氧化還原中ROS的產(chǎn)生[1]。同時(shí)，腦卒中時(shí)細(xì)胞為保存能量進(jìn)行無(wú)氧酵解，其產(chǎn)物丙酮酸會(huì)對(duì)線粒體呼吸鏈造成巨大的氧化還原壓力，UCP2 可阻止丙酮酸進(jìn)入線粒體，從而減少ROS 的形成[7]。而研究抗氧化機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，UCP2通過(guò)參與調(diào)控抗氧化酶如超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶的活性，清除過(guò)多的ROS，降低過(guò)氧化物水平，從而抑制氧化應(yīng)激損傷[13,14]。以上實(shí)驗(yàn)和假說(shuō)都證實(shí)UCP2 在氧化應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，對(duì)防治腦卒中具有積極的作用。

3.2 調(diào)節(jié)線粒體功能

缺血性腦卒中時(shí)線粒體穩(wěn)態(tài)環(huán)境被破壞，低氧誘導(dǎo)因子1α、脫乙?；?、AMPK、c-MYC、PGC-1α等蛋白受到翻譯后修飾，激活相關(guān)信號(hào)通路，引起線粒體功能障礙，進(jìn)一步誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞級(jí)聯(lián)性損傷[15]。保護(hù)線粒體功能是治療缺血性腦卒中的重要靶點(diǎn)，在線粒體復(fù)雜的增殖過(guò)程中，PGC-1α是線粒體生物合成的重要調(diào)節(jié)因子并且調(diào)控UCP2 的表達(dá)[16]。研究顯示，PGC-1α-UCP2通路通過(guò)參與線粒體生物合成，增加了ATP的產(chǎn)生，減少了線粒體功能障礙誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，改善了小鼠的神經(jīng)功能[17]。Xu等[18]也證實(shí)了增強(qiáng)UCP2的表達(dá)可以保護(hù)線粒體功能，從而減輕大鼠心臟驟停復(fù)蘇后的腦損傷，其機(jī)制是降低線粒體膜勢(shì)電位，激活線粒體未折疊蛋白應(yīng)激反應(yīng)，提高蛋白質(zhì)的正確折疊并選擇性清除多余或受損的蛋白質(zhì)，調(diào)節(jié)線粒體蛋白酶和伴侶分子的表達(dá)，如熱休克蛋白60、熱休克蛋白10和酪蛋白水解酶1。此外，在弓狀核中UCP2可以調(diào)控下游蛋白動(dòng)力相關(guān)肽1（dynamin-related peptide 1，DRP1），介導(dǎo)線粒體的分裂和神經(jīng)元中活性氧的水平[19]。因此，UCP2作為重要的線粒體膜蛋白在保護(hù)線粒體功能方面發(fā)揮了重要的作用，上述研究也為基于線粒體治療缺血性腦卒中提供了理論依據(jù)。

3.3 參與神經(jīng)細(xì)胞凋亡

腦卒中時(shí)，對(duì)組織造成損傷的主要因素不止是缺血本身，再灌注后神經(jīng)元的遲發(fā)性凋亡也是腦組織損傷的重要因素。腦缺血損傷的第二階段，除了線粒體功能障礙，鈣超載也可引發(fā)促凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)，遠(yuǎn)端軸突變性導(dǎo)致梗死面積擴(kuò)大[20]。腦缺血后細(xì)胞內(nèi)Ca2+升高，線粒體Ca2+超載會(huì)損傷線粒體導(dǎo)致膜通透性發(fā)生改變，釋放線粒體凋亡蛋白到細(xì)胞質(zhì)中并介導(dǎo)神經(jīng)元凋亡[21]。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，UCP2通過(guò)調(diào)控甲基化線粒體鈣攝入蛋白1參與細(xì)胞Ca2+攝入[22]。也有研究認(rèn)為，UCP2 通過(guò)降低線粒體膜電位，從而抑制Ca2+超載，并調(diào)節(jié)Ⅳ態(tài)呼吸作用[23]。應(yīng)激狀態(tài)下，UCP2對(duì)維持Ca2+穩(wěn)態(tài)有重要作用，調(diào)節(jié)線粒體Ca2+負(fù)荷與細(xì)胞凋亡途徑密切相關(guān)[24]。腦損傷時(shí)，UCP2基因抑制小鼠的腦組織中促凋亡蛋白Bax表達(dá)上調(diào)，抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá)明顯低于對(duì)照組[11]。同樣在大鼠缺血缺氧性腦病模型中，GHSR-1α/AMPK/Sirt1/PGC-1α/UCP2 通路可以調(diào)節(jié)凋亡因子活化型半胱天冬酶-3的表達(dá)和Bcl2/Bax的比值，抑制神經(jīng)元凋亡[25]。因此，推測(cè)UCP2通過(guò)抑制線粒體Ca2+超載，調(diào)控細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，減輕神經(jīng)元凋亡帶來(lái)的損傷，從而在腦缺血/再灌注損傷中起保護(hù)作用。

3.4 參與腦卒中后的物質(zhì)與能量代謝

3.4.1 物質(zhì)代謝 高糖血癥和高脂血癥是缺血性腦卒中的常見危險(xiǎn)因素和并發(fā)癥，糖脂代謝紊亂可加重血腦屏障損傷并影響患者預(yù)后[26]。高血糖環(huán)境下，葡萄糖氧化增強(qiáng)，大量的ROS 導(dǎo)致線粒體分裂/融合平衡被打破，引起缺血后腦組織腫脹和腦梗死出血性轉(zhuǎn)化[27]。UCP2通過(guò)穩(wěn)定線粒體分裂/融合平衡在葡萄糖穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮了重要的作用。Toda等[19]發(fā)現(xiàn)UCP2基因敲除小鼠葡萄糖耐受不良，但在SF1神經(jīng)元重新表達(dá)UCP2后，線粒體動(dòng)力學(xué)恢復(fù)，線粒體分裂蛋白DRP1被激活，葡萄糖水平反應(yīng)性增加，重新建立了外周器官對(duì)胰島素的敏感性，從而增加了下丘腦腹內(nèi)側(cè)核神經(jīng)元活性。UCP2對(duì)脂肪酸的反應(yīng)受脂肪酸結(jié)合蛋白、脂質(zhì)伴侶、炎癥通路調(diào)控[28]。Tekin 等[29]在小鼠腦室內(nèi)灌注鳶尾素后發(fā)現(xiàn)，下丘腦UCP2 基因的表達(dá)增加，總膽固醇、低密度脂蛋白和甘油三酯的水平反而降低，證明UCP2 參與脂代謝，但機(jī)制不明確，可能與饑餓素和神經(jīng)肽Y的釋放相關(guān)。這些實(shí)驗(yàn)提示UCP2 在調(diào)控腦缺血后糖脂代謝中有積極的作用，探究其機(jī)制對(duì)腦卒中具有重要的意義。

3.4.2 能量代謝 在缺血性腦卒中的發(fā)病過(guò)程中，線粒體由于廣泛的分裂、乙酰輔酶a的抑制和NAD+消耗酶活性的增加而導(dǎo)致功能失調(diào)，抑制了氧化磷酸化和ATP 的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致能量衰竭和細(xì)胞死亡[30]。在線粒體蛋白中，UCP2的解偶聯(lián)作用參與調(diào)節(jié)ATP水平[31]，其機(jī)制與增加線粒體增殖、提高呼吸速率和維持線粒體穩(wěn)態(tài)相關(guān)[1,32,33]。UCP2 通過(guò)增加線粒體呼吸鏈和線粒體增殖的能量代謝，為海馬體和前額葉皮質(zhì)神經(jīng)元提供更多的能量，從而耐受缺氧環(huán)境對(duì)腦組織的損傷[32]。生酮飲食可改善海馬區(qū)神經(jīng)元線粒體功能，通過(guò)PGC1α-SIRT3-UCP2 信號(hào)通路上調(diào)UCP2 的表達(dá)，提高線粒體數(shù)量使氧氣消耗速率和NAD+/NADH 比值顯著增加，起到對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)作用[33]。Su 等[1]認(rèn)為，UCP2 可通過(guò)調(diào)控線粒體脫乙酰化酶3 的活性，維持線粒體穩(wěn)態(tài)和ATP水平，從而對(duì)腦缺血/再灌注損傷后的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)揮保護(hù)作用。由此可見，UCP2 可通過(guò)改善缺血性腦卒中后的能量代謝障礙發(fā)揮腦保護(hù)作用。

3.5 抑制炎癥反應(yīng)

腦缺血后，壞死的細(xì)胞和ROS 引起機(jī)體的固有免疫應(yīng)答，小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞被激活并進(jìn)一步釋放多種炎癥因子，這些炎癥因子經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)通路破壞血腦屏障使腦組織發(fā)生更嚴(yán)重的炎癥性損傷[25]。體外實(shí)驗(yàn)中，De Simone等[34]使用小干擾RNA 抑制小膠質(zhì)細(xì)胞中UCP2 的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)代表M1型小膠質(zhì)細(xì)胞的促炎因子標(biāo)志物白介素6、腫瘤壞死因子-α和亞硝酸鹽的表達(dá)顯著增加；而代表M2 型小膠質(zhì)細(xì)胞的抗炎因子標(biāo)志物白介素10和甘露糖受體1顯著降低。炎癥環(huán)境使小膠質(zhì)細(xì)胞的極化呈動(dòng)態(tài)變化，M1 型的小膠質(zhì)細(xì)胞通常被認(rèn)為加重腦損傷，而M2 型的小膠質(zhì)細(xì)胞具有腦保護(hù)作用。因此，推測(cè)UCP2通過(guò)促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞的極化由M1型轉(zhuǎn)向M2型從而發(fā)揮抗炎作用。星型膠質(zhì)細(xì)胞也參與炎癥反應(yīng)。星形膠質(zhì)細(xì)胞中UCP2 的沉默可使NF-κB 表達(dá)顯著上調(diào)，促進(jìn)炎癥小體核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3和促炎因子白介素1β的釋放，進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[4]。上述研究說(shuō)明，UCP2參與調(diào)控小膠質(zhì)細(xì)胞和星型膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)炎癥的反應(yīng)，增加UCP2 的表達(dá)將有助于調(diào)控炎癥因子的分泌并抑制炎癥反應(yīng)。

3.6 調(diào)控神經(jīng)可塑性

神經(jīng)可塑性是大腦針對(duì)環(huán)境變化在結(jié)構(gòu)和功能上的一種重組，是缺血性腦卒中神經(jīng)功能修復(fù)的生理基礎(chǔ)。N-甲基-D-天冬氨酸受體分布在神經(jīng)細(xì)胞的突觸后膜，可調(diào)控神經(jīng)可塑性，其損傷可導(dǎo)致缺血性腦卒中后認(rèn)知功能障礙。Hermes 等[35]的研究顯示，敲除UCP2 可導(dǎo)致線粒體功能障礙，進(jìn)一步誘導(dǎo)N-甲基-D-天冬氨酸受體的損傷，小鼠出現(xiàn)神經(jīng)可塑性和感覺功能的異常。Varela 等[31]的研究也證明UCP2 對(duì)神經(jīng)可塑性的調(diào)控與線粒體功能和能量代謝相關(guān)。由此可見，UCP2 可以將線粒體功能和神經(jīng)可塑性結(jié)合起來(lái)，但UCP2 通過(guò)調(diào)節(jié)神經(jīng)可塑性實(shí)現(xiàn)缺血性腦卒中的保護(hù)作用還有待進(jìn)一步深入的研究。

綜上所述，UCP2 通過(guò)調(diào)控氧化應(yīng)激反應(yīng)、線粒體功能、神經(jīng)細(xì)胞活性、能量代謝、炎癥反應(yīng)、神經(jīng)可塑性等方面參與腦缺血及腦缺血/再灌注損傷的病理生理發(fā)展過(guò)程，為腦缺血損傷的治療提供了潛在的新靶點(diǎn)。但在某些機(jī)制上對(duì)于UCP2的研究還存在一些爭(zhēng)議，這可能與腦缺血模型的類型、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的物種、預(yù)處理劑以及基因敲除小鼠的遺傳補(bǔ)償不同相關(guān)。UCP2的表達(dá)與調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)其機(jī)制的研究?jī)H僅是一個(gè)開端。因此，充分了解UCP2 在缺血性腦卒中的作用和信號(hào)機(jī)制，將為今后腦缺血性損傷的治療提供潛在的思路。另外，目前還沒(méi)有專門的試劑可以調(diào)控UCP2 基因的轉(zhuǎn)錄，最終如何確保其最大效率地發(fā)揮腦保護(hù)作用還需要更多的研究。