楊雨鳴 王淑英

(1佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154000;2黑龍江省微生物-免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)與相關(guān)疾病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

氧化應(yīng)激是指在內(nèi)外環(huán)境發(fā)生變化時(shí),機(jī)體內(nèi)氧化系統(tǒng)與抗氧化系統(tǒng)間的動(dòng)態(tài)平衡被破壞,導(dǎo)致活性氧(ROS)過量產(chǎn)生的病理狀態(tài)〔1〕。氧化應(yīng)激是多種疾病發(fā)生發(fā)展過程中的重要病理環(huán)節(jié),多種信號(hào)通路參與介導(dǎo)氧化應(yīng)激的病理機(jī)制,細(xì)胞能通過協(xié)調(diào)各種信號(hào)通路,消散氧化應(yīng)激反應(yīng)的不利影響,以維持自身的穩(wěn)定狀態(tài)。因此,在疾病的研究過程中,應(yīng)當(dāng)具備整體思路,深入了解有關(guān)信號(hào)通路在病程進(jìn)展中的作用,為藥物的針對(duì)性治療提供理論基礎(chǔ),本文對(duì)VCP2/SIRT3信號(hào)通路與氧化應(yīng)激在疾病中的作用進(jìn)行綜述。

1 解耦聯(lián)蛋白(UCP)

線粒體載體蛋白是物質(zhì)交換的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),氨基酸、糖脂化合物和無(wú)機(jī)鹽等物質(zhì)通過載體蛋白在細(xì)胞胞質(zhì)與線粒體基質(zhì)間流動(dòng),有利于維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定狀態(tài)及細(xì)胞自身代謝的正常進(jìn)行〔2〕。UCP是線粒體載體蛋白的重要組成部分,參與介導(dǎo)細(xì)胞氧化磷酸化(OXPHOS)進(jìn)程中的質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn),在調(diào)節(jié)能量代謝和ROS產(chǎn)生方面發(fā)揮作用〔3〕。UCP可直接將質(zhì)子由線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體基質(zhì),使氧化和磷酸化過程解除耦聯(lián),三磷酸腺苷(ATP)的產(chǎn)生減少,能量轉(zhuǎn)以熱能形式釋放〔4〕。目前,哺乳動(dòng)物體內(nèi)共發(fā)現(xiàn)6種不同亞型的UCP,包括最早被發(fā)現(xiàn)的UCP1及其同系物UCP2-UCP6,其各自分布部位有所差異:UCP1特異性存在于棕色脂肪組織,作用于非戰(zhàn)栗產(chǎn)熱;UCP2在不同器官中均有廣泛表達(dá);UCP3在骨骼肌中可見較高表達(dá),其在心臟中亦有少量分布;UCP4和UCP5主要分布在神經(jīng)組織中,對(duì)神經(jīng)元的可塑性和存活發(fā)揮調(diào)節(jié)作用;UCP6則較多表達(dá)于機(jī)體腎臟中〔5,6〕。

UCP2的廣泛分布為其功能的多樣性提供基礎(chǔ)〔7〕。UCP2參與調(diào)節(jié)基礎(chǔ)代謝、氧化應(yīng)激反應(yīng)和胰島素抵抗等多種生理和病理進(jìn)程。ROS主要生成于線粒體,ROS產(chǎn)生與累積與氧化應(yīng)激的發(fā)生和發(fā)展直接相關(guān),過量的ROS會(huì)攻擊脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等細(xì)胞成分,并阻礙細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),造成細(xì)胞損傷〔8〕。UCP2通過多重機(jī)制的共同作用調(diào)控ROS生成,介導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng):一方面,UCP2表達(dá)水平升高促進(jìn)質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)膜,線粒體膜電位降低,OXPHOS反應(yīng)解耦聯(lián),ATP合成減少,氧化型輔酶Ⅰ水平上升,氧化反應(yīng)加速進(jìn)行,ROS產(chǎn)量減少〔9〕;另一方面,血氧供應(yīng)不足時(shí),細(xì)胞通過無(wú)氧呼吸供能,減輕線粒體內(nèi)物質(zhì)代謝產(chǎn)生的壓力,保護(hù)線粒體功能,間接減少ROS產(chǎn)生〔10〕。此外,UCP2和UCP3可以通過調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)Ca2+的攝取,減輕線粒體內(nèi)膜壓力,維持線粒體的穩(wěn)定狀態(tài),減輕細(xì)胞損傷〔11〕。有研究表明〔12〕,經(jīng)受相同缺血再灌注(I/R)損傷后,缺失UCP2小鼠比野生型小鼠的腦組織損傷更為嚴(yán)重,ROS水平顯著升高,線粒體腫脹更為嚴(yán)重,即UCP2通過減輕氧化應(yīng)激損傷并維護(hù)線粒體穩(wěn)態(tài),發(fā)揮對(duì)I/R損傷神經(jīng)元的保護(hù)作用。

2 去乙?；?SIRTs)

SIRTs是具有NAD+依賴性的組蛋白去乙酰化酶家族,其在進(jìn)化過程具有高度保守性,以NAD+為底物發(fā)揮去乙?；钚浴?3〕。包括ROS積累、慢性炎癥和早衰等體內(nèi)多種病理活動(dòng)都與SIRT的調(diào)控有關(guān)。目前發(fā)現(xiàn),SIRTs包括SIRT1～7共7個(gè)成員,其各自在亞細(xì)胞定位和調(diào)控機(jī)制上有所差異〔14〕。

SIRT3主要存在于線粒體,對(duì)能量代謝和氧化應(yīng)激具有調(diào)節(jié)作用,參與維持線粒體的穩(wěn)定狀態(tài)〔15〕。SIRT3參與調(diào)節(jié)ATP合酶的活性,并通過去乙酰化的激活異檸檬酸脫氫酶(IDH2),IDH2以NADP+(氧化型輔酶Ⅱ)為反應(yīng)輔助因子,是三羧酸循環(huán)中的關(guān)鍵酶,從而促進(jìn)OXPHOS反應(yīng)的進(jìn)行并調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝〔16,17〕。SIRT3通過去乙酰化激活部分酶的活性,如過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)2,兩者是抗氧化系統(tǒng)的重要成員,能夠通過將超氧化物轉(zhuǎn)化為過氧化氫,減輕細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平〔18〕。SIRT3通過去乙?；岣呔€粒體呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ表達(dá)水平,加速電子傳遞,間接減少ROS產(chǎn)生〔19〕。此外,通過激活線粒體內(nèi)膜融合蛋白(OPA)1,SIRT3參與維持線粒體融合/分裂的動(dòng)態(tài)平衡,對(duì)維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的相對(duì)穩(wěn)定具有積極作用〔20〕。親環(huán)素D是線粒體通透性過渡孔(mPTP)的組分之一,SIRT3通過去乙酰化親環(huán)素D,關(guān)閉mPTP,阻礙胞質(zhì)內(nèi)離子和無(wú)機(jī)磷酸鹽進(jìn)入線粒體,減輕線粒體內(nèi)膜壓力,減少氧化應(yīng)激損傷〔21〕。有研究表明〔22〕,缺血/再灌注(I/R)發(fā)生后,激活SIRT3,能顯著減輕氧葡萄糖剝奪/恢復(fù)(OGD/R)誘導(dǎo)的神經(jīng)元損傷,有利于減輕線粒體損傷,減低氧化應(yīng)激水平,減少神經(jīng)元凋亡。因此,SIRT3可能是調(diào)控氧化應(yīng)激,維持線粒體穩(wěn)態(tài),減輕細(xì)胞損傷的有效作用靶點(diǎn)。

3 UCP2/SIRT3信號(hào)通路與氧化應(yīng)激

還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸與其氧化狀態(tài)(NADH)可以互相轉(zhuǎn)化,兩者參與機(jī)體各種生化反應(yīng),是能量代謝的必需輔酶〔23〕。UCP2參與介導(dǎo)質(zhì)子直接轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體內(nèi)膜,而不經(jīng)過OXPHOS過程,因此,ATP合成受阻,NAD+/NADH比值上升。此外,NAD+是多種信號(hào)通路的重要參與者,其下游因子通過接受NAD+的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),發(fā)揮對(duì)氧化應(yīng)激和能量代謝的調(diào)節(jié)作用〔24〕。SIRT3去乙?；钚缘陌l(fā)揮具有依賴于NAD+的特性,能夠感知NAD+的水平變化,即當(dāng)NAD+水平升高時(shí),SIRT3酶活性顯著提高。UCP2通過使線粒體氧化和磷酸化反應(yīng)解偶聯(lián),減少ATP產(chǎn)生,提升NAD+/NADH比值,上調(diào)SIRT3活性。表面上看,這一過程未產(chǎn)生足量ATP為細(xì)胞供能,但在血氧供應(yīng)不足的病理?xiàng)l件下,這一過程一方面能降低線粒體膜電位,直接減少ROS的產(chǎn)生,降低細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平,另一方面,也有利于激活位于SIRT3下游的SOD2和CAT等抗氧化酶,增強(qiáng)機(jī)體抗氧化系統(tǒng)防御能力,有效保護(hù)細(xì)胞,減少細(xì)胞損傷〔25〕。因此,UCP2/SIRT3信號(hào)通路在調(diào)節(jié)機(jī)體氧化應(yīng)激方面發(fā)揮積極作用,不僅有利于線粒體穩(wěn)態(tài)的維持,也對(duì)細(xì)胞適應(yīng)外環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化具有重要意義。

4 UCP2/SIRT3信號(hào)通路與氧化應(yīng)激在衰老相關(guān)疾病中的作用機(jī)制

氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞損傷是多種衰老和年齡相關(guān)性疾病的共同病理進(jìn)程?？寡趸到y(tǒng)防御能力減弱和以ROS為主的自由基在體內(nèi)積聚,誘發(fā)氧化反應(yīng),直接損害脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等細(xì)胞組分,細(xì)胞因子釋放,引發(fā)炎癥反應(yīng),進(jìn)一步加重細(xì)胞損傷。SIRT3參與調(diào)節(jié)線粒體功能及細(xì)胞衰老的相關(guān)進(jìn)程,煙酰胺單核苷酸(NMN)是NAD+的前體,NMN通過提高SIRT3活性,一方面使降低受損線粒體蛋白的乙酰化程度和ROS水平,另一方面,提高抗氧化劑SOD2活性,減輕氧化應(yīng)激水平及腦組織缺血性損傷〔26〕。已有研究表明〔27〕,衰老過程中,氧化應(yīng)激反應(yīng)與神經(jīng)元損傷與神經(jīng)功能缺損的發(fā)生關(guān)系密切。缺血性腦卒中(IS)是由于血管堵塞使腦血流量急劇減少引起腦組織血氧供應(yīng)障礙繼而導(dǎo)致神經(jīng)組織損傷的一種臨床疾病,恢復(fù)血流灌注并減少I/R損傷能有效改善IS患者的預(yù)后〔28〕。有研究證實(shí)〔9〕,UCP2能通過感知NAD+水平,調(diào)節(jié)SIRT3活性,影響線粒體呼吸鏈并調(diào)節(jié)ATP和ROS的產(chǎn)生,這有利于減少氧化應(yīng)激損傷,保護(hù)I/R損傷的神經(jīng)元。過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助因子(PGC)-1α是參與調(diào)節(jié)線粒體功能的主要因子之一,能提高抗氧化劑水平,減少ROS產(chǎn)生,提高缺氧狀態(tài)下神經(jīng)元的代謝活性,改善慢性腦缺血小鼠認(rèn)知缺陷〔29〕。Meng等〔30〕研究發(fā)現(xiàn),絲氨酸蛋白酶能通過上調(diào)UCP2/SIRT3/PGC-1α信號(hào)通路降低I/R小鼠腦皮層線粒體損傷,有利于保護(hù)受損的神經(jīng)元,此外,UCP2特異性抑制劑Genipin能通過UCP2/SIRT3/PGC-1α信號(hào)通路改善腦I/R損傷。星形膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)組織的組分之一,參與炎癥反應(yīng)和神經(jīng)損傷修復(fù)。缺氧條件下,斯鈣素(STC)-1低表達(dá)的星形膠質(zhì)細(xì)胞通過降低SIRT3和UCP2并增加ROS水平抑制細(xì)胞活力,增加細(xì)胞凋亡,進(jìn)一步研究表明,STC1的表達(dá)受低氧誘導(dǎo)因子(HIF)-1α的調(diào)節(jié),即HIF-1α能通過調(diào)節(jié)UCP2和SIRT3水平,維持氧化應(yīng)激水平,保護(hù)受缺氧損傷是星形膠質(zhì)細(xì)胞〔31〕。

心臟和腦均是機(jī)體代謝率高、對(duì)血氧供應(yīng)不足敏感的器官,UCP2/SIRT3信號(hào)通路在心肌損傷的進(jìn)展中同樣發(fā)揮重要作用。瞬時(shí)受體電位香草酸亞型(TRPV)1是一種非特異性陽(yáng)離子通道,對(duì)H+、Ca2+和Mg2+等離子具有通透性,參與調(diào)節(jié)血管功能和重塑〔32〕。研究表明〔33〕,慢性攝入辣椒素可能通過提高TRPV1活性,上調(diào)UCP2和SIRT3表達(dá),降低氧化應(yīng)激水平,減輕高鹽誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞線粒體功能障礙,保護(hù)心肌細(xì)胞。耿爭(zhēng)光〔34〕實(shí)驗(yàn)證明,上調(diào)UCP2能提高缺氧復(fù)氧(HR)損傷心肌細(xì)胞的存活率,且UCP2/SIRT3通路能夠通過減輕氧化應(yīng)激、減少線粒體分裂并維護(hù)線粒體動(dòng)態(tài)平衡發(fā)揮對(duì)損傷心肌細(xì)胞的保護(hù)作用。

5 UCP2/SIRT3信號(hào)通路與氧化應(yīng)激在代謝相關(guān)疾病中的作用機(jī)制

心腦血管疾病的發(fā)生發(fā)展與糖類和脂類化合物代謝減慢并在血管內(nèi)積聚有關(guān),此外,非酒精性脂肪肝和糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥也是常見的以代謝障礙為特點(diǎn)的疾病。非酒精性脂肪肝以肝細(xì)胞內(nèi)脂肪代謝紊亂為主要特征,脂質(zhì)積累導(dǎo)致ROS蓄積,線粒體功能受損,最終加重肝臟組織氧化應(yīng)激水平〔35〕。有研究顯示〔36〕,對(duì)高脂飲食誘導(dǎo)的非酒精性脂肪肝小鼠應(yīng)用利拉魯肽能上調(diào)UCP2和SIRT3的表達(dá)水平,減少ROS產(chǎn)生,增加抗氧化酶活性,加強(qiáng)線粒體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,顯著改善脂肪積聚誘導(dǎo)的肝細(xì)胞損傷。馬佳敏等〔37〕研究發(fā)現(xiàn),枸杞多糖和有氧運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合治療措施能使非酒精性脂肪肝大鼠肝臟內(nèi)UCP2、SIRT3和錳超氧化物歧化酶(MnSOD)表達(dá)水平均提高,同時(shí),聯(lián)合治療組大鼠糖脂代謝障礙、氧化應(yīng)激和肝臟損傷得到明顯改善,其作用機(jī)制可能與UCP2/SIRT3通路有關(guān)。糖尿病是以血糖慢性升高為特征的常見代謝性疾病,線粒體功能障礙是糖尿病的重要標(biāo)志之一。2型糖尿病(T2DM)的患病率遠(yuǎn)高于1型,胰島素抵抗是其主要的發(fā)病機(jī)制〔38〕。Gounden等〔39〕研究證實(shí)了肝組織細(xì)胞中UCP2和SIRT3具有同向變化性及SIRT3和PGC-1α在氧化應(yīng)激狀態(tài)下能增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)的防御能力,從而減輕高血糖環(huán)境對(duì)肝細(xì)胞的損傷。有研究表明〔40〕,在體外實(shí)驗(yàn)中,辣木葉提取物能顯著提高高糖處理的肝臟細(xì)胞中的UCP2和SIRT3水平,提高線粒體復(fù)合物Ⅰ和Ⅳ的活性和數(shù)量,即辣木葉提取物能通過調(diào)節(jié)線粒體呼吸鏈及UCP2和SIRT3的表達(dá)水平改善線粒體功能障礙及胰島素敏感性,抑制ROS產(chǎn)生,減輕高糖環(huán)境對(duì)肝組織細(xì)胞的損傷。

肥胖是糖脂代謝障礙的常見表現(xiàn),肥胖兒童脂肪組織中線粒體融合相關(guān)蛋白表達(dá)水平低于正常,同時(shí),呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ活性及ATP水平明顯降低。與正常組相比,PGC1α、呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ和Ⅴ及超氧化物歧化酶(SOD)2處于高度乙?；癄顟B(tài),活性被顯著抑制,UCP1、UCP2和SIRT3等線粒體功能相關(guān)蛋白表達(dá)下降,導(dǎo)致線粒體生物發(fā)生、結(jié)構(gòu)、代謝和功能存在障礙,不利于細(xì)胞生理代謝的正常進(jìn)行〔41〕。由此可見,UCP2/SIRT3在脂肪代謝和維持線粒體功能方面也發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。瘦素參與調(diào)節(jié)體質(zhì)量、脂質(zhì)代謝和細(xì)胞凋亡,通過多種通路作用于脂肪組織〔42〕。研究表明〔43〕,經(jīng)瘦素處理的小鼠激素敏感性脂肪酶(HSL)、UCP2、SIRT3、腎上腺素受體(ADR)3等因子表達(dá)增加,而胱天蛋白酶(caspase)3、腫瘤壞死因子(TNF)-α和脂肪酸合成酶等表達(dá)降低,結(jié)果表明,瘦素通過介導(dǎo)UCP2和SIRT3及其他相關(guān)因子促進(jìn)脂質(zhì)動(dòng)員及能量耗散,進(jìn)而加速脂肪代謝,減少脂肪堆積。 盡管UCP2/SIRT3信號(hào)通路在不同疾病進(jìn)程中的作用有所差異,但是,其對(duì)細(xì)胞氧化應(yīng)激和能量代謝的調(diào)節(jié)作用已在現(xiàn)有研究中得到證明。

綜上,UCP2/SIRT3信號(hào)通路在調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激和能量代謝方面的作用日益受到廣泛關(guān)注。線粒體是細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”,對(duì)細(xì)胞能量供應(yīng)和穩(wěn)態(tài)維持具有重要意義。UCP2/SIRT3信號(hào)通路可以通過介導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng),參與疾病的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程。因此,通過了解UCP2/SIRT3信號(hào)通路與氧化應(yīng)激調(diào)控機(jī)制,整體性評(píng)價(jià)該通路在氧化應(yīng)激進(jìn)程中的作用及其對(duì)疾病病程的影響,可以進(jìn)一步了解不同疾病及疾病不同發(fā)展階段中,UCP2/SIRT3信號(hào)通路的作用機(jī)制,以制定針對(duì)UCP2/SIRT3信號(hào)通路和氧化應(yīng)激機(jī)制更為精準(zhǔn)的個(gè)體化研究方案,將為疾病的治療提供更為廣闊的前景。