解偶联蛋白-2及缺氧诱导因子-1在肿瘤细胞中表达的意义

解偶联蛋白-2及缺氧诱导因子-1在肿瘤细胞中表达的意义戴纪刚1，汤兴平2，闵家新1，余祖滨1，张在永1（1.第三军医大学新桥医院胸外科，重庆400037；2.赤水市人民医院，贵州赤水564700）【提要】解偶联蛋白-2（uncoupling protein -2，UCP -2）是线粒体内膜上的一种蛋白，能降低线粒体膜电位，限制三磷酸腺苷（ATP ）合成，参与转运丙酮酸，与能量代谢关系密切；同时，UCP -2能控制线粒体内活性氧簇（ROS ）生成，与氧化应激、凋亡、肿瘤发生等过程也有密切联系。

恶性肿瘤由于组织增生过快造成局部组织严重缺氧，但处于缺氧状态的肿瘤细胞仍能不断增殖和浸润，主要原因之一是缺氧引起肿瘤细胞一些基因和蛋白的表达发生改变，其中既有UCP -2的参与。

有关研究结果证明，UCP -2在人结肠癌细胞中表达明显增加，且癌细胞的恶化程度与UCP -2的含量有正相关性。

【关键词】肿瘤细胞；缺氧；转录因子；膜转运蛋白质类；线粒体蛋白质类；解偶联蛋白-2；缺氧诱导因子-1文章编号：1009-5519（2012）14-2167-03中图法分类号：R730.1文献标识码：A课题资助：国家自然科学基金面上项目（81172238）；重庆市自然科学基金资助项目（2009C195）。

解偶联蛋白（uncoupling proteins ，UCPs ）是位于线粒体内膜上参与质子转运的一类蛋白家族，其可将呼吸链与三磷酸腺苷（adenosine triphosphate ，ATP ）产生过程解偶联，能降低线粒体膜电位，限制ATP 合成，参与转运丙酮酸，导致能量以热的形式消耗掉，从而调控机体能量代谢[1]，与能量代谢关系密切。

早在1977年，在褐色脂肪细胞线粒体内膜上发现这种质子转运蛋白。

当它被激活时，可产生质子的渗漏，使氧化磷酸化解偶联，ATP 合成降低，使产能转化为产热作用。

此现象表明耗氧和二磷酸腺苷（ADP ）磷酸化之间并不是完全偶联的，该质子转运蛋白被称为UCPs [2]。

目前，UCPs 家族主要分为5个亚型，各亚型在结构上有相互关联性，但组织分布不同。

最初发现的UCP1只在棕色脂肪中表达，介导机体的产热反应，从而调控体温和机体能量代谢，在肥胖、糖尿病等代谢性疾病中发挥重要作用[3]。

该蛋白家族的另一成员UCP2表达广泛，其主要生理功能与UCP1相差甚远，在产热和体温调控中的作用有限，更主要的是通过介导“质子漏”，降低线粒体内膜的质子梯度，从而减少活性氧簇（reactive oxygen species ，ROS ）的产生和减轻氧化应激（oxidative stress ）反应[4]。

UCP2分布广泛，在多种组织如棕色脂肪组织、心、肺、肾和淋巴细胞等均有表达[5]。

现已发现其与多种疾病密切相关，包括代谢综合征、糖尿病、高血压、心血管疾病以及肿瘤等[6]。

而UCP2在肿瘤中的具体调控作用及其分子机制尚不清楚，本文就UCP2的基本生理功能及其在肿瘤中的病理生理调控作用进行综述[7]。

1UCP2的表达分布和活性调控人UCP2基因位于第11号染色体，其基因在1997年被首次克隆，随后啮齿类动物的UCP2基因也被相继克隆[2]。

各物种之间的UCP2基因序列一般是高度保守的，大鼠UCP2氨基酸序列与小鼠序列有99%一致，而与人UCP2氨基酸序列的一致性也高达95%[8]，可见UCP2在机体生命活动中的重要性。

UCP2蛋白氨基酸序列与UCP1的一致性约为58%，而这也是两者生理功能有所偏重的结构基础。

UCP2是UCPs 蛋白家族中分布最广泛的蛋白，在心脏、肾脏、肌肉、白色脂肪组织、肝脏、胰岛、脾、胃、肺及胸腺中都有相对高水平的表达[5，8-9]。

目前UCP2的基因表达和蛋白活性的调控机制尚不明确。

现有的证据提示，机体代谢率、某些激素（如甲状腺激素），以及其他一些生物活性分子（如脂多糖类、辅酶Q 和超氧阴离子等）都对UCP2基因转录、翻译和蛋白表达功能有不同程度的调控作用，且具有一定的组织特异性[10-11]。

各种类型的激素及其代谢产物对UCP2的调控作用提示其可能在机体物质和能量代谢中发挥着重要的作用，而UCP2在出生后不同时期的表达差异提示其可能还参与调控机体的生长发育[12]。

除此之外，多种生理和病理状态下UCP2的表达上调，如禁食、高脂饮食、糖尿病等状态的共同生化特征是超氧阴离子产生显著增加，这提示超氧阴离子有可能都是调控UCP2的表达和功能的重要分子[11，13-14]。

2UCP2基本生理功能和作用UCP2同UCPs 蛋白家族的其他蛋白一样，基本生理功能都是介导氧化磷酸化解偶联。

线粒体内膜上的电子传递链在氧化底物的同时将质子泵到线粒体内外膜间隙，从而形成跨内膜质子梯度，由此产生质子势能导致质子在通过ATP 合成酶回流到线粒体基质的同时驱动ATP 合成酶将ADP 转化成ATP [15]。

而UCP2可以提供一条质子回流基质的旁路途径而使其不产生ATP 。

与UCP1不同的地方在于，UCP2发挥解偶联的主要作用并不是导致产热，而是调控ROS ，尤其是超氧阴离子的产生。

2.1线粒体ATP 的产生UCP2通过解偶联导致线粒体ATP 产生减少，使能量以热能的形式消耗，而ATP 产量的减少可能会影响细胞的生理功能。

UCP2基因敲除小鼠胰岛细胞中，ATP/ADP 比值的升高可支持上述观点，且这一现象与胰岛素分泌增加相关[1]。

而与之不符的是大脑中UCP2的解偶联作用反而导致ATP/ADP 比值的升高，可能的解释是UCP2也有可能促进了脑细胞中线粒体密度的增加[12]。

2.2线粒体内钙离子摄取细胞内钙离子浓度的稳态是细胞生理活动的必要条件。

细胞内钙离子浓度受细胞膜上各种钙离子通道和细胞内钙库的精确调控。

线粒体是重要的细胞内钙库，其对胞内钙离子浓度的调控依赖于线粒体内膜的电势[16]。

UCP2可以通过解偶联降低线粒体内膜电势，从而影响线粒体对钙离子的摄取[5]。

但UCP2的这种作用对肿瘤细胞调控中的作用机制尚不清楚。

2.3线粒体超氧阴离子的产生超氧阴离子及其他自由基都是电子流经线粒体呼吸链时的副产物。

正常细胞产生的超氧阴离子可被线粒体中的锰超氧化物歧化酶（manganese superoxide dis -mutase ，MnSOD ）和存在于胞浆中的铜锌超氧化物歧化酶（copper -zinc superoxide dismutase ，Cu/Zn -SOD ）转化为过氧化氢。

过量产生·综述与讲座·的超氧阴离子可与一氧化氮（nitric oxide，NO）结合生成过氧亚硝酸盐，一方面降低了具有诸多心血管保护作用的NO的生物利用度，另一方面过氧亚硝酸盐可导致组织蛋白的脂质过氧化和酪氨酸残基的硝化，并损害蛋白功能[17]。

过氧化氢可在超氧阴离子的作用下转化为羟自由基，同样可导致脂质过氧化。

由此可见，过量的超氧阴离子和过氧化氢均可损害细胞功能，并可导致细胞死亡。

正常细胞中二者的量受SOD、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化酶和谷胱甘肽还原酶的调控。

线粒体内膜电势是超氧阴离子产生的主要因素。

膜电位电势升高，即跨线粒体内膜质子电化学梯度升高，导致呼吸链不能再将质子泵入内外膜间隙，呼吸链氧化功能减慢或停止，中间产物处于还原状态的时间延长，这样就增加了这些活性中间体中电子逃逸的机会，被氧捕获后还原氧的同时导致超氧阴离子产生增加[18]。

而UCP2可通过降低线粒体膜势能，从而减少超氧阴离子的产生。

已有证据显示，敲除UCP2可增加单核细胞中自由基的生成。

在ob/ob小鼠中同时存在UCP2下调和超氧阴离子产生的增加[19]。

而过表达UCP2则可降低过氧化氢和超氧阴离子的产生。

UCP2减少ROS产生的作用可能是肿瘤细胞中抗凋亡作用的功能基础。

2.4微环境内的产热作用存在于棕色脂肪组织中的UCP1的主要作用是维持核心体温。

而并没有证据表明UCP2有调控核心体温的作用。

有关研究结果表明UCP2在大脑神经元突触微环境中具有生热作用。

且寒冷刺激可增加脊髓组织中UCP2的表达[12]。

这可能是UCP2神经保护作用的功能基础，而UCP2在微环境的产热作用机制还有待进一步探讨。

3UCP2在肿瘤细胞中的作用线粒体有人体的能量库之称，人体中80%的能量由线粒体生成。

近年来研究发现，肿瘤细胞通过重建能量代谢模式适应恶劣的微环境，例如营养供求障碍、缺氧、氧化应激压力等，癌细胞线粒体参与这一复杂的适应过程并在分子、生化、代谢和遗传水平上明显区别于正常细胞，德国生化和生理学家Warburg最早涉足肿瘤细胞的葡萄糖代谢以及相关酶学的研究，由于观察到肿瘤细胞比正常细胞需要较少的氧和较多葡萄糖而获得1931年诺贝尔生理医学奖[20]。

其论文的基本理论是恶性肿瘤源于细胞能量代谢的缺陷（线粒体缺陷），肿瘤细胞利用葡萄糖作为能源，糖酵解增加，产生大量乳酸产物[21-22]。

不管氧含量多少，肿瘤细胞葡萄糖的摄取和糖酵解维持在一个较高水平即Warburg效应[23]。

恶性肿瘤由于组织增生过快造成局部组织严重缺氧，但处于缺氧状态的肿瘤细胞仍能不断增殖和浸润，主要原因之一是缺氧引起肿瘤细胞的一些基因和蛋白的表达发生改变，其中即有UCP2的参与[24]。

最近有关研究结果表明，UCP2在人结肠癌细胞中明显增加，并且癌细胞的恶化程度与UCP2的含量有正相关性[25]。

强大的低氧耐受率是人实体性肿瘤发生过程中由于血管生成相对不足导致的缺氧状态下获得生存的必要条件，对缺氧条件的适应是肿瘤进一步发展的关键一步，其中起枢纽作用的是转录因子缺氧诱导因子-1α（HIF-1α），HIF-1α是目前所发现的介导细胞低氧反应最关键的核转录因子。

而有证据表明UCP2也可能在肿瘤发生发展过程中发挥重要的作用[24]。

UCPs作为线粒体内膜质子转运蛋白，通过解偶联作用可以降低膜电势，形成质子漏，使得UCPs具有不同于其他蛋白的作用，UCP2的主要生理作用有，调节ATP产生热量，抑制ROS生成，减少自由基的生成，巨噬细胞免疫应激反应，影响细胞凋亡等。

鉴于UCP2在体内分布的广泛性及重要作用，近年来对其在肿瘤发生中可能起的作用备受关注[26-27]。

在国外的一项对人结肠癌的研究中，UCP2的表达量明显增加，在手术切除的结肠癌样本中UCP2mRNA及蛋白水平是癌旁组织的3~4倍[25]。

类似的结果也在其他一些研究中得到证实，UCP2在正常的肝脏组织中低表达，而在肝细胞癌和胆管细胞癌中高表达[28]。

有学者推测这类肿瘤有共同的特点可能是线粒体增生，可以补偿较低的ATP生成率，也就是补偿Warburg效应。

很显然，这些描述性研究并不能提供足够的证据证明肿瘤发生与UCP2的因果关系。