脂調(diào)節(jié)基因研究分析論文

1、脂調(diào)節(jié)基因研究分析論文 論文關(guān)鍵詞UCP3；定位；功能；表達(dá)調(diào)控；多態(tài)性 論文摘要UCP3基因是線粒體載體蛋白家族的重要成員，是肥胖的候選基因。綜述了UCP3基因的分子結(jié)構(gòu)、染色體定位、生物學(xué)功能、表達(dá)調(diào)控機(jī)理，及其在人類疾病、脂肪代謝、動物生產(chǎn)和系統(tǒng)發(fā)育等領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對其進(jìn)行了總結(jié)和展望。 UCP3（uncouplingprotein3，UCP3）是肥胖的候選基因，主要分布于骨骼肌線粒體內(nèi)膜，介導(dǎo)氧化過程與ADP磷酸化過程的解偶聯(lián)，使能量不以ATP形式儲存，而是以熱能的形式釋放。1997年，Boss等在棕色脂肪組織發(fā)現(xiàn)了UCP3蛋白，屬于線粒體載體蛋白家族，位于肥胖基因的QTL位點1。本

2、文對國內(nèi)外關(guān)于UCP3基因的分子結(jié)構(gòu)、染色體定位、表達(dá)調(diào)控機(jī)理及其應(yīng)用等方面最新的研究進(jìn)展進(jìn)行了比較全面的總結(jié)和論述，以期為UCP3基因的進(jìn)一步研究提供參考。 1UCP3基因的定位及分子結(jié)構(gòu) 研究發(fā)現(xiàn)，豬UCP3基因定位在9P21-P24，有6個外顯子，開放性讀碼框架（Openreadingframe，ORF）為936bp，編碼的UCP3蛋白包含311個氨基酸，并有6個跨膜功能域和1個嘌呤核苷酸結(jié)合區(qū)，與UCP2緊密連鎖，比UCP2表達(dá)更為廣泛。人的UCP3基因位于11q13，在骨骼肌中大量表達(dá)，棕色和白色脂肪組織中也有表達(dá)，與UCP2同屬解偶聯(lián)蛋白家族L且有73的同源性，兩者緊密連鎖，相隔7

3、5150bp，UCP3基因全長8.5Kb，至少有7個外顯子，產(chǎn)生2個轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物：UCP3短型（UCP3S）和UCP3長型（UCP3L），UCP3短型是由于C端外顯子7缺乏，與UCP3長型不同。小鼠UCP3基因定位于7號染色體，大鼠定位于1號染色體，也與UCP2基因緊密相連，二者相距78Kb。小鼠的UCP3基因主要分布于骨骼肌和灰色脂肪組織中。 UCP3存在活化和非活化2種狀態(tài)，UCP3mRNA在棕色脂肪組織中有高水平的表達(dá)，在小鼠出生后高表達(dá)，后開始下降，停止下降在3月齡，以后又開始上升（腸系膜灰色脂肪組織到7月齡才開始恢復(fù)），這與UCP1在灰色脂肪組織表達(dá)規(guī)律一致2。 2UCP3基因的生物學(xué)功

4、能 2.1解偶聯(lián)作用 UCP3蛋白分布在骨骼肌的線粒體內(nèi)膜，可引起質(zhì)子經(jīng)線粒體內(nèi)膜回漏增加（即“質(zhì)子漏”），使合成ATP所依賴的線粒體質(zhì)子跨膜梯度降低從而ATP合成效率下降，使呼吸鏈中的氧化與磷酸化作用解偶聯(lián)，并將貯存的能量以熱能形式釋放。 UCP3蛋白作為線粒體的質(zhì)子通道，脂肪酸陰離子的移動對質(zhì)子的轉(zhuǎn)運(yùn)必不可少。這是因為游離脂肪酸為其提供必需的自由羧基，使質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)成為可能或轉(zhuǎn)運(yùn)更加容易。值得一提的是，UCP3介導(dǎo)的解偶聯(lián)需要輔助因子（如：超氧化物、輔酶Q、脂肪酸及他們的衍生物）。UCP3缺失的小鼠ROS產(chǎn)物（破壞作用）增加3，UCP3基因表達(dá)增加可以降低活性氧產(chǎn)物。UCP3蛋白也可通過質(zhì)子漏

5、減少膜上質(zhì)子梯度和膜電壓，從而利于ROS的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，UCP3基因可使用它轉(zhuǎn)化的酵母線粒體膜電位下降4。C2C12成肌細(xì)胞不表達(dá)UCP3蛋白也說明其可顯著降低線粒體膜電位。 Goog等研究發(fā)現(xiàn)，UCP3基因敲除的小鼠質(zhì)子滲出增加，但可通過補(bǔ)償機(jī)制使基礎(chǔ)代謝保持不變5。補(bǔ)償作用的另一個證明是野生型倉鼠脂肪中，PPAR配體處理可以促進(jìn)UCP3基因的表達(dá)，在突變連鎖缺失UCP3基因阻斷PPAR依賴型的UCP3基因的反式激活中，表型值無變化，冷適應(yīng)的UCP3缺失型倉鼠既不影響去甲腎上腺素誘導(dǎo)的最大的顫抖性產(chǎn)熱，也不影響寡霉素存在下線粒體的解偶聯(lián)的呼吸作用6。 2.2生熱作用 在哺乳動物骨骼肌中，U

6、CP3基因是T3生熱作用的調(diào)節(jié)因子，其通過UCP3基因敲除的小鼠注射高劑量的T3基礎(chǔ)代謝增加得到證明5，同時通過大鼠攝入瘦素試驗可說明UCP3蛋白為維持身體正常的生熱而產(chǎn)熱散能的作用。 通過將動物冷適應(yīng)、急性和持久運(yùn)動7、2周的耐力訓(xùn)練8，研究骨骼肌UCP3（rUCP3）和rUCP2蛋白的表達(dá)，得到骨骼肌中rUCP3蛋白可能是僅有的體溫調(diào)節(jié)因素，短期產(chǎn)熱是UCP3行使熱調(diào)節(jié)功能的主要形式。 UCP3蛋白在葡萄糖平衡中有重要的調(diào)節(jié)作用，這可能是UCP3解偶聯(lián)在糖代謝及生熱調(diào)節(jié)的表觀現(xiàn)象。線粒體復(fù)合物中過氧化物可激活UCP3蛋白的質(zhì)子導(dǎo)電率限制線粒體過氧化物產(chǎn)量，從而較好地保持UCP3蛋白功能的穩(wěn)

7、定，更好地進(jìn)行不同程度的熱調(diào)節(jié)。 2.3調(diào)節(jié)脂代謝 UCP3基因是脂肪代謝的候選基因，通過對日糧調(diào)節(jié)，組織中脂質(zhì)底物融合的阻斷和生理條件下，高脂肪酸氧化的UCP3基因表達(dá)測定可證明，UCP3基因作為燃料底物調(diào)節(jié)脂類代謝。其調(diào)節(jié)機(jī)制是骨骼肌脂肪酸氧化激活，即占主導(dǎo)地位時，使得乙酰輔酶A羧化酶濃度降低，這樣降低骨骼肌丙二酸單酰輔酶A的濃度，從而從抑制狀態(tài)釋放肉毒堿輔酶A轉(zhuǎn)移酶1（carnitine/palmitoyl-CoAtransferase1，CPT1），提高氧化，也就提高了UCP3基因的表達(dá)9；并且UCP3過表達(dá)的肌肉中，CoA和肉毒堿含量高證實UCP3利于肌肉中脂肪酸的氧化10，從而完成

8、其調(diào)節(jié)脂類代謝的功能。但UCP3的主要功能是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白而不是調(diào)控循環(huán)的能量消耗（主要是ATP酶效應(yīng)）。 UCP3基因敲除的小鼠血中FFA（自由脂肪酸）沒有明顯變化或有輕微降低，脂肪酸氧化也未發(fā)生變化而且UCP3基因剔除的小鼠并不肥胖11，這說明UCP3基因?qū)FA的調(diào)節(jié)作用也存在補(bǔ)償機(jī)制。 UCP3基因在肌肉代謝從饑餓下的脂代謝為主轉(zhuǎn)化為重新獲取食物后的脂肪利用的降低起重要作用，在這個階段中，代謝效率增加和脂肪貯存的再次積累，其存在機(jī)制可能相當(dāng)于用脂肪酸合酶抑制子（fattyacidsynthaseinhibitor）長期處理肥胖小鼠，其結(jié)果是肌肉UCP3表達(dá)增加，攝取食物降低，脂肪組織脂解和肝

9、生酮作用減弱，血中游離脂肪酸升高，在肌肉組織中脂肪酸和酮的利用顯著升高12。在這個過程中，UCP3介導(dǎo)GDP調(diào)節(jié)順烏頭酸酶的活性，不過依賴于高的質(zhì)子動力13。 2.4其他功能 在?；瘧?yīng)激蛋白（Acylation-stimulatingprotein，ASP）缺失的小鼠肝臟和肌肉脂肪酸氧化增加，并且UCP3基因表達(dá)增加，從而證明ASP缺失導(dǎo)致能量的重新分配14，這從側(cè)面說明UCP3基因參與能量的重新分配，其可能的機(jī)制是ASP通過UCP3啟動子發(fā)揮作用。因為UCP3基因啟動子的變異對體脂分配有作用15。 3UCP3基因表達(dá)的調(diào)控 UCP3基因的表達(dá)受很多因素影響和調(diào)控，主要包括以下幾個方面： 3.

10、1激素與禁食 在家畜和家禽方面，甲狀腺激素，尤其甲狀原腺三甘酸（T3）是調(diào)節(jié)能量代謝和線粒體功能的主要因子，T3可增強(qiáng)肌肉中UCP3的表達(dá)。其具體調(diào)節(jié)機(jī)制是：甲狀腺激素通過與UCP3基因啟動子領(lǐng)近區(qū)的TR結(jié)合活化UCP3基因。值得一提的是：鼠科UCP3基因的啟動子依賴Myod并且與甲狀腺激素作用16。另外調(diào)節(jié)UCP3基因表達(dá)的激素還有胰島素、3AR（3腎上腺素能受體激動劑）、瘦素和生長激素，他們調(diào)節(jié)的組織和影響的程度各不相同。Boss（1998）等研究發(fā)現(xiàn)，過夜禁食、1周內(nèi)減少40食物攝取量，脛骨前肌中UCP3基因表達(dá)水平不同17，并且這種調(diào)節(jié)被認(rèn)為是通過循環(huán)FFA水平調(diào)節(jié)實現(xiàn)的，而且在禁食條

11、件下肌肉中UCP3mRNA的表達(dá)不受交感神經(jīng)的控制。因此，基因UCP3的表達(dá)對禁食時間長短敏感，這與動物受冷肌肉抽搐一致，說明UCP3基因表達(dá)的調(diào)節(jié)可能是動物機(jī)體抵御寒冷的機(jī)制之一。 3.2脂肪酸及其他 游離脂肪酸對白色脂肪和骨骼肌中UCP3基因的表達(dá)有上調(diào)作用；但其對UCP3的促進(jìn)作用是間接的，主要通過氧化和在脂肪降解中未證實的中間產(chǎn)物2。Samec（1999）報道18，碳水化合物等能替代食物脂肪時，可增加肌肉中UCP3mRNA的表達(dá)；但高脂日糧的生熱作用低于低脂日糧，并且在日糧誘導(dǎo)的肥胖小鼠肌肉中，UCP3mRNA的表達(dá)達(dá)到非日糧誘導(dǎo)肥胖小鼠的18倍，這提示我們肥胖和高脂肪食物之間聯(lián)系在于

12、UCP3的表達(dá)。 冷應(yīng)激對仔豬骨骼肌UCP3mRNA的表達(dá)影響呈變化性，624h間表達(dá)增加，6d后又開始下降，說明UCP3基因的表達(dá)是準(zhǔn)確實時冷應(yīng)急，并與前面UCP3發(fā)揮作用主要是通過短期調(diào)節(jié)發(fā)揮作用相一致。不同頻率的耐受訓(xùn)練對UCP3基因表達(dá)的豐度不同，低頻率的耐受訓(xùn)練提高UCP3基因的表達(dá)，而高頻率無影響。原因是低頻率耐受訓(xùn)練依賴AMPK-PGC-1alpha途徑，而高頻率耐受訓(xùn)練依賴PKB-TSC2-mTOR途徑19，與這個觀點一致的試驗結(jié)論是：UCP3的過量表達(dá)可以提高AMPK（AMP-activatedproteinkinase）alpha1的活性20。 4UCP3基因多態(tài)性及其應(yīng)用

13、 4.1脂肪氧化 UCP3基因第6號外顯子拼接供體點存在變異（IVS6ga，+1），該基因變異與非洲裔美國人基礎(chǔ)脂肪氧化率及呼吸熵相關(guān)21。這說明UCP3基因第6號外顯子拼接供體點的變異可能是人類長期適應(yīng)熱帶環(huán)境形成的，這也是其生熱調(diào)節(jié)作用的基因改變途徑，提示我們UCP3基因的生熱調(diào)節(jié)作用從多個角度綜合調(diào)節(jié)。 4.2與人類疾病的關(guān)系 研究發(fā)現(xiàn)，人UCP3基因（CA）n串連重復(fù)序列多態(tài)標(biāo)記與中國漢族人型糖尿病相關(guān)聯(lián)，Otabe等在60個青春期肥胖者就發(fā)現(xiàn)UCP3基因255位C/T多態(tài)性使肥胖者體重顯著增加22，且該變異與白種人的血脂水平相關(guān)；但是研究表明，UCP3基因多態(tài)性不是肥胖和型糖尿病易感

14、性的主要原因，依據(jù)是對UCP3啟動子近側(cè)直接測序，發(fā)現(xiàn)TATA盒上游6bp處有C/T置換，C/T多態(tài)性與印第安皮馬男性非糖尿病患者骨骼肌UCP3表達(dá)相關(guān)，此突變對能量代謝有調(diào)節(jié)作用23，與糖尿病無關(guān)。另外一個證明是在UCP3基因啟動子區(qū)55位C/T的SNP在被調(diào)查的法國人代謝綜合癥（metabolicsyndrome，MS）中不起主要作用24。 5總結(jié)與展望 線粒體代謝效率主要由2種細(xì)胞機(jī)制引起，即基礎(chǔ)的質(zhì)子漏和脂肪酸誘導(dǎo)的解偶聯(lián)作用。質(zhì)子漏作用于各種組織和細(xì)胞中，并且其數(shù)量對休眠或休息時的能量消耗很重要，失眠導(dǎo)致肌肉UCP3基因表達(dá)上調(diào)25，這證明UCP3基因解偶聯(lián)作用和質(zhì)子漏影響線粒體代謝

15、效率。UCP3基因表達(dá)解偶聯(lián)作用正反兩方面調(diào)節(jié)可從肌膜和內(nèi)肌纖維中ANT（線粒體陰離子載體）對解偶聯(lián)顯著降低得到進(jìn)一步證明。并且UCP3基因的作用主要在肌原纖維而不是在肌質(zhì)部分26。 在禁食狀態(tài)下，UCP3mRNA表達(dá)水平提高時，肌肉收縮與ROS產(chǎn)物的增加密切相關(guān)，這使我們推測禁食條件下，動物出現(xiàn)肌肉收縮的現(xiàn)象機(jī)理就是UCP3的解偶聯(lián)作用，這使得UCP3基因的調(diào)節(jié)和功能緊密相連。在UCP3mRNA表達(dá)調(diào)節(jié)上有直接因素，也有間接因素的影響，時有單個因素獨立影響，也不缺乏因素間影響，如禁食與胰島素、膳食鈣和瘦素，但是如體育鍛煉和瘦素的影響還未涉及。另外其機(jī)理的研究對鍛煉利于人體減肥有重要意義。 U

16、CP3基因的表達(dá)與胰島素、糖尿病和人肥胖之間有密切的關(guān)系，這提示我們可以從UCP3基因相關(guān)的路徑研究這些病的發(fā)生原因及治療方法。由于線粒體和細(xì)胞凋亡有很大關(guān)系，故可從UCP3基因的角度來研究細(xì)胞凋亡過程中基礎(chǔ)能量的變化規(guī)律和機(jī)制。 6參考文獻(xiàn) 1FLEURYC，NEVEROVAM，COLLINSS，etal.Uncouplingprotein-2：anovelgenelinkedtoobesityandhyperinsulinemiaJ.NatGenet，1997（15）：269-272. 2OLIVERP，PICOC，PALOUA.Differentialexpressionofgenesf

17、oruncouplingproteins1，2and3inbrownandwhiteadiposetissuedepotsduringratdevelopmentJ.CMLS，Cell.Mol.LifeSci，2001，58（3）：470-476. 3SKULACHEVVP.Roleofuncoupledandnon-coupledoxidationsinmaintenanceofsafelylowlevelsofoxygenanditsone-electronreductantsJ.QRevBiophys，1996，29（2）：169-202. 4GONGDW，HEY，KARASM，etal

18、.Uncouplingprotein-3isamediatorofthermogenesisregulatedbythyroidhormone，-adrenergicagonists，andleptinJ.JBiolChem，1997，272（39）：24129-24132. 5GONGDW，MONEMDJOUS，GAVRILOVAO，etal.Lackofobesityandnormalresponsetofastingandthyroidhormoneinmicelackinguncouplingprotein-3J.JBiolChem，2000，275（21）：16251-16257.

19、6LIEBIGM，VONPRAUNC，HELDMAIERG，etal.AbsenceofUCP3inbrownadiposetissuedoesnotimpairnonshiveringthermo-genesisJ.PhysiolBiochemZool，2004，77（1）：116-126. 7GIACOBINOJP.Effectsofdietarydeprivation，obesityandecerciseonUCP3mRNAlevelsJ.IntJObesRelatMetabDisord，1999，23（Suppl6）：s60-s63. 8SCHRAUWENP，RUSSELLAP，MOO

20、NEN-KORNIPSE，etal.Effectof2weeksofendurancetrainingonuncouplingprotein3contentinuntrainedhumansubjectsJ.ActaPhysiolScand，2005，183（3）：273-280. 9CHASH，HUZ，CHOHNANS，etal.InhibitionofhypothalamicfattyacidsynthasetriggersrapidactivationoffattyacidoxidationinskeletalmuscleJ.ProcNatlAcadSci，2005，102（41）：14

21、557-14562. 10BEZAIREV，SPRIETLL，CAMPBELLS，etal.ConstitutiveUCP3overexpressionatphysiologicallevelsincreasesmouseskeletalmusclecapacityforfattyacidtransportandoxidationJ.FASEBJ，2005，19（8）：977-979. 11VIDAL-PUIGAJ，GRUJICD，ZHANGCY，etal.Energymetabo-lisminuncouplingprotein3geneknckoutmiceJ.JBiolChem，2000，

22、275（21）：16258-16266. 12CHASH，HUZ，LANEMD.Long-termeffectsofafattyacidsynthaseinhibitoronobesemice：foodintake，hypothalamicneuro-peptides，andUCP3J.BiochemBiophysResCommun，2004，317（2）：301-308. 13TALBOTDA，BRANDMD.Uncouplingprotein3protectsaconitaseagainstinactivationinisolatedskeletalmusclemitochondriaJ.

23、BiochimBiophysActa，2005（1709）：150-156. 14XIAZ，STANHOPEKL，DIGITALEE，etal.Acylation-stimulatingprotein（ASP）/complementC3adesArgdeficiencyresultsinincreasedenergyexpenditureinmiceJ.JBiolChem，2004，279（6）：4051-4057. 15KIMOY，CHOEY，PARKHY，etal.Additiveeffectofthemutationsinthebeta3-adrenoceptorgeneandUCP3g

24、enepromoteronbodyfatdistributionandglycemiccontrolafterweightreductioninoverweightsubjectswithCADormetabolicsyndromeJ.IntJObesRelatMetabDisord，2004，28（3）：434-441. 16SOLANESG，PEDRAZAN，CALVOV，etal.Thyroidhormonesdirectlyactivatetheexpressionofthehumanandmouseuncouplingprotein-3genesthroughathyroidresp

25、onseelementintheproximalpromoterregionJ.JBiochem，2005（386）：505-513. 17BOSSO，SAMECS，KUHNEF，etal.Uncouplingproteinexpressioninrodentskeletalmuscleismodulatedbyfoodin2takebutnotbychangesinenvironmentaltemperatureJ.JBiolChem，1998（273）：5-8. 18SAMECS，SEYDOUXJ，DULLOOAG，etal.SkeletalmuscleUCP3andUCP2geneexp

26、ressioninresponsetoinhibitionoffreefattyacidfluxthroughmitochondrialb-oxidationpJ.JPhysiol，1999（438）：452-457. 19ATHERTONPJ，BABRAJJ，SMITHK，etal.SelectiveactivationofAMPK-PGC-1alphaorPKB-TSC2-mTORsignalingcanexplainspecificadaptiveresponsestoenduranceorresistancetraining-likeelectricalmusclestimulationJ.FASEBJ，2005，19（7）：786-788. 20SCHRAUWENP，HARDIEDG，ROORDAB，etal.ImprovedglucosehomeostasisinmiceoverexpressinghumanUCP3：aroleforAMP-kinase?J.IntJObesRelatMetabDisord，2004，28（6）：824-828. 21ARGYROPOULOSG，BROWNAM，WILLISM，etal.Effectsofmutationsinthehumanuncouplingprotein3geneontherespiratoryquotienta