UCP2/SIRT3信号通路与氧化应激在疾病中的作用

杨雨鸣 王淑英

(1佳木斯大学基础医学院,黑龙江 佳木斯 154000;2黑龙江省微生物-免疫调节网络与相关疾病重点实验室)

氧化应激是指在内外环境发生变化时,机体内氧化系统与抗氧化系统间的动态平衡被破坏,导致活性氧(ROS)过量产生的病理状态〔1〕。氧化应激是多种疾病发生发展过程中的重要病理环节,多种信号通路参与介导氧化应激的病理机制,细胞能通过协调各种信号通路,消散氧化应激反应的不利影响,以维持自身的稳定状态。因此,在疾病的研究过程中,应当具备整体思路,深入了解有关信号通路在病程进展中的作用,为药物的针对性治疗提供理论基础,本文对VCP2/SIRT3信号通路与氧化应激在疾病中的作用进行综述。

1 解耦联蛋白(UCP)

线粒体载体蛋白是物质交换的结构基础,氨基酸、糖脂化合物和无机盐等物质通过载体蛋白在细胞胞质与线粒体基质间流动,有利于维持线粒体结构和功能的稳定状态及细胞自身代谢的正常进行〔2〕。UCP是线粒体载体蛋白的重要组成部分,参与介导细胞氧化磷酸化(OXPHOS)进程中的质子转运,在调节能量代谢和ROS产生方面发挥作用〔3〕。UCP可直接将质子由线粒体内膜转运至线粒体基质,使氧化和磷酸化过程解除耦联,三磷酸腺苷(ATP)的产生减少,能量转以热能形式释放〔4〕。目前,哺乳动物体内共发现6种不同亚型的UCP,包括最早被发现的UCP1及其同系物UCP2-UCP6,其各自分布部位有所差异:UCP1特异性存在于棕色脂肪组织,作用于非战栗产热;UCP2在不同器官中均有广泛表达;UCP3在骨骼肌中可见较高表达,其在心脏中亦有少量分布;UCP4和UCP5主要分布在神经组织中,对神经元的可塑性和存活发挥调节作用;UCP6则较多表达于机体肾脏中〔5,6〕。

UCP2的广泛分布为其功能的多样性提供基础〔7〕。UCP2参与调节基础代谢、氧化应激反应和胰岛素抵抗等多种生理和病理进程。ROS主要生成于线粒体,ROS产生与累积与氧化应激的发生和发展直接相关,过量的ROS会攻击脂质和蛋白质等细胞成分,并阻碍细胞内信号转导,造成细胞损伤〔8〕。UCP2通过多重机制的共同作用调控ROS生成,介导氧化应激反应:一方面,UCP2表达水平升高促进质子转运至线粒体内膜,线粒体膜电位降低,OXPHOS反应解耦联,ATP合成减少,氧化型辅酶Ⅰ水平上升,氧化反应加速进行,ROS产量减少〔9〕;另一方面,血氧供应不足时,细胞通过无氧呼吸供能,减轻线粒体内物质代谢产生的压力,保护线粒体功能,间接减少ROS产生〔10〕。此外,UCP2和UCP3可以通过调节线粒体内Ca2+的摄取,减轻线粒体内膜压力,维持线粒体的稳定状态,减轻细胞损伤〔11〕。有研究表明〔12〕,经受相同缺血再灌注(I/R)损伤后,缺失UCP2小鼠比野生型小鼠的脑组织损伤更为严重,ROS水平显著升高,线粒体肿胀更为严重,即UCP2通过减轻氧化应激损伤并维护线粒体稳态,发挥对I/R损伤神经元的保护作用。

2 去乙酰化酶(SIRTs)

SIRTs是具有NAD+依赖性的组蛋白去乙酰化酶家族,其在进化过程具有高度保守性,以NAD+为底物发挥去乙酰化活性〔13〕。包括ROS积累、慢性炎症和早衰等体内多种病理活动都与SIRT的调控有关。目前发现,SIRTs包括SIRT1～7共7个成员,其各自在亚细胞定位和调控机制上有所差异〔14〕。

SIRT3主要存在于线粒体,对能量代谢和氧化应激具有调节作用,参与维持线粒体的稳定状态〔15〕。SIRT3参与调节ATP合酶的活性,并通过去乙酰化的激活异柠檬酸脱氢酶(IDH2),IDH2以NADP+(氧化型辅酶Ⅱ)为反应辅助因子,是三羧酸循环中的关键酶,从而促进OXPHOS反应的进行并调节细胞能量代谢〔16,17〕。SIRT3通过去乙酰化激活部分酶的活性,如过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)2,两者是抗氧化系统的重要成员,能够通过将超氧化物转化为过氧化氢,减轻细胞内氧化应激水平〔18〕。SIRT3通过去乙酰化提高线粒体呼吸链复合物Ⅰ表达水平,加速电子传递,间接减少ROS产生〔19〕。此外,通过激活线粒体内膜融合蛋白(OPA)1,SIRT3参与维持线粒体融合/分裂的动态平衡,对维持线粒体结构和功能的相对稳定具有积极作用〔20〕。亲环素D是线粒体通透性过渡孔(mPTP)的组分之一,SIRT3通过去乙酰化亲环素D,关闭mPTP,阻碍胞质内离子和无机磷酸盐进入线粒体,减轻线粒体内膜压力,减少氧化应激损伤〔21〕。有研究表明〔22〕,缺血/再灌注(I/R)发生后,激活SIRT3,能显著减轻氧葡萄糖剥夺/恢复(OGD/R)诱导的神经元损伤,有利于减轻线粒体损伤,减低氧化应激水平,减少神经元凋亡。因此,SIRT3可能是调控氧化应激,维持线粒体稳态,减轻细胞损伤的有效作用靶点。

3 UCP2/SIRT3信号通路与氧化应激

还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸与其氧化状态(NADH)可以互相转化,两者参与机体各种生化反应,是能量代谢的必需辅酶〔23〕。UCP2参与介导质子直接转运至线粒体内膜,而不经过OXPHOS过程,因此,ATP合成受阻,NAD+/NADH比值上升。此外,NAD+是多种信号通路的重要参与者,其下游因子通过接受NAD+的信号转导,发挥对氧化应激和能量代谢的调节作用〔24〕。SIRT3去乙酰化活性的发挥具有依赖于NAD+的特性,能够感知NAD+的水平变化,即当NAD+水平升高时,SIRT3酶活性显著提高。UCP2通过使线粒体氧化和磷酸化反应解偶联,减少ATP产生,提升NAD+/NADH比值,上调SIRT3活性。表面上看,这一过程未产生足量ATP为细胞供能,但在血氧供应不足的病理条件下,这一过程一方面能降低线粒体膜电位,直接减少ROS的产生,降低细胞内氧化应激水平,另一方面,也有利于激活位于SIRT3下游的SOD2和CAT等抗氧化酶,增强机体抗氧化系统防御能力,有效保护细胞,减少细胞损伤〔25〕。因此,UCP2/SIRT3信号通路在调节机体氧化应激方面发挥积极作用,不仅有利于线粒体稳态的维持,也对细胞适应外环境的动态变化具有重要意义。

4 UCP2/SIRT3信号通路与氧化应激在衰老相关疾病中的作用机制

氧化应激导致细胞损伤是多种衰老和年龄相关性疾病的共同病理进程。抗氧化系统防御能力减弱和以ROS为主的自由基在体内积聚,诱发氧化反应,直接损害脂质和蛋白质等细胞组分,细胞因子释放,引发炎症反应,进一步加重细胞损伤。SIRT3参与调节线粒体功能及细胞衰老的相关进程,烟酰胺单核苷酸(NMN)是NAD+的前体,NMN通过提高SIRT3活性,一方面使降低受损线粒体蛋白的乙酰化程度和ROS水平,另一方面,提高抗氧化剂SOD2活性,减轻氧化应激水平及脑组织缺血性损伤〔26〕。已有研究表明〔27〕,衰老过程中,氧化应激反应与神经元损伤与神经功能缺损的发生关系密切。缺血性脑卒中(IS)是由于血管堵塞使脑血流量急剧减少引起脑组织血氧供应障碍继而导致神经组织损伤的一种临床疾病,恢复血流灌注并减少I/R损伤能有效改善IS患者的预后〔28〕。有研究证实〔9〕,UCP2能通过感知NAD+水平,调节SIRT3活性,影响线粒体呼吸链并调节ATP和ROS的产生,这有利于减少氧化应激损伤,保护I/R损伤的神经元。过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助因子(PGC)-1α是参与调节线粒体功能的主要因子之一,能提高抗氧化剂水平,减少ROS产生,提高缺氧状态下神经元的代谢活性,改善慢性脑缺血小鼠认知缺陷〔29〕。Meng等〔30〕研究发现,丝氨酸蛋白酶能通过上调UCP2/SIRT3/PGC-1α信号通路降低I/R小鼠脑皮层线粒体损伤,有利于保护受损的神经元,此外,UCP2特异性抑制剂Genipin能通过UCP2/SIRT3/PGC-1α信号通路改善脑I/R损伤。星形胶质细胞是神经组织的组分之一,参与炎症反应和神经损伤修复。缺氧条件下,斯钙素(STC)-1低表达的星形胶质细胞通过降低SIRT3和UCP2并增加ROS水平抑制细胞活力,增加细胞凋亡,进一步研究表明,STC1的表达受低氧诱导因子(HIF)-1α的调节,即HIF-1α能通过调节UCP2和SIRT3水平,维持氧化应激水平,保护受缺氧损伤是星形胶质细胞〔31〕。

心脏和脑均是机体代谢率高、对血氧供应不足敏感的器官,UCP2/SIRT3信号通路在心肌损伤的进展中同样发挥重要作用。瞬时受体电位香草酸亚型(TRPV)1是一种非特异性阳离子通道,对H+、Ca2+和Mg2+等离子具有通透性,参与调节血管功能和重塑〔32〕。研究表明〔33〕,慢性摄入辣椒素可能通过提高TRPV1活性,上调UCP2和SIRT3表达,降低氧化应激水平,减轻高盐诱导的心肌细胞线粒体功能障碍,保护心肌细胞。耿争光〔34〕实验证明,上调UCP2能提高缺氧复氧(HR)损伤心肌细胞的存活率,且UCP2/SIRT3通路能够通过减轻氧化应激、减少线粒体分裂并维护线粒体动态平衡发挥对损伤心肌细胞的保护作用。

5 UCP2/SIRT3信号通路与氧化应激在代谢相关疾病中的作用机制

心脑血管疾病的发生发展与糖类和脂类化合物代谢减慢并在血管内积聚有关,此外,非酒精性脂肪肝和糖尿病及其相关并发症也是常见的以代谢障碍为特点的疾病。非酒精性脂肪肝以肝细胞内脂肪代谢紊乱为主要特征,脂质积累导致ROS蓄积,线粒体功能受损,最终加重肝脏组织氧化应激水平〔35〕。有研究显示〔36〕,对高脂饮食诱导的非酒精性脂肪肝小鼠应用利拉鲁肽能上调UCP2和SIRT3的表达水平,减少ROS产生,增加抗氧化酶活性,加强线粒体结构稳定性,显著改善脂肪积聚诱导的肝细胞损伤。马佳敏等〔37〕研究发现,枸杞多糖和有氧运动的联合治疗措施能使非酒精性脂肪肝大鼠肝脏内UCP2、SIRT3和锰超氧化物歧化酶(MnSOD)表达水平均提高,同时,联合治疗组大鼠糖脂代谢障碍、氧化应激和肝脏损伤得到明显改善,其作用机制可能与UCP2/SIRT3通路有关。糖尿病是以血糖慢性升高为特征的常见代谢性疾病,线粒体功能障碍是糖尿病的重要标志之一。2型糖尿病(T2DM)的患病率远高于1型,胰岛素抵抗是其主要的发病机制〔38〕。Gounden等〔39〕研究证实了肝组织细胞中UCP2和SIRT3具有同向变化性及SIRT3和PGC-1α在氧化应激状态下能增强抗氧化系统的防御能力,从而减轻高血糖环境对肝细胞的损伤。有研究表明〔40〕,在体外实验中,辣木叶提取物能显著提高高糖处理的肝脏细胞中的UCP2和SIRT3水平,提高线粒体复合物Ⅰ和Ⅳ的活性和数量,即辣木叶提取物能通过调节线粒体呼吸链及UCP2和SIRT3的表达水平改善线粒体功能障碍及胰岛素敏感性,抑制ROS产生,减轻高糖环境对肝组织细胞的损伤。

肥胖是糖脂代谢障碍的常见表现,肥胖儿童脂肪组织中线粒体融合相关蛋白表达水平低于正常,同时,呼吸链复合物Ⅰ活性及ATP水平明显降低。与正常组相比,PGC1α、呼吸链复合物Ⅰ和Ⅴ及超氧化物歧化酶(SOD)2处于高度乙酰化状态,活性被显著抑制,UCP1、UCP2和SIRT3等线粒体功能相关蛋白表达下降,导致线粒体生物发生、结构、代谢和功能存在障碍,不利于细胞生理代谢的正常进行〔41〕。由此可见,UCP2/SIRT3在脂肪代谢和维持线粒体功能方面也发挥重要调节作用。瘦素参与调节体质量、脂质代谢和细胞凋亡,通过多种通路作用于脂肪组织〔42〕。研究表明〔43〕,经瘦素处理的小鼠激素敏感性脂肪酶(HSL)、UCP2、SIRT3、肾上腺素受体(ADR)3等因子表达增加,而胱天蛋白酶(caspase)3、肿瘤坏死因子(TNF)-α和脂肪酸合成酶等表达降低,结果表明,瘦素通过介导UCP2和SIRT3及其他相关因子促进脂质动员及能量耗散,进而加速脂肪代谢,减少脂肪堆积。 尽管UCP2/SIRT3信号通路在不同疾病进程中的作用有所差异,但是,其对细胞氧化应激和能量代谢的调节作用已在现有研究中得到证明。

综上,UCP2/SIRT3信号通路在调节氧化应激和能量代谢方面的作用日益受到广泛关注。线粒体是细胞的“动力工厂”,对细胞能量供应和稳态维持具有重要意义。UCP2/SIRT3信号通路可以通过介导氧化应激反应,参与疾病的发生发展进程。因此,通过了解UCP2/SIRT3信号通路与氧化应激调控机制,整体性评价该通路在氧化应激进程中的作用及其对疾病病程的影响,可以进一步了解不同疾病及疾病不同发展阶段中,UCP2/SIRT3信号通路的作用机制,以制定针对UCP2/SIRT3信号通路和氧化应激机制更为精准的个体化研究方案,将为疾病的治疗提供更为广阔的前景。