论脂调节基因——ＵＣＰ３基因研究进展
作者：仓木拉 杨 涛 商 鹏 达娃卓玛
关键词 UCP3；定位；功能；表达调控；多态性
论文摘要 UCP3基因是线粒体载体蛋白家族的重要成员，是肥胖的候选基因。综述了UCP3基因的分子结构、染色体定位、生物学功能、表达调控机理，及其在人类疾病、脂肪代谢、动物生产和系统发育等领域中的应用，并对其进行了和展望。
UCP3（uncoupling protein3，UCP3）是肥胖的候选基因，主要分布于骨骼肌线粒体内膜，介导氧化过程与ADP磷酸化过程的解偶联，使能量不以ATP形式储存，而是以热能的形式释放。1997年，Boss等在棕色脂肪组织发现了UCP3蛋白，属于线粒体载体蛋白家族，位于肥胖基因的QTL位点[1]。本文对国内外关于UCP3基因的分子结构、染色体定位、表达调控机理及其应用等方面最新的研究进展进行了比较全面的总结和论述，以期为UCP3基因的进一步研究提供。
1UCP3基因的定位及分子结构
研究发现，猪UCP3基因定位在9P21-P24，有6个外显子，开放性读码框架（Open reading f rame，ORF）为936bp，编码的UCP3蛋白包含311个氨基酸，并有6个跨膜功能域和1个嘌呤核苷酸结合区，与UCP2紧密连锁，比UCP2表达更为广泛。人的UCP3基因位于11q13，在骨骼肌中大量表达，棕色和白色脂肪组织中也有表达，与UCP2同属解偶联蛋白家族L且有73％的同源性，两者紧密连锁，相隔75～150bp，UCP3基因全长8.5Kb，至少有7个外显子，产生2个转录产物：UCP3短型（UCP3S）和UCP3长型（UCP3L），UCP3短型是由于C端外显子7缺乏，与UCP3长型不同。小鼠UCP3基因定位于7号染色体，大鼠定位于1号染色体，也与UCP2基因紧密相连，二者相距7～8Kb。小鼠的UCP3基因主要分布于骨骼肌和灰色脂肪组织中。
UCP3存在活化和非活化2种状态，UCP3mRNA在棕色脂肪组织中有高水平的表达，在小鼠出生后高表达，后开始下降，停止下降在3月龄，以后又开始上升（肠系膜灰色脂肪组织到7月龄才开始恢复），这与UCP1在灰色脂肪组织表达一致[2]。
2UCP3基因的生物学功能
2.1解偶联作用
UCP3蛋白分布在骨骼肌的线粒体内膜，可引起质子经线粒体内膜回漏增加（即“质子漏”），使合成ATP所依赖的线粒体质子跨膜梯度降低从而ATP合成效率下降，使呼吸链中的氧化与磷酸化作用解偶联，并将贮存的能量以热能形式释放。
UCP3 蛋白作为线粒体的质子通道，脂肪酸阴离子的移动对质子的转运必不可少。这是因为游离脂肪酸为其提供必需的自由羧基，使质子转运成为可能或转运更加容易。值得一提的是，UCP3介导的解偶联需要辅助因子（如：超氧化物、辅酶Q、脂肪酸及他们的衍生物）。UCP3缺失的小鼠ROS产物（破坏作用）增加[3]，UCP3基因表达增加可以降低活性氧产物。UCP3蛋白也可通过质子漏减少膜上质子梯度和膜电压，从而利于ROS的产生。研究发现，UCP3基因可使用它转化的酵母线粒体膜电位下降[4]。C2C12成肌细胞不表达UCP3蛋白也说明其可显著降低线粒体膜电位。
Goog等研究发现，UCP3基因敲除的小鼠质子渗出增加，但可通过补偿机制使基础代谢保持不变[5]。补偿作用的另一个证明是野生型仓鼠脂肪中，PPAR配体处理可以促进UCP3基因的表达，在突变连锁缺失UCP3基因阻断PPAR依赖型的UCP3基因的反式激活中，表型值无变化，冷适应的UCP3缺失型仓鼠既不影响去甲肾上腺素诱导的最大的颤抖性产热，也不影响寡霉素存在下线粒体的解偶联的呼吸作用[6]。
2.2生热作用
在哺乳动物骨骼肌中，UCP3基因是T3生热作用的调节因子，其通过UCP3基因敲除的小鼠注射高剂量的T3基础代谢增加得到证明[5]，同时通过大鼠摄入瘦素试验可说明UCP3蛋白为维持身体正常的生热而产热散能的作用。
通过将动物冷适应、急性和持久运动[7]、2周的耐力训练[8]，研究骨骼肌UCP3（rUCP3）和rUCP2蛋白的表达，得到骨骼肌中rUCP3蛋白可能是仅有的体温调节因素，短期产热是UCP3行使热调节功能的主要形式。
UCP3蛋白在葡萄糖平衡中有重要的调节作用，这可能是UCP3解偶联在糖代谢及生热调节的表观现象。线粒体复合物中过氧化物可激活UCP3蛋白的质子导电率限制线粒体过氧化物产量，从而较好地保持UCP3蛋白功能的稳定，更好地进行不同程度的热调节。
2.3调节脂代谢
UCP3基因是脂肪代谢的候选基因，通过对日粮调节，组织中脂质底物融合的阻断和生理条件下，高脂肪酸氧化的UCP3基因表达测定可证明，UCP3基因作为燃料底物调节脂类代谢。其调节机制是骨骼肌脂肪酸氧化激活，即占主导地位时，使得乙酰辅酶A羧化酶浓度降低，这样降低骨骼肌丙二酸单酰辅酶A的浓度，从而从抑制状态释放肉毒碱辅酶A转移酶1（carnitine/palmitoyl-CoA transferase 1，CPT1），提高β氧化，也就提高了UCP3基因的表达[9]；并且UCP3过表达的肌肉中，CoA和肉毒碱含量高证实UCP3利于肌肉中脂肪酸的氧化[10]，从而完成其调节脂类代谢的功能。但UCP3的主要功能是转运蛋白而不是调控循环的能量消耗（主要是ATP酶效应）。
UCP3基因敲除的小鼠血中FFA（自由脂肪酸）没有明显变化或有轻微降低，脂肪酸氧化也未发生变化而且UCP3基因剔除的小鼠并不肥胖[11]，这说明UCP3基因对FFA的调节作用也存在补偿机制。
UCP3基因在肌肉代谢从饥饿下的脂代谢为主转化为重新获取食物后的脂肪利用的降低起重要作用，在这个阶段中，代谢效率增加和脂肪贮存的再次积累，其存在机制可能相当于用脂肪酸合酶抑制子（fatty acid synthase inhibitor）长期处理肥胖小鼠，其结果是肌肉UCP3表达增加，摄取食物降低，脂肪组织脂解和肝生酮作用减弱，血中游离脂肪酸升高，在肌肉组织中脂肪酸和酮的利用显著升高[12]。在这个过程中，UCP3介导GDP调节顺乌头酸酶的活性，不过依赖于高的质子动力[13]。
2.4其他功能
在酰化应激蛋白（Acylation-stimulating protein，ASP）缺失的小鼠肝脏和肌肉脂肪酸氧化增加，并且UCP3基因表达增加，从而证明ASP缺失导致能量的重新分配[14]，这从侧面说明UCP3基因参与能量的重新分配，其可能的机制是ASP通过UCP3启动子发挥作用。因为UCP3基因启动子的变异对体脂分配有作用[15]。
3UCP3基因表达的调控
UCP3基因的表达受很多因素影响和调控，主要包括以下几个方面：
3.1激素与禁食
在家畜和家禽方面，甲状腺激素，尤其甲状原腺三甘酸（T3）是调节能量代谢和线粒体功能的主要因子，T3可增强肌肉中UCP3的表达。其具体调节机制是：甲状腺激素通过与UCP3基因启动子领近区的TR结合活化UCP3基因。值得一提的是：鼠科UCP3基因的启动子依赖Myod并且与甲状腺激素作用[16]。另外调节UCP3基因表达的激素还有胰岛素、β3AR（β3肾上腺素能受体激动剂）、瘦素和生长激素，他们调节的组织和影响的程度各不相同。 Boss（1998）等研究发现，过夜禁食、1周内减少40％食物摄取量，胫骨前肌中UCP3基因表达水平不同[17]，并且这种调节被认为是通过循环FFA水平调节实现的，而且在禁食条件下肌肉中UCP3mRNA的表达不受交感神经的控制。因此，基因UCP3的表达对禁食时间长短敏感，这与动物受冷肌肉抽搐一致，说明UCP3基因表达的调节可能是动物机体抵御寒冷的机制之一。
3.2脂肪酸及其他
游离脂肪酸对白色脂肪和骨骼肌中UCP3基因的表达有上调作用；但其对UCP3的促进作用是间接的，主要通过β氧化和在脂肪降解中未证实的中间产物[2]。Samec（1999）报道[18]，碳水化合物等能替代食物脂肪时，可增加肌肉中UCP3mRNA的表达；但高脂日粮的生热作用低于低脂日粮，并且在日粮诱导的肥胖小鼠肌肉中，UCP3mRNA的表达达到非日粮诱导肥胖小鼠的18倍，这提示我们肥胖和高脂肪食物之间联系在于UCP3的表达。
冷应激对仔猪骨骼肌UCP3mRNA的表达影响呈变化性，6～24h间表达增加，6d后又开始下降，说明UCP3基因的表达是准确实时冷应急，并与前面UCP3发挥作用主要是通过短期调节发挥作用相一致。不同频率的耐受训练对UCP3基因表达的丰度不同，低频率的耐受训练提高UCP3基因的表达，而高频率无影响。原因是低频率耐受训练依赖AMPK-PGC-1alpha途径，而高频率耐受训练依赖PKB- TSC2-mTOR途径[19]，与这个观点一致的试验结论是：UCP3的过量表达可以提高AMPK（AMP-activated protein kinase）alpha1的活性[20]。
4UCP3基因多态性及其应用
4.1脂肪氧化
UCP3基因第6号外显子拼接供体点存在变异（IVS6 g→a，+1），该基因变异与非洲裔美国人基础脂肪氧化率及呼吸熵相关[21]。这说明UCP3基因第6号外显子拼接供体点的变异可能是人类长期适应热带环境形成的，这也是其生热调节作用的基因改变途径，提示我们UCP3基因的生热调节作用从多个角度综合调节。
4.2与人类疾病的关系
研究发现，人UCP3基因（CA）n串连重复序列多态标记与汉族人Ⅱ型糖尿病相关联，Otabe等在60个青春期肥胖者就发现UCP3基因255位C/T多态性使肥胖者体重显著增加[22]，且该变异与白种人的血脂水平相关；但是研究表明，UCP3基因多态性不是肥胖和Ⅱ型糖尿病易感性的主要原因，依据是对UCP3 启动子近侧直接测序，发现TATA 盒上游6bp 处有C/T 置换，C/T 多态性与印第安皮马男性非糖尿病患者骨骼肌UCP3表达相关，此突变对能量代谢有调节作用[23]，与糖尿病无关。另外一个证明是在UCP3基因启动子区55位C/T的SNP在被调查的法国人代谢综合症（metabolic syndrome，MS）中不起主要作用[24]。
5总结与展望
线粒体代谢效率主要由2种细胞机制引起，即基础的质子漏和脂肪酸诱导的解偶联作用。质子漏作用于各种组织和细胞中，并且其数量对休眠或休息时的能量消耗很重要，失眠导致肌肉UCP3基因表达上调[25]，这证明UCP3基因解偶联作用和质子漏影响线粒体代谢效率。UCP3基因表达解偶联作用正反两方面调节可从肌膜和内肌纤维中ANT（线粒体阴离子载体）对解偶联显著降低得到进一步证明。并且UCP3基因的作用主要在肌原纤维而不是在肌质部分[26]。
UCP3基因的表达与胰岛素、糖尿病和人肥胖之间有密切的关系，这提示我们可以从UCP3基因相关的路径研究这些病的发生原因及方法。由于线粒体和细胞凋亡有很大关系，故可从UCP3基因的角度来研究细胞凋亡过程中基础能量的变化和机制。
6
[1] FLEURY C，NEVEROVA M，COLLINS S，et al. Uncoupling protein-2： a novel gene linked to obesity and hyperinsulinemia[J].Nat Genet，1997 （15）：269-272.
[2] OLIVER P，PICO C，PALOU A. Differential expression of genes for uncoupling proteins 1，2 and 3 in brown and white adipose tissue depots during rat development[J].CMLS，Cell. Mol. Life Sci，2001，58（3）：470-476.
[3] SKULACHEV V P. Role of uncoupled and non-coupled oxidations in maintenance of safely low levels of oxygen and its one-electron reductants[J].Q Rev Biophys，1996，29（2）：169-202.
[4] GONG D W，HE Y，KARAS M，et al.Uncoupling protein-3 is a mediator of thermogenesis regulated bythyroid hormone，β-adrenergic agonists，and leptin[J].J Biol Chem，1997，272（39）：24129-24132.
[5] GONG D W，MONEMDJOU S，GAVRILOVA O，et al. Lack of obesity and normal response to fasting and thyroid hormone in mice lacking uncoupling protein-3[J].J Biol Chem，2000，275（21）：16251-16257.
[6] LIEBIG M，VON PRAUN C，HELDMAIER G，et al.Absence of UCP3 in brown adipose tissue does not impair nonshivering thermo-genesis[J].Physiol Biochem Zool，2004，77（1）：116-126.
[7] GIACOBINO J P. Effects of dietary deprivation，obesity and ecercise on UCP3 mRNA levels[J].Int J Obes Relat Metab Disord，1999，23（Suppl 6）：s60-s63.
[8] SCHRAUWEN P，RUSSELL A P，MOONEN-KORNIPS E，et al. Effect of 2 weeks of endurance training on uncoupling protein 3 content in untrained human subjects[J].Acta Physiol Scand，2005，183（3）：273-280.
[9] CHA S H，HU Z，CHOHNAN S，et al.Inhibition of hypothalamic fatty acid synthase triggers rapid activation of fatty acid oxidation in skeletal muscle[J]. Proc Natl Acad Sci，2005，102（41）：14557-14562.
[10] BEZAIRE V，SPRIET L L，CAMPBELL S，et al.Constitutive UCP3 overexpression at physiological levels increases mouse skeletal muscle capacity for fatty acid transport and oxidation[J].FASEB J，2005，19（8）：977-979.
[11] VIDAL-PUIG A J，GRUJIC D，ZHANG C Y，et al.Energy metabo-lism in uncoupling protein3 gene knckout mice[J].J Biol Chem，2000， 275（21）：16258-16266.
[12] CHA S H，HU Z，LANE M D. Long-term effects of a fatty acid synthase inhibitor on obese mice：food intake，hypothalamic neuro-peptides，and UCP3[J].Biochem Biophys Res Commun，2004，317（2）：301-308.
[13] TALBOTD A，BRAND M D. Uncoupling protein 3 protects aconitase against inactivation in isolated skeletal muscle mitochondria[J].Biochim Biophys Acta，2005（1709）：150-156.
[14] XIA Z，STANHOPE K L，DIGITALE E，et al.Acylation-stimulating protein （ASP）/complement C3adesArg deficiency results in increased energy expenditure in mice[J]. J Biol Chem，2004，279（6）：4051-4057.
[15] KIM O Y，CHO E Y，PARK H Y，et al.Additive effect of the mutations in the beta3-adrenoceptor gene and UCP3 gene promoter on body fat distribution and glycemic control after weight reduction in overweight subjects with CAD or metabolic syndrome[J]. Int J Obes Relat Metab Disord，2004，28（3）：434-441.
[16] SOLANES G，PEDRAZA N，CALVO V，et al.Thyroid hormones directly activate the expression of the human and mouse uncoupling protein-3 genes through a thyroid response element in the proximal promoter region[J].J Bio chem，2005（386）：505-513.
[17] BOSS O，SAMEC S，KUHNE F，et al. Uncoupling protein expression in rodent skeletalmuscle is modulated by food in2 take but no t by changes in environmental temperature[J].J Biol Chem，1998（273）：5-8.
[18] SAMEC S，SEYDOUX J，DULLOO A G，et al. Skeletal muscle UCP3and UCP2gene expression in response to inhibition of free fatty acid flux through mitochondrial b-oxidationp[J]. J Physiol，1999（438）：452-457.
[19] ATHERTON P J，BABRAJ J，SMITH K，et al.Selective activation of AMPK-PGC-1alpha or PKB-TSC2-mTOR signaling can explain specific adaptive responses to endurance or resistance training-like electrical muscle stimulation[J]. FASEB J，2005，19（7）：786-788.
[20] SCHRAUWEN P，HARDIE D G，ROORDA B，et al. Improved glucose homeostasis in mice overexpressing human UCP3：a role for AMP-kinase?[J].Int J Obes Relat Metab Disord，2004，28（6）：824-828.
[21] ARGYROPOULOS G，BROWN A M，WILLI S M，et al.Effects of mutations in the human uncoupling protein 3 gene on the respiratory quotient and fat oxidation in severe obesity and type 2 diabetes[J]. J Clin Invest，1998，102（7）：1345-1351.
[22] OTABE S，CLEMENT K，DINA C，et al.A genetic variation in the 5’ flanking region of the UCP3 gene is associated with body mass index in humans in interaction with physical activity[J]. Diabetologia，2000（43）：245-249.
[23] SCHRAUWEN P，XIA J，BOGARDUS C，et al. Skeletal muscle uncoupling protein 3 expression is a determinant of energy expenditure in Pima Indians[J]. Diabetes，1999（48）：146-149.
[24] MEIRHAEGHE A，COTTEL D，AMOUYEL P，et al.Lack of associ-ation between certain candidate gene polymorphisms and the metabolic syndrome[J].Molecular Genetics and Metabolism，2005（86）：293-299.
[25] CIRELLI C，TONONI G. Uncoupling proteins and sleep deprivation[J].Arch Ital Biol，2004，42（4）：541-549.
[26] LJUBICIC V，ADHIHETTY P J，HOOD DA. Role of UCP3 in state 4 respiration during contractile activity-induced mitochondrial biogenesis[J].J Appl Physiol，2004，97（3）：976-983.
