UCP5在果蝇心脏衰老和代谢中的作用

《Biochimie》：The role of UCP5 in cardiac aging and metabolism in Drosophila

果蝇心脏特异性过表达UCP5增加纤维颤动发生率，敲低UCP5诱导心搏停止；UCP5通过调节ROS水平影响心脏电生理，其RNA水平随年龄下降且在高脂饮食中上调，可能通过代谢适应维持心脏稳态。

　　

张彦旭|翟一元|白颖|曾群|唐敏

中国南方大学衡阳医学院生物化学与分子生物学系，衡阳，中国

摘要

解偶联蛋白作为线粒体转运蛋白，允许质子进入线粒体基质而不产生ATP，这一过程称为氧化磷酸化解偶联。研究表明，哺乳动物的解偶联蛋白（UCPs）可以调节新陈代谢、控制活性氧水平并维持钙平衡，而钙平衡与心脏病密切相关。在果蝇中，已经鉴定出四种解偶联蛋白的同源物，其中只有UCP5通过质谱分析在成年心脏蛋白组中被检测到。UCP5在果蝇心脏中的确切作用尚不清楚。我们的结果显示，心脏特异性UCP5的过表达会以年龄依赖的方式增加心室颤动的发生率，而心脏特异性UCP5的敲低则会因心动过速导致心室停搏的发生率增加。此外，UCP5的RNA水平随年龄增长而显著下降，表明UCP5参与心脏老化过程。心脏特异性UCP5的过表达可以降低心肌细胞核内的活性氧水平并延长寿命。在高脂饮食条件下，UCP5的RNA水平升高，系统性的UCP5过表达可以降低这种饮食条件下的甘油三酯水平，表明UCP5在新陈代谢中具有适应性作用。

引言

解偶联蛋白（UCPs）作为线粒体转运蛋白，通过使质子重新进入线粒体基质并产生热量而非ATP来降低质子梯度，这一过程称为氧化磷酸化解偶联。在哺乳动物组织中已鉴定出五种解偶联蛋白同源物[1]。UCP1是最早被鉴定出的解偶联蛋白，主要表达在棕色脂肪组织中[2]。哺乳动物的UCP2和UCP3特异性表达在心脏中，并已被证明会影响心脏功能[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。在果蝇中，已鉴定出四种解偶联蛋白同源物：UCP4A、UCP4B、UCP4C和UCP5[11]、[12]。值得注意的是，UCP5是通过质谱分析在果蝇成年心脏蛋白组中唯一被检测到的同源物[13]。UCP5在果蝇心脏功能中的作用尚未明确。

心脏中Ca²⁺的调控对于维持心脏生理功能至关重要。在兴奋-收缩耦合阶段，L型Ca²⁺通道（LTCCs）在去极化时被激活，从而通过Ryanodine受体控制Ca²⁺从肌浆网（SR）中的释放。随后，Ca²⁺的再摄取由质膜上的钠-钙交换器（NCX）和肌/内质网Ca²⁺-ATP酶（SERCA）促进。研究表明，哺乳动物的UCPs通过调节线粒体中的Ca²⁺摄取来维持心脏中的Ca²⁺平衡，从而影响心脏的电生理特性[6]、[7]、[14]、[15]。大鼠新生心肌细胞中UCP2的过表达通过降低线粒体膜电位梯度来抑制线粒体对Ca²⁺的摄取，从而影响心肌细胞的兴奋-收缩耦合[7]。UCP2的过表达会导致细胞质中Ca²⁺瞬态的延长[7]，类似于心室颤动。值得注意的是，UCP2的敲低也会通过调节线粒体钙单向转运蛋白（MCU）来减少线粒体对Ca²⁺的摄取[6]、[14]。线粒体对Ca²⁺摄取的减少被L型Ca²⁺通道的功能抑制所抵消，这缩短了动作电位的持续时间[6]，类似于心动过速。心脏UCP3敲除小鼠中缺血-再灌注性心律失常的发生率增加[8]。UCP2/UCP3的多态性与人类的心率变异性有关[9]。

UCPs在不产生ATP的情况下产生“质子泄漏”，这突显了它们在维持代谢平衡中的关键作用[16]。小鼠肝脏中的UCP5转录水平会根据营养状况进行适应性调节[17]。此外，UCPs介导的质子耗散可以减少活性氧（ROS）的产生。因此，UCPs被认为可以保护心肌细胞免受外源性氧化应激的影响，并促进缺血后的心脏恢复[8]、[18]、[19]、[20]、[21]。在心脏缺血条件下，大鼠的UCP2和UCP3表达增加，有助于限制过多的ROS生成[19]。小鼠中UCP3的基因缺失会加剧缺血心脏中的细胞凋亡，并通过调节ROS导致心力衰竭[20]。与果蝇UCP5同源的小鼠BMCP1已被证明可以调节神经元细胞系中的ROS水平[22]。鉴于UCPs在调节Ca²⁺处理、新陈代谢和ROS水平中的作用，我们旨在研究果蝇 UCP5在成年心脏功能中的功能。

部分内容摘要

转基因构建体和品系

使用列出的PCR引物克隆了UCP5 cDNA。为了研究UCP5的定位，在UCP5编码区的C末端整合了EGFP基因，生成了UCP5-EGFP融合片段。然后通过phi-C31介导的转化将该片段无缝克隆到pUAST-attB载体中，并插入attp40位点[24]。UCP5-EGFP的表达受载体中上游激活序列（UAS）元件的调控（图S1A）。

UCP5 CDS正向引物：

心脏特异性UCP5过表达导致心室颤动发生率增加

通过将表达组织特异性驱动基因Gal4蛋白的果蝇与携带UCP5蛋白（与EGFP融合）的转基因品系进行杂交来实现UCP5的过表达（OE）。最初在果蝇的飞行肌肉中研究了在肌肉特异性驱动基因MHC-Gal4控制下的UCP5-EGFP融合蛋白的亚细胞定位，以避免EGFP融合对UCP5定位的人为影响。免疫染色结果显示

讨论

UCP5是一种线粒体解偶联蛋白，它可以耗散线粒体中的质子梯度。在果蝇的心脏中表达。UCP5在果蝇成年心脏功能中的作用尚不清楚。我们的研究结果表明，心脏特异性UCP5的调控显著影响心脏生理、寿命和代谢平衡。

UCP5的过表达和敲低都会扰乱心脏节律，但模式不同。首先，心脏特异性UCP5的过表达显著

作者贡献声明

张彦旭：撰写 – 原稿撰写，研究，数据管理。翟一元：研究，数据管理。白颖：研究。曾群：撰写 – 审稿与编辑。唐敏：撰写 – 审稿与编辑，监督

未引用的参考文献

[35]。

披露事项

作者之间不存在潜在的利益冲突。所有作者均已阅读并批准了手稿。

资助信息

湖南省教育厅；

国家自然科学基金

利益冲突声明

作者之间不存在潜在的利益冲突。