Термогенин UCP1: Механизмы теплопродукции и регуляции в бурой жировой ткани.

Введение

Протеин млекопитающих, обнаруженный у человека (Homo sapiens). Термогенин (первоначально названный открывателями "разъединяющим белком", а теперь известный как "разъединяющий белок 1" или UCP1) – это митохондриальный белок-переносчик, обнаруженный в бурой жировой ткани (BAT). Он используется для выработки тепла посредством недрожащего термогенеза и вносит существенный количественный вклад в компенсацию потерь тепла у младенцев, которая в противном случае была бы обусловлена их большим отношением площади поверхности к объему.

Механизм

UCP1 относится к семейству UCP, которые представляют собой трансмембранные белки, снижающие протонный градиент, генерируемый при окислительном фосфорилировании. Это достигается за счет увеличения проницаемости внутренней митохондриальной мембраны, позволяя протонам, перекачанным в межмембранное пространство, возвращаться в митохондриальный матрикс и, следовательно, рассеивать протонный градиент. Генерация тепла, опосредованная UCP1 в бурой жировой ткани, разъединяет дыхательную цепь, обеспечивая быстрое окисление субстрата при низкой скорости производства АТФ. UCP1 связан с другими митохондриальными транспортерами метаболитов, такими как аденоиновый нуклеотидный транслокатор – протоновый канал во внутренней митохондриальной мембране, обеспечивающий транслокацию протонов из межмембранного пространства митохондрий в митохондриальный матрикс. UCP1 экспрессируется преимущественно в бурой жировой ткани, где он обеспечивает механизм для значительной теплогенерирующей способности ткани. UCP1 активируется в бурых жировых клетках жирными кислотами и ингибируется нуклеотидами. Жирные кислоты высвобождаются в результате следующего сигнального каскада: терминалы симпатической нервной системы высвобождают норадреналин на бета-3 адренергический рецептор на плазматической мембране. Это активирует аденилатциклазу, которая катализирует превращение АТФ в циклический АМФ (cAMP). cAMP активирует протеинкиназу А, что приводит к высвобождению активных C-субъединиц из регуляторных R-субъединиц. Активная протеинкиназа А, в свою очередь, фосфорилирует триацилглицерольную липазу, тем самым активируя ее. Липаза превращает триацилглицеролы в свободные жирные кислоты, которые активируют UCP1, преодолевая ингибирование, вызванное пуриновыми нуклеотидами (GDP и ADP). При прекращении термогенеза термогенин инактивируется, а остаточные жирные кислоты утилизируются путем окисления, что позволяет клетке вернуться к нормальному энергосберегающему состоянию. UCP1 очень похож на белок-переносчик АТФ/АДФ, или аденоиновый нуклеотидный транслокатор (АНТ). Предлагаемая модель чередующегося доступа для UCP1 основана на аналогичном механизму АНТ. Субстрат входит в полуоткрытый белок UCP1 с цитоплазматической стороны мембраны, белок закрывает цитоплазматическую сторону, заключая субстрат внутрь, а затем открывается матричная сторона белка, позволяя субстрату высвободиться в митохондриальный матрикс. Открытие и закрытие белка осуществляется за счет усиления и ослабления солевых мостиков на мембранной поверхности белка. Подтверждением моделирования UCP1 на основе АНТ является большое количество консервативных остатков между двумя белками, активно участвующих в транспорте субстрата через мембрану. Оба белка являются интегральными мембранными белками, локализованными во внутренней митохондриальной мембране, и имеют схожий рисунок солевых мостиков, остатков пролина и гидрофобных или ароматических аминокислот, которые могут закрываться или открываться в цитоплазматическом или матричном состоянии. Структура имеет типичное строение, характерное для членов семейства SLC25. UCP1 блокируется в цитоплазматически открытом состоянии гуанозинтрифосфатом pH-зависимым образом, предотвращая утечку протонов. В то время как UCP1 играет ключевую термогенную роль у широкого спектра плацентарных млекопитающих, особенно у видов с небольшим размером тела и у тех, кто впадает в спячку, ген UCP1 утратил функциональность у нескольких крупных видов (например, лошадей, слонов, морских коров, китов и гираксов) и у видов с низкой скоростью метаболизма (например, панголинов, броненосцев, ленивцев и муравьедов). Недавние открытия нетеплогенерирующих ортологов UCP1 у рыб и сумчатых, других потомков предка современных позвоночных, показывают, что этот ген был передан всем современным позвоночным, но, за исключением плацентарных млекопитающих, ни один из них не обладает способностью к теплопродукции. Это также позволяет предположить, что UCP1 изначально выполнял другую функцию, и, действительно, филогенетические и последовательные анализы указывают на то, что UCP1, вероятно, является мутировавшей формой дикарбоксилатного белка-переносчика, адаптированного для термогенеза у плацентарных млекопитающих.

UCP1 belongs to the UCP family which are transmembrane proteins that decrease the proton gradient generated in oxidative phosphorylation. They do this by increasing the permeability of the inner mitochondrial membrane, allowing protons that have been pumped into the intermembrane space to return to the mitochondrial matrix and hence dissipating the proton gradient. UCP1 mediated heat generation in brown fat uncouples the respiratory chain, allowing for fast substrate oxidation with a low rate of ATP production. UCP1 is related to other mitochondrial metabolite transporters such as the adenine nucleotide translocator, a proton channel in the mitochondrial inner membrane that permits the translocation of protons from the mitochondrial intermembrane space to the mitochondrial matrix. UCP1 is restricted to brown adipose tissue, where it provides a mechanism for the enormous heat generating capacity of the tissue. UCP1 is activated in the brown fat cell by fatty acids and inhibited by nucleotides. Fatty acids are released by the following signaling cascade: Sympathetic nervous system terminals release Norepinephrine onto a Beta 3 adrenergic receptor on the plasma membrane. This activates adenylyl cyclase, which catalyses the conversion of ATP to cyclic AMP (cAMP). cAMP activates protein kinase A, causing its active C subunits to be freed from its regulatory R subunits. Active protein kinase A, in turn, phosphorylates triacylglycerol lipase, thereby activating it. The lipase converts triacylglycerols into free fatty acids, which activate UCP1, overriding the inhibition caused by purine nucleotides (GDP and ADP). During the termination of thermogenesis, thermogenin is inactivated and residual fatty acids are disposed of through oxidation, allowing the cell to resume its normal energy conserving state. UCP1 is very similar to the ATP/ADP Carrier protein, or Adenine Nucleotide Translocator (ANT). The proposed alternating access model for UCP1 is based on the similar ANT mechanism. The substrate comes in to the half open UCP1 protein from the cytoplasmic side of the membrane, the protein closes the cytoplasmic side so the substrate is enclosed in the protein, and then the matrix side of the protein opens, allowing the substrate to be released into the mitochondrial matrix. The opening and closing of the protein is accomplished by the tightening and loosening of salt bridges at the membrane surface of the protein. Substantiation for this modelling of UCP1 on ANT is found in the many conserved residues between the two proteins that are actively involved in the transportation of substrate across the membrane. Both proteins are integral membrane proteins, localized to the inner mitochondrial membrane, and they have a similar pattern of salt bridges, proline residues, and hydrophobic or aromatic amino acids that can close or open when in the cytoplasmic or matrix state. The structure has the typical fold of a member of the SLC25 family. UCP1 is locked in a cytoplasmic open state by guanosine triphosphate in a pH dependent manner, preventing proton leak. While UCP1 plays a key thermogenic role in wide range placental mammals, particularly those with small body size and those that hibernate, the UCP1 gene has lost functionality in several large bodied lineages (e. g. horses, elephants, sea cows, whales and hyraxes) and lineages with low metabolic rates (e. g. pangolins, armadillos, sloths and anteaters). Recent discoveries of non heat generating orthologues of UCP1 in fish and marsupials, other descendants of the ancestor of modern vertebrates, show that this gene was passed on to all modern vertebrates, but aside from placental mammals, none have heat producing capability. This further suggests that UCP1 had a different original purpose and in fact phylogenetic and sequence analyses indicate that UCP1 is likely a mutated form of a dicarboxylate carrier protein that adapted for thermogenesis in placental mammals.

История

Исследователи, изучавшие коричневую жировую ткань в 1960-х годах, обнаружили, что помимо выработки большего количества тепла, чем в других тканях, она, по-видимому, нарушает или разъединяет окислительное фосфорилирование. Разъединяющий белок 1 (UCP1) был обнаружен в 1976 году Дэвидом Г. Николсом, Вибеке Бернсон и Джиллиан Хитон, а результаты были опубликованы в 1978 году и показали, что именно этот белок отвечает за эффект разъединения. Впоследствии UCP1 был впервые очищен в 1980 году и клонирован в 1988 году. В 1997 году был идентифицирован разъемляющий белок 2 (UCP2), гомолог UCP1. UCP2 локализуется в широком спектре тканей и предположительно участвует в регуляции реактивных видов кислорода (ROS). За последнее десятилетие были идентифицированы три дополнительных гомолога UCP1, включая UCP3, UCP4 и UCP5 (также известные как BMCP1 или SLC25A14).

Клиническая значимость

Методы доставки UCP1 в клетки с помощью генной терапии или методы повышения его экспрессии стали важным направлением исследований в области лечения ожирения благодаря их способности рассеивать избыточные запасы энергии.