Sirt1 基因的研究進展

陳婷婷 胡云龍 劉 兵 王曉冬 郭德銀 靳廣毅

深圳大學醫學院，廣東深圳 518060

蛋白質經歷了多種翻譯后修飾， 包括SUMO 化（sumoylation）、泛素化（ubiquitination）、磷酸化（phosphorylation）等[1]，進而調控酶活性和定位的改變以及調節蛋白與蛋白之間的相互作用。Sirt1（Sirtuin type 1）屬于去乙酰化酶家族，其家族的共同特點是通過對組蛋白，轉錄調節因子及其它蛋白修飾乙酰化，調節基因的表達。

沉默信息調節因子2（silent information regulator 2， Sir2）的哺乳動物同源物Sirt1，在成熟組織中廣泛表達，在胚胎早期和生殖細胞中高含量。 Sirt1 的底物包含組蛋白（組蛋白H1 的K26，組蛋白H3 的K9 和組蛋白H4 的K16）、和非組蛋白（涉及細胞凋亡，神經元保護，器官代謝功能，細胞衰老和腫瘤發生等）和各種轉錄因子等。根據底物特點推測，人類Sirtuins 蛋白的生理功能一方面參與調節細胞在應激條件下平衡生存和死亡，另一方面參與調節代謝。

1 Sirt1 的結構特點

最早在酵母、線蟲和果蠅等低等動物中發現Sir2 家族，隨著研究的深入，發現在高等生物中也普遍存在其同源家族，統稱為Sirtuin，簡寫為SIRT。 哺乳動物的Sirtuin 家族包含7 個擁有非常相似的同源序列成員，并且包含保守的催化結構域和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）連接結構域。

研究最為深入的Sirt1 與酵母Sir2 的同源性最高。其基因定位于人類染色體10q22.1， 包含9 個外顯子和8 個內含子， 基因序列長度約為33 kb，5' 及3' 端各有一個分別為53 bp 及1793 bp 的非翻譯區。 Sirt1蛋白由500 個氨基酸殘基組成，翻譯后的蛋白質相對分子量大小約60 kD。Sirt1 中第363 位的組氨酸是去乙酰化活性的必需基團。 Sirt1 脫乙酰酶活性的發揮依賴于胞質中NAD+/NADN 的比率， 當NAD+/NADN的比率上升時，Sirt1 脫乙酰化酶的活性也增強， 反之則降低[2]。在此酶反應過程中可以產生3 個產物：ADP核糖基，煙酰胺和氧化乙酰基ADP 核糖基[3]。

2 與Sirt1 相互作用的蛋白因子

一系列研究發現，Sirt1 是一種多功能的轉錄調節因子，在體內對幾種控制代謝及內分泌信號的轉錄因子去乙酰化作用調節其活性。 Sirt1 與p53 蛋白結合，在p53 的C-末端第382 位賴氨酸殘基去乙酰化，降低p53 的轉錄活性，參與了腫瘤的形成[4]。Sirt1 通過其去乙酰化作用使FOXO 誘導細胞周期停滯和抵抗應激的能力增強，另一方面，Sirt1 使FOXO 誘導細胞凋亡的能力減弱，這種雙面影響促進細胞抗氧化應激耐受力，進而延緩細胞衰老進程[5]。 Sirt1 與PPARr 上的兩個輔酶因子——核NcoR 和SMRT 結合， 抑制PPARr 與目的基因結合，促進體內脂肪的分解，進而減少脂肪堆積[6]。 Sirt1 去乙酰化NF-κB 的亞基p65，抑制p65 賴氨酸310 位轉錄[7]，促進TNF-α 誘導的凋亡。 Sirt1 以NAD+依賴的方式與PGC-1a 在特異的賴氨酸殘基上相互作用而去乙酰化[8]。Sirt1 通過PCAF/GCN5 乙酰轉移酶介導PCAF 和MyoD 去乙酰化，抑制MyoD 和MEF2 的表達[9]。

3 Sirt1 與生理功能

3.1 Sirt1 與自噬

Sirt1 的活性對于誘導饑餓所引起的自噬是必需。研究表明缺糖損傷增加AMP/ATP 的比例， 磷酸化AMP 活化的蛋白激酶AMPK， 活化的AMPK 一方面磷酸化ULK1，激活PI3K 復合物，另一方面通過抑制mTOR 從而抑制ULK1 復合物的磷酸化調控自噬[10]。活化的AMPK 也可以上調Sirt1 的活性[11]。 進一步發現Sirt1 與自噬機制中的一些必需成分相互作用，去乙酰化Atg5，Atg7 和Atg8 等自噬基因，形成復合體，激活自噬。 在體外，Sirt1 缺失增加多個自嗜相關基因產物的乙酰化水平[12]。

3.2 Sirt1 與精子生成

Sirt1 敲除的鼠胚中，成熟精子和精子發生顯著降低， 但是卵母細胞的數量沒有受到影響。 Sirt1 缺陷，DNA 損傷水平上升，對精子細胞數量有害。Sirt1 缺陷鼠的睪丸全基因表達芯片顯示，精子生成中一些基因錯誤表達。 Sirt1 通過去乙酰化促進靶基因轉錄失活。因此。 Sirt1 缺陷在轉錄水平上影響精子發生中表達的基因[13]。

3.3 Sirt1 抑制成肌細胞分化

Sirt1 蛋白在肌原細胞中表達，并在分化過程中表達水平逐漸下調。 Sirt1 通過PCAF/GCN5 乙酰轉移酶介導PCAF 和MyoD 去乙酰化， 抑制MyoD 和MEFs的表達。 Sirt1 過表達， 抑制肌肉特異基因的轉錄，阻礙肌肉分化。 而低水平的Sirt1 的細胞分化提前[14]。

3.4 Sirt1 和衰老干細胞

Sirt1 因其自身獨特的生物學性質和功能，近幾年來成為調控壽命基因研究的熱點。 2009 年《科學》雜志上，發表了《Sirt1 通過去乙酰化調節熱應激因子1（HSF1）保護細胞》，文章中發現HSF1 與Sirt1 調節生命周期的新機制。 HSF1 是一種保護細胞免受損傷等多種外在刺激下產生的應激蛋白，當它感受到細胞中受損蛋白出現時，會迅速短暫地大量合成，并通過與細胞內部分變性蛋白結合， 使其處于正確的折疊狀態，從而發揮細胞保護功能。 高水平的Sirt1 有效地保護細胞， 但人體內的Sirt1 水平會隨著年齡的增長而降低，Sirt1 的減少使HSF1 失去活性， 對細胞的保護失效，導致蛋白錯誤折疊，損傷積累，分子系統開始分崩離析，導致細胞無法應對內外環境的壓力，這就是衰老的真相[15]。

在全身性炎癥，帕金森氏病和衰老相關的肌肉萎縮的小鼠模型中，Sirt1 的S-亞硝基化增加p53 和p65 的乙酰化， 激活NF-κB 蛋白和p53 活性，SIRT1的S-亞硝基化可以作為促炎開關， 而這一過程在肥胖有關的糖尿病，動脈粥樣硬化，阿爾茨海默氏病以及衰老中起到重要作用[16]。

Sirt1 激活劑白藜蘆醇通過結合衰老中變異的人體蛋白LAMINA，活化Sirt1，增加干細胞數量，從而延緩衰老過程，并且喂食白藜蘆醇的早老癥小鼠能延長其壽命[17]。

Stem Cell Reports 上顯示，Sirt1 影響衰老造血干細胞的正常再生能力。 利用Sirt1 敲除的小鼠模型，發現Sirt1 通過調控轉錄因子FOXO3 的壽命，進而調節造血干細胞的穩態。而缺失SIRT1 的年輕造血干細胞與衰老和缺陷的干細胞相似，這被認為與惡性腫瘤的形成相關。 該研究明確了Sirt1 潛在的衰老調控因子，為抗衰老疾病提供一些靶點[18]。

4 Sirt1 與疾病

4.1 Sirt1 和代謝綜合征

Sirt1 對禁食反映的感應顯示，其可能是生理學上通用的對禁食反映的調節器。 在葡萄糖代謝過程中，Sirt1 與PGC-1a 相互作用控制肝臟中的葡萄糖異生作用和糖酵解途徑作為禁食信號的反應。 當饑餓時，肝臟中的丙酮酸鹽調節著Sirt1 的蛋白水平。 因此，Sirt1 通過轉錄共活化物PGC-1a 對糖異生的刺激拮抗肝胰島素應答途徑，儲存血糖并抑制糖異生[19]。 核受體PPARγ 是脂肪形成過程中存儲脂肪的重要調節因子。在白色脂肪組織中，Sirt1 抑制PPARγ 介導的脂肪細胞分化和儲存，抑制脂肪細胞增殖分化，促進脂肪動員[20]。 因此，Sirt1 活性改變與代謝綜合征的發生相關。

4.2 Sirt1 和神經退行性疾病

Sirt1 高表達于小鼠胚胎的大腦，心臟，脊髓和背側根中[21]。 在胚胎大腦中高表達，暗示Sirt1 在神經元和/或者大腦發育中起到重要作用。 在成年大鼠腦中，Sirt1 表達在海馬組織，小腦和大腦皮層。 Sirt1 通過下調促凋亡因子p53[22]和FOXO[23]，起到抗凋亡的作用，促使神經元細胞存活。

阿爾茨海默氏病是由于β 折疊構象變化，淀粉狀蛋白質分子聚集沉淀而引起。 在小神經膠質中，由β肽段增多引起神經元死亡涉及到NF-κB 信號轉導通路[24]。 Chen 等[25]發現Sirt1 過表達，去乙酰化NF-κB的P65/RelA 亞基， 抑制了淀粉狀蛋白β 誘導小膠質細胞的凋亡。

亨廷頓蛋白是常染色體顯性遺傳性神經退行性疾病中的有害產物[26]。Resveratrol 和Sirt1 基因量不斷增加將以DAF16 依賴的方式減輕蠕蟲神經元異常。

近期， 研究表明Sirt1 還可以利用神經保護Ⅰ類組蛋白去乙酰化酶HDAC1，負責將損傷的DNA 包裹進行壓縮，進而修復患有神經退行性疾病的小鼠體內的基因組不穩定性[27]。

4.3 Sirt1 與基因穩定性和腫瘤的發生

在正常的條件下，Sirt1 定位在細胞核內[28]。但是，當應對TNF-α 時，Sirt1 存在于死亡細胞的細胞質中。這個現象提示Sirt1 可能以caspase 依賴的方式從細胞核到細胞質的定位改變。 腫瘤細胞Sirt1 的表達水平高于正常的人類細胞， 表明Sirt1 參與腫瘤生成。Sirt1 與多種腫瘤相關因子相互作用，并且在某些條件下促進腫瘤細胞的存活。

細胞應對外界應激信號時，蛋白激酶ATM、ATR、p38 等磷酸化p53 的N 末端和C 末端，增強p53 與乙酰化酶的乙酰化， 建立p53 磷酸化-乙酰化的級聯反應[29]，增強p53 活性和穩定性，促使p53 誘導衰老[30]。許多腫瘤治療藥物都是基于重新激活p53 的功能或者失活p53 的負性調節因子。 因此，Sirt1 介導的去乙酰化酶抑制劑在腫瘤治療中具有協同效應。最近研究顯示，Sirt1 中734 位的賴氨酸可以被sumo （small ubiquitin-related modified）化。 體外sumo 化的Sirt1 顯著增強去乙酰化p53 的能力。紫外射線和過氧化氫等壓力誘導因子募集去sumo 化SENP1 蛋白，切割Sirt1的sumo 因子，降低其活性，這是使癌細胞變得耐受的方法之一[31]。

4.4 Sirt1 和HIV

當前科學家對類似HIV、HSV 等病毒感染還沒有有效的阻斷辦法， 但一項來自普林斯頓大學2005 年發表的“Public Library of Science Biology” 一文中表明，可以調控一個基因開關阻止病毒活化。 研究者指出，Sirt1 能對在HIV 中負責活化轉錄機制的調控者Tat 進行去乙酰化，使其能在促使HIV 轉錄的過程中循環利用。 若能夠降低Tat 乙酰化的速率，可以成功降低HIV 的復制。因此，研究Tat 與Sirt1 之間的相互關系成為是控制艾滋病病毒繁殖的提供了新的方向[32]。

4.5 Sirt1 與心血管疾病

動脈粥樣硬化部分是由于血管壁慢性炎癥所引起的。 研究表明，由一氧化氮合酶（eNOS）所產生的一氧化氮在維持血管內皮的功能，肌肉松弛，降低血壓等起到重要作用。 而Sirt1 通過活化eNOS[33]或者通過NF-κB / P65 信號通路減少內皮組織因子如凝集素Ⅲ表達，減少血管內皮栓形成[34]。

同時sirt1 在心肌缺血再灌注損傷中， 通過下游分子eNOS、NF-κB 通路發揮重要的急性保護作用[35]。

心肌代謝紊亂、自主神經病變及微血管病變的基礎上引發心肌廣泛灶性壞死引發糖尿病心肌病變。Sirt1 激活劑白藜蘆醇上調肌漿鈣ATP 酶（SERCA2a）的表達發揮心肌保護作用[36]。

5 小結

Sirt1 從原核生物、酵母、果蠅、小鼠到人類有廣泛表達且具有高度保守性，與不同的底物相互作用發揮其組織特異性效應。去乙酰化在蛋白質翻譯后調節中具有舉足輕重的作用，Sirt1 屬于去乙酰化酶家族，其家族的共同特點是具有調節靶蛋白的乙酰化狀態的活性，維持染色體結構穩定，沉默基因表達，調控細胞的能量代謝平衡。

目前對Sirt1 在抑制或活化細胞平衡過程需要進一步的實驗支持，其底物和功能在不同疾病和物種中都不盡相同。 進一步深入地對其研究，特別是提供更多關于生命疾病過程的調控信息， 需要對Sirt1 功能作更深入的研究。 通過使用能增加Sirt1 蛋白活性的藥物來研究它們預防癌癥的潛能， 并為最終將Sirt1作為治療疾病的研究靶點提供理論基礎。

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