血管衰老的乙酰化調控機制

蔡文杰，王銘潔

（1．上海理工大學醫療器械與食品學院醫學基礎教研室，上海 200093；2．復旦大學老年醫學研究中心，復旦大學基礎醫學院生理與病理生理學系，上海 200032）

血管衰老的乙酰化調控機制

蔡文杰1，王銘潔2

（1．上海理工大學醫療器械與食品學院醫學基礎教研室，上海 200093；
2．復旦大學老年醫學研究中心，復旦大學基礎醫學院生理與病理生理學系，上海 200032）

中國圖書分類號：R-05；R339．38；R364．3；R543.02；R977.3

摘要：蛋白質乙酰化修飾對基本生命現象進行廣泛調節，如心血管穩態和腫瘤發生。探索乙酰化修飾機制及其在疾病中的異常表現，已成為醫學研究的基本問題之一。血管衰老與老年性高血壓、冠狀動脈粥樣硬化等疾病的發生發展密不可分，內皮細胞衰老是其中的關鍵環節。該文綜述了血管衰老的乙酰化調節研究進展，并對該領域的研究做展望。

關鍵詞：乙酰化；衰老；內皮細胞；硫化氫；血管新生；組蛋白去乙酰化酶

網絡出版時間：2015－9－14 14：53 網絡出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／34．1086．R．20150914．1453．010．html

遺傳物質DNA確保了人類的種族綿延，基因突變在增加生物多樣性的同時，也會導致疾病的發生。近年來，科學家們認識到基因功能在沒有DNA序列發生變化的情況下也能進行可逆的、甚至可遺傳的改變（表觀遺傳學）。研究最多的有DNA甲基化、組蛋白乙酰化等。不僅是組蛋白，非組蛋白也能發生乙酰化修飾。蛋白質乙酰化修飾和磷酸化修飾一樣廣泛存在于生物體內，對基本生命現象進行著多種調節，如心血管穩態和腫瘤的發生發展。因此，探索乙酰化修飾機制及其在疾病中的異常表現，已成為醫學和生命科學研究的基本問題之一。

老年是心血管疾病（如動脈粥樣硬化和高血壓）的首要危險因素，心血管疾病是65歲以上老年人死亡的主因之一［1］。老年人動脈管壁硬化、外周血管中膜增厚和纖維化，引起血管可擴張性降低和血壓升高。高血壓導致的心肌和血管重構、動脈粥樣硬化以及動脈痙攣性收縮等原因均可引起組織缺血。血管內皮細胞的正常功能對于維持血管穩態、

促進傷口愈合起著非常重要的作用。老年人群普遍存在的傷口愈合差，與內皮細胞衰老導致的血管新生障礙密切相關。研究發現，同樣基因背景的人衰老過程存在明顯差異，提示表觀遺傳學參與了衰老的調控。

目前，已知衰老過程伴隨著眾多基因和蛋白質的乙酰化修飾改變，本文圍繞血管衰老的乙酰化調節研究進展做一綜述。

1　蛋白質乙酰化修飾及其調控

蛋白質乙酰化是一個可逆的過程，受乙酰化酶（又稱乙酰基轉移酶，acetyltransferase，或histone acetyltransferase，HAT，因起初認為其作用于組蛋白起效而得名）和組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC，與HAT作用相反而得名）的共同作用，處于一個精細調節的網絡中。乙酰化酶將乙酰輔酶A上的乙酰基轉移到蛋白質的賴氨酸殘基上。從基因表達的角度看，HAT乙酰化組蛋白，舒展核小體結構，激活基因轉錄，HDAC的作用則相反。二者密切配合使染色質結構發生動態改變，可以調控基因的活性以及DNA的復制。胞質中的乙酰化修飾酶則由于其所處的位置而更多地參與了對細胞各種功能的非基因調節。

HDAC家族包含18個基因及其編碼的蛋白質。哺乳動物的HDACs根據它們與酵母轉錄抑制因子Rpd3p（reduced-potassium-dependency gene 3）、Hda1p（histone deacetylase A complex的一個亞單位）和Sir2p（silent information regulator 2）的同源性分成4類：Ⅰ（HDAC 1、2、3、8）、Ⅱ（HDAC 4、5、6、7、9、10）、Ⅲ（SIRT 1～7）、Ⅳ（HDAC11），其中Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ類被稱為經典HDAC，是Zn2＋依賴酶；Ⅲ類被稱為Sirtuins，是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD＋）依賴酶。不同亞型的HDAC在亞細胞定位和功能側重上有差異，亞細胞定位的不同，使它們能作用于不同的靶分子。

Ⅰ類HDAC中的HDAC 1、2、3位于細胞核內，全身分布廣泛，以轉錄因子作為底物，是維持正常生命活動所必須的，所以無法獲得基因敲除小鼠。Ⅰ類HDAC中的HDAC8、ⅡA 類HDAC（HDAC 4、5、7、9）和Ⅳ類HDAC（HDAC 11）在胞質、胞核都有分布。HDAC 8全身廣泛分布，HDAC 4、5和11主要分布于心臟、平滑肌和腦，HDAC 7還分布于胎盤和胰腺。僅HDAC 7基因敲除因缺乏內皮細胞間連接而在胚胎期致死。ⅡB類HDAC（HDAC 6和10）則位于細胞質，以腎臟和肝臟分布為主，HDAC 6在心臟和胰腺也有分布。HDAC 6去乙酰化修飾α-tubulin和HSP90。HDAC 6還可調節缺氧誘導因子1α（HIF-1α）的活性，敲低胞內HDAC 6可通過HSP90介導的蛋白酶降解途徑減少VEGF受體表達［2］。

不同的Sirtuins可以對不同部位的蛋白質發揮去乙酰化作用：SIRT 1、6和7主要在核內起效；SIRT 2在胞質起效；SIRT 3、4和5在線粒體起效。SIRT 1與酵母轉錄抑制因子Sir2p同源性最高，是一個基礎狀態下主要位于核內的多功能去乙酰化酶，將蛋白質乙酰化與代謝聯系起來［3］，參與了對代謝、衰老、腫瘤發生的調控，與應激反應信號轉導通路聯系密切。SIRT 1可能通過增強基因組的穩定性來促進代謝，SIRT 1的已知下游靶分子有組蛋白（H1K26、H3K9和H4K16）、p53、叉頭蛋白O（forkhead box O，FoxO）以及NF-κB （nuclear factor-κB）。SIRT 1又被稱為長壽基因，因為：①過表達SIRT 1可抑制衰老，延長壽命［3］；②熱量限制（calorie restriction，CR）通過增強細胞SIRT 1活性延長酵母、果蠅和小鼠的壽命［4］。但是也有研究提示熱量限制引起的SIRT 1活性增強有器官依賴性，例如熱量限制引起肝臟SIRT 1減少，高卡路里飲食則活化小鼠肝臟SIRT 1［5］。SIRT 6可使組蛋白H3K9乙酰化調節基因組穩定性、NF-κB信號和葡萄糖穩態，從而延長壽命［6］。SIRT 3可通過去乙酰化線粒體蛋白參與了熱量限制引起的壽命延長［7］。

2　血管衰老的乙酰化調節

2．1血管衰老的表現 衰老過程中，構成血管的兩種主要細胞——血管內皮細胞和平滑肌細胞均發生功能失調。內皮細胞產生縮血管和舒血管物質的平衡被打破，主要體現在內源性舒血管物質一氧化氮產生減少，而環氧合酶（cycloox-ygenase，COX）來源的縮血管因子（如血栓素和前列腺素H2）產生增加，并伴隨活性氧產生增加［8］。平滑肌細胞則遷移、增殖增強，對生長因子（如轉化生長因子β1）的反應改變，對內皮源性縮血管因子的反應增強，內皮細胞和平滑肌細胞之間的信號通訊也發生改變［9］。

衰老時內皮細胞功能障礙會導致血管痙攣、血栓形成、巨噬細胞浸潤和炎癥反應，從而引起動脈粥樣硬化和其他心血管病變（如冠心病、高血壓等）。所以內皮細胞功能障礙已成為心血管疾病的一個預測指標［8］。

2．2乙酰化與內皮細胞功能 衰老時內皮eNOS的總量并沒有減少，但乙酰化的eNOS增多，同時伴隨SIRT 1減少，使得eNOS活性下降，導致NO產生減少，內皮功能失調。而年輕動物在抑制SIRT 1后NO產生減少，其內皮依賴的血管舒張能力明顯降低［10］。運用SIRT 1激活劑白藜蘆醇可以加強SIRT 1的表達，NO產生增多，明顯抑制了高糖引起的動脈粥樣硬化癥狀［11］。這些實驗表明，SIRT 1可以通過加強eNOS的活性來改善內皮細胞功能。然而最近研究表明，eNOS的賴氨酸在翻譯后進行的乙酰化修飾對其活性很重要，使得內皮細胞NO產生增加。HDAC 1和HDAC 3則能介導該賴氨酸的去乙酰化，使得eNOS活性下降，NO產生減少［12］。可見不同類型的HDAC作用機制不同，它們一起調節eNOS的活性來影響內皮的功能。

活性氧增加會損害內皮細胞的功能，研究顯示，下調HDAC 3或廣譜抑制HDAC后，NOX4的轉錄減少。而抑制SIRT 1后NOX4表達上調，活性氧增加，內皮功能紊亂；如果預先用NADPH氧化酶抑制劑或超氧化物歧化酶，內皮的功能則不受SIRT 1抑制的影響［13］。這表明SIRT 1與經典HDAC不同，具有獨特的抗氧化能力。

衰老伴隨著血管中炎性因子的增加，通過NF-κB信號促進內皮細胞的促炎因子和黏附分子表達，使內皮功能紊亂。SIRT 1可以使NF-κB的RelA／p65亞基去乙酰化而活性降低，減少內皮的激活［14］。SIRT 6的下調能增加NF-κB的轉

錄活性，炎性因子產生增加，內皮功能發生障礙［15］。

2．3乙酰化與血管新生 老化細胞和動物SIRT 1含量降低，長期能量限制可增加去乙酰化酶SIRT 1表達，并抑制衰老［16］。SIRT 1也參與了對血管新生的調控［17］，SIRT 1可促進HIF-2α在缺氧下的反應，敲低SIRT 1后則減少內皮細胞VEGF受體表達，其在衰老過程中含量降低。SIRT 1通過多條途徑延緩細胞衰老，主要包括：①多拷貝抑制rDNA重組；②去乙酰化FoXo［18］對其具有雙重效應，上調Foxo的細胞周期停滯和抗氧化應激作用，下調Foxo的促細胞凋亡作用。抑制去乙酰化酶SIRT 1可誘導細胞早老表型，造成p53乙酰化，促細胞凋亡；過表達SIRT 1則可明顯降低衰老內皮細胞的SA-β-gal活性（與老化程度呈正比）［19］。提示SIRT 1的下調很可能是老年血管新生障礙的一個重要機制。

快速老化小鼠SAMP8的HDAC 6表達水平下降，研究發現，HDAC 6能通過去乙酰化cortactin來促進內皮細胞遷移和血管新生［20］。然而，最近在肝細胞癌中的研究結果表明，下調HDAC 6能通過HIF-1α／VEGF途徑來促進血管新生，從而使腫瘤預后不良［21］。說明HDAC 6在不同的病理生理條件下具有不同調節血管新生的作用。

各類經典HDAC抑制劑在體內外實驗中主要顯示出抑制血管新生的作用，由于其能使得乙酰化組蛋白增加，p21和p53基因表達調高，從而表現出抗腫瘤的作用。Vorinostat是最早被美國FDA批準的組蛋白去乙酰化酶抑制劑類藥物，通過上調抑癌基因使腫瘤細胞停滯在G1期，用于治療皮膚T細胞淋巴瘤。最近的研究顯示，其在治療肝細胞腫瘤方面也具有良好的效果，其機制與該藥物抑制HIF-1α相關，而后者是很強的促血管新生的因子［22］。HDAC抑制劑羅米地辛（romidepsin，FK228）是第2個被FDA批準的此類藥物，通過恢復受抑制的抑癌基因表達而具有抑制腫瘤細胞增殖、促進細胞凋亡或分化、阻礙血管新生［23］等作用，已作為抗腫瘤藥物進入臨床研究和使用。

2．4硫化氫與衰老 硫化氫是一個活躍的調節心血管活動的氣體信號分子。有文獻報道，硫化氫可能通過抑制自由基反應和氧化應激、活化SIRT 1［24］、調控klotho基因來影響衰老的進程［25］。提示蛋白質的乙酰化修飾可能是生理濃度H2S發揮其生物學保護作用的新機制。模式生物秀麗隱桿線蟲的研究表明，基因敲除硫化氫生成酶之一的3-MST，會縮短線蟲壽命，給予外源性硫化氫供體則可恢復其壽命［26］。18月齡大鼠血漿硫化氫水平明顯低于3月齡大鼠。外源性硫化氫可通過降低血漿AngII的濃度、下調主動脈AT1R蛋白的表達，提高血管組織抗氧化應激的能力從而減輕D-半乳糖誘導的亞急性衰老大鼠血管老化［27］。限制含硫氨基酸攝入能上調轉硫信號通路中CSE酶的表達，從而提高內源性硫化氫生成，是通過長期能量限制延壽的必要環節［28］。說明硫化氫與衰老有重要聯系，而其機制可能與蛋白質的乙酰化修飾相關。

2．5乙酰化與心血管疾病 心血管疾病是世界上人口死因之首。動脈粥樣硬化與乙酰化關系密切，經典HDAC參與了動脈粥樣硬化發生過程中的多個步驟，用其抑制劑能避免血管在受損時新內膜的形成［29］。而SIRT 1則能對抗動脈粥樣硬化的癥狀［11］。自發性高血壓大鼠腸系膜動脈中的HDAC 4含量增加，與高血壓的發展相關，給予HDAC抑制劑可有效降低血壓［30］。進一步研究發現HDAC抑制劑能增加鹽皮質激素的乙酰化，減弱其轉錄活性，從而抵抗高血壓的發展［31］。

3　結語

乙酰化修飾是一種常見的蛋白質修飾手段，可以對各種代謝通路進行精確調節和控制。血管衰老也受到乙酰化調控，研究其機制對于預防和治療老年心血管疾病具有重要意義。鑒于蛋白質乙酰化系統包括多種乙酰化調節酶類，它們很可能以一個調控網絡的形式發揮作用，另外乙酰化與甲基化之間也可相互影響，因此需要更多的研究來闡明血管衰老的調控機制，為開發控制衰老和相關疾病的藥物提供了新的思路。

參考文獻：

［1］ Lozano R，Naghavi M，Foreman K，et al．Global and regional mortality from 235 causes of death for 20 age groups in 1990 and 2010：a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2010［J］．Lancet，2012，380（9859）：2095－128．

［2］ Park J H，Kim S H，Choi M C，et al．Class II histone deacetylases play pivotal roles in heat shock protein 90-mediated proteasomal degradation of vascular endothelial growth factor receptors［J］．Biochem Biophys Res Commun，2008，368（2）：318－322．

［3］ Guarente L．Sirtuins，aging，and metabolism［J］．Cold Spring Harb Symp Quant Biol，2011，76：81－90．

［4］ Baur J A，Pearson K J，Price N L，et al．Resveratrol improves health and survival of mice on a high-calorie diet［J］．Nature，2006，444（7117）：337－42．

［5］ Chen D，Bruno J，Easlon E，et al．Tissue-specific regulation of SIRT 1 by calorie restriction［J］．Genes Devel，2008，22（13）：1753－7．

［6］ Zhong L，D′Urso A，Toiber D，et al．The histone deacetylase Sirt6 regulates glucose homeostasis via Hif1alpha［J］．Cell，2010，140 （2）：280－93．

［7］ Someya S，Yu W，Hallows W C，et al．Sirt3 mediates reduction of oxidative damage and prevention of age-related hearing loss under caloric restriction［J］．Cell，2010，143（5）：802－12．

［8］ Herrera M D，Mingorance C，Rodriguez-Rodriguez R，Alvarez de Sotomayor M．Endothelial dysfunction and aging：an update［J］．Ag Res Rev，2010，9（2）：142－52．

［9］ Yildiz O．Vascular smooth muscle and endothelial functions in ag-ing［J］．Annals New York Acad Sci，2007，1100：353－60．

［10］Donato A J，Magerko K A，Lawson B R，et al．SIRT-1 and vascu-lar endothelial dysfunction with ageing in mice and humans［J］．J Physiol，2011，589：4545－54．

［11］Yang J，Wang N，Zhu Y，Feng P．Roles of SIRT 1 in high glu-cose-induced endothelial impairment：association with diabetic atherosclerosis［J］．Arch Med Res，2011，42（5）：354－60．

［12］Hyndman K A，Ho D H，Sega M F，Pollock J S．Histone deacety-lase 1 reduces NO production in endothelial cells via lysine deacetylation of NO synthase 3［J］．Am J Physiol Heart Circ Phys-iol，2014，307（5）：H803－9．

［13］Zarzuelo M J，López-Sepúlveda R，Sánchez M，et al．SIRT 1 in-hibits NADPH oxidase activation and protects endothelial function in the rat aorta：implications for vascular aging［J］．Biochem Pharmacol，2013，85（9）：1288－96

［14］Stein S1，Schfer N，Breitenstein A，et al．SIRT 1 reduces endo-thelial activation without affecting vascular function in ApoE－／－mice［J］．Aging（Albany NY），2010，2（6）：353－60．

［15］Lappas M．Anti-inflammatory properties of sirtuin 6 in human um-bilical vein endothelial cells［J］．Mediators Inflamm，2012，2012：597514．

［16］翟志斌，孟愛民．SIRT 1與成體干細胞衰老［J］．中國藥理學通報，2011，27（1）：140－2．

［16］Zhai Z B，Meng A M．SIRT 1 and adult stem cell senescence［J］．Chin Pharmacol Bull，2011，27（1）：140－2．

［17］Maizel J，Xavier S，Chen J，et al．Sirtuin 1 ablation in endothelial cells is associated with impaired angiogenesis and diastolic dys-function［J］．Ame J Physiol Heart Circ Physiol，2014，307（12）：H1691－704．

［18］徐 俊，黃秀蘭．SIRT1-FoxO-自噬通路研究進展［J］．中國藥理學通報，2014，30（7）：901－4．

［18］Xu J，Huang X L．Research progress on SIRT1-FoxO-autophagy pathway［J］．Chin Pharmacol Bull，2014，30（7）：901－4．

［19］Wan Y Z，Gao P，Zhou S，et al．SIRT 1-mediated epigenetic downregulation of plasminogen activator inhibitor-1 prevents vascu-lar endothelial replicative senescence［J］．Aging Cell，2014，13 （5）：890－9．

［20］Kaluza D，Kroll J，Gesierich S，et al．Class IIb HDAC 6 regulates endothelial cell migration and angiogenesis by deacetylation of cor-tactin［J］．EMBO J，2011，30（20）：4142－56．

［21］Lv Z，Weng X，Du C，et al．Downregulation of HDAC 6 promotes angiogenesis in hepatocellular carcinoma cells and predicts poor prognosis in liver transplantation patients［J］．Mol Carcinog，2015．doi：10．1002／mc．22345．

［22］Hutt D M，Roth D M，Vignaud H，et al．The histone deacetylase inhibitor，Vorinostat，represses hypoxia inducible factor 1 alpha expression through translational inhibition［J］．PLoS One，2014，9 （8）：e106224．

［23］Sasakawa Y，Naoe Y，Noto T，et al．Antitumor efficacy of FK228，a novel histone deacetylase inhibitor，depends on the effect on ex-pression of angiogenesis factors［J］．Biochem Pharmacol，2003，66 （6）：897－906．

［24］Suo R，Zhao Z Z，Tang Z H，et al．Hydrogen sulfide prevents H （2）O（2）－induced senescence in human umbilical vein endothe-lial cells through SIRT 1 activation［J］．Mol Med Rep，2013，7 （6）：1865－70．

［25］Zhang Y，Tang Z H，Ren Z，et al．Hydrogen sulfide，the next po-tent preventive and therapeutic agent in aging and age-associated diseases［J］．Mol Cell Biol，2013，33（6）：1104－13．

［26］Qabazard B，Li L，Gruber J，et al．Hydrogen sulfide is an endoge-nous regulator of aging in Caenorhabditis elegans［J］．Antioxid Red Signal，2014，20（16）：2621－30．

［27］喬偉麗，楊文學，劉 磊，等．外源性硫化氫減輕D-半乳糖誘導的亞急性衰老大鼠血管老化［J］．生理學報，2014，66（3）：276－82．

［27］Qiao W L，Yang W X，Liu L，et al．Exogenous hydrogen sulfide reduces vascular aging in D-galactose-induced subacute aging rats ［J］．Acta Physiol Sin，2014，66（3）：276－82．

［28］Hine C，Harputlugil E，Zhang Y，et al．Endogenous hydrogen sul-fide production is essential for dietary restriction benefits［J］．Cell，2015，160（1－2）：132－44．

［29］Zheng X X，Zhou T，Wang X A，et al．Histone deacetylases and atherosclerosis［J］．Atherosclerosis，2015，240（2）：355－66．

［30］Usui T，Okada M，Mizuno W，et al．HDAC 4 mediates develop-ment of hypertension via vascular inflammation in spontaneous hy-pertensive rats［J］．Am J Physiol Heart Circ Physiol，2012，302 （9）：H1894－904．

［31］Lee H A，Lee D Y，Cho H M，et al．Histone deacetylase inhibi-tion attenuates transcriptional activity of mineralocorticoid receptor through its acetylation and prevents development of hypertension ［J］．Circ Res，2013，112（7）：1004－12．

Acetylation regulatory mechanism of vascular aging

CAI Wen-jie1，WANG Ming-jie2
（1．Dept of Basic Medicine，College of Medical Instruments and Foodstuff，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2．Research Center on Aging and Medicine，Dept of Physiology and Pathophysiology，Shanghai Medical College，Fudan University，Shanghai 200032，China）

Abstract：Protein acetylation extensively regulates fundamental biological process，such as cardiovascular homeostasis and tu-morigenesis．Mechanism of protein acetylation and its abnormal changes during diseases has become one of the basic questions in medical research．Vascular aging is inseparable from the occur-rence and development of senile hypertension and coronary ather- osclerosis．Endothelial cell senescence plays a key role during this process．This paper reviews the research progress in acetyla-tion regulation during vascular aging，and the prospects of the re-search in this field．

Key words：acetylation；senescence；endothelial cells；hydro-gen sulfide；angiogenesis；histone deacetylase

作者簡介：蔡文杰（1979－），男，博士，副教授，研究方向：心血管生理藥理學，Tel：021-55271206，E-mail：wenjiecai＠aliyun．com；王銘潔（1976－），女，博士，副教授，研究方向：心血管生理藥理學，通訊作者，Tel：021-54237609-1，E-mail：mjwang ＠shmu．edu．cn

基金項目：國家自然科學基金青年項目（No 81000045）；復旦大學老年醫學研究中心項目（No 13dz2260700）；上海市浦江人才計劃資助項目（No 15PJ1406100，15PJ1400700）

收稿日期：2015－05－25，修回日期：2015－06－23

文獻標志碼：A

文章編號：1001－1978（2015）10－1348－04

doi：10．3969／j．issn．1001－1978．2015．10．005