SIRT3與線粒體適應

馬　路(綜述)，楊　曄(審校)

(海軍總醫院干部心血管內科，北京100048 )

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SIRT3與線粒體適應

馬路△(綜述)，楊曄※(審校)

(海軍總醫院干部心血管內科，北京100048 )

摘要：沉默交配型信息調節因子2同源蛋白3(SIRT3)是Sirtuins脫乙?；讣易逯械囊粏T，是酵母沉默信息調節因子2的同源物，是一種依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的Ⅲ類去乙?；?，它調節許多線粒體的蛋白質，這些蛋白質的功能關系到代謝、氧化應激及細胞存活。SIRT3是線粒體適應性反應的調節因子，調節線粒體對應激等的適應性反應，包括代謝程序重排、加強抗氧化劑的防御機制等。另外，調控SIRT3可能是治療線粒體功能障礙疾病的一個有希望的靶點。

關鍵詞：沉默交配型信息調節因子2同源蛋白3；線粒體；應激；細胞保護

在機體對海拔升高所致的缺氧適應性研究中發現，移居者主要依靠器官系統的功能性代償適應，而世居者則更多地依靠組織和細胞的代謝適應，具體反映在線粒體的功能上，其產能效率和氧利用效率均增高，因而稱之為“線粒體適應”[1]。隨后研究相繼發現，生物線粒體對冷熱、氣候、高原、不同強度的運動、急慢性缺氧狀態以及氧化應激均可產生適應性反應。沉默交配型信息調節因子2同源蛋白3(silent mating type information regulation 2 homolog 3，SIRT3)是一種依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)的Ⅲ類去乙?；福湓诰€粒體的適應性反應中起調節作用，包括對代謝程序的重排、提高抗氧化劑的保護作用等。對SIRT3進行調控可能是治療線粒體功能障礙所導致的一些疾病的有益選擇。

1線粒體適應概念的提出

線粒體適應是細胞在缺氧、氧化應激等條件下，線粒體形態及功能發生相應變化以調節代謝、加強抗氧化而保護細胞的適應性反應。

早在19世紀中葉，達爾文就提出了以自然選擇為核心的生物進化學說，“物競天擇，適者生存”是《生物進化論》的核心觀點。20世紀50年代人們發現，在金魚對冷熱溫度變化的生理和生化適應中，其線粒體的氧化磷酸化發生了改變[2]。給動物肝細胞以1/3個標準大氣壓的純氧3 d后，肝細胞線粒體可出現增大，并伴隨單嵴、自體吞噬泡、多核糖體簇數量增多；2周后，部分線粒體出現髓鞘樣結構，增大的線粒體開始回縮；90 d后肝細胞線粒體幾乎恢復正常[3]。這是首次發現線粒體的變化是適應性反應，而不是毒性結果。隨后研究發現，生物線粒體的適應性反應是對冷熱、氣候、高原、不同強度運動、急慢性缺氧狀態以及氧化應激等刺激所產生的一種普遍現象[4]。

2SIRT3定位及功能

2.1Sirtuins家族沉默信息調節因子2 (silent information regulator 2，SIR2)是在研究酵母轉錄沉默時發現的。Sirtuins是SIR2同源家族蛋白成員的總稱，其家族都是SIR2的同源物，包括SIRT1~SIRT7，主要分布于肝臟、肌肉、胰腺、睪丸、卵巢、脂肪組織及心臟。Sirtuins是高度保守的蛋白家族，其家族成員大部分擁有NAD+依賴的蛋白去乙酰化酶活性[5]。在哺乳動物的Sirtuins家族中，SIRT3、SIRT4、SIRT5定位于線粒體。

2.2SIRT3與線粒體功能所謂適應，就是自身對環境變化所作出的調節。與SIRT4和SIRT5缺陷鼠相比，SIRT3缺陷鼠肝臟和褐色脂肪組織的線粒體蛋白高度乙?；痆6]。SIRT3是線粒體基本的去乙酰化酶，而65%的線粒體蛋白是乙?；嚢彼?，提示SIRT3對分子的修飾起著重要的調節作用[7]。SIRT3能調節線粒體功能的許多方面，包括代謝、ATP生成、調節氧化應激反應等，其處于線粒體功能調節的關鍵地位，是代謝功能和細胞生存的中樞調節因子。

SIRT3可使線粒體滲透性轉移孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的親環蛋白 D去乙?；柚褂H環蛋白 D與腺嘌呤核苷酸轉位子結合，抑制mPTP開放，從而減少線粒體損傷和破壞[8-9]。mPTP的開放可導致線粒體的膜電勢迅速喪失，線粒體腫脹，并釋放細胞色素C和其他小分子蛋白，最終導致細胞死亡。

2.3SIRT3 對信號轉導通路的影響SIRT3 可激活心肌細胞叉頭框蛋白O3a(forkhead box O3a，FOXO3a)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)及過氧化氫酶，從而清除氧自由基，抑制下游磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B、絲裂原活化蛋白激酶/細胞外調節蛋白激酶、真核細胞翻譯啟動因子4E、活化T細胞核因子及可識別GATA序列的轉錄因子4等的活性[10]。SIRT3抑制細胞核因子κB 信號途徑，促進其下游的B細胞淋巴瘤2、SOD2蛋白的表達，抑制Bax蛋白表達，從而具有抗氧化應激誘導的心肌細胞損傷及凋亡作用[11]。SIRT3 通過去乙?；说鞍譑u70而抑制Bax活性，保護心肌細胞免于應激反應所誘導的死亡[12]。Pillai等[13]發現，SIRT3-人肝激酶B1基因-腺苷酸活化蛋白激酶信號途徑具有抗心肌肥厚的作用。此外，SIRT3可通過激活過氧化物增殖激活受體協同激活子1改善線粒體功能，促進脂肪酸的氧化分解代謝，從而抗心肌肥大和心力衰竭[14-15]。

2.4SIRT3 對神經系統疾病的影響在肌萎縮性(脊髓)側索硬化的細胞模型中，SIRT3的過表達減少了線粒體斷裂和細胞死亡[16]。在人和鼠的阿爾茨海默病中均發現了SIRT3表達的增加[17]。在部分原代神經元細胞培養中發現，活性氧類(reactive oxygen species，ROS)產生增加，SIRT3表達上調，提示在阿爾茨海默病中SIRT3上調可能是線粒體對氧化應激增加所作出的反應[18]。

3SIRT3對線粒體代謝和能量穩態的調節

最早發現的SIRT3的基質有乙酰輔酶A合酶2(acetyl-CoA synthetase 2，AceCS2)和谷氨酸脫氫酶，提示SIRT3在線粒體的代謝過程中有調節作用[5,19]。AceCS2定位于線粒體，SIRT3將AceCS2去乙?；?，AceCS2的活性增加[20]。AceCS2將醋酸鹽轉化到乙酰輔酶A，使乙酰輔酶A在代謝通路(包括檸檬酸循環)中發揮作用。SIRT3依賴性的去乙?；蔡岣吡斯劝彼崦摎涿傅幕钚訹21]。在限制卡路里攝入的實驗中，谷氨酸脫氫酶和AceCS2活性的提高加速了擺脫依賴肝臟的糖酵解過程，提示SIRT3重新設置了代謝程序以保證線粒體呼吸鏈在低能量供應時能夠有效繼續[22]。研究發現，三羥基三甲基輔酶A合成酶、長鏈?；o酶A脫氫酶、鳥氨酸轉氨酶均是SIRT3的作用基質，提示SIRT3在酮體生成、脂肪酸氧化及尿素循環中有調節作用[23-25]。Hirschey等[26]發現，人類SIRT3 基因的多態性與代謝綜合征的易患性相關。總之，SIRT3處于線粒體代謝的中心調節位置，尤其是在營養供給改變的條件下，SIRT3在控制能量利用中起中心調節作用。

SIRT3依賴調節氧化磷酸化產生ATP，進一步調節線粒體內的能量穩態。蛋白組學研究顯示，ATP合酶的2個亞基可能作為SIRT3的配體而與之起作用，SIRT3的過表達可減少ATP合酶的乙酰化水平[27]，而SIRT3-/-小鼠部分器官的ATP基礎水平降低[28]。

4SIRT3對氧化應激和細胞生存的調節

研究顯示，氧化應激損害可導致線粒體功能降低，最終導致細胞死亡，SIRT3依賴的調節能量穩態及抑制氧化應激在維持線粒體正常的功能中起重要作用[8-9]。SIRT3與電子傳遞鏈復合體Ⅰ和Ⅱ的亞基相互作用，導致此兩種復合體的活性增加[29-30]，電子傳遞鏈抑制可導致線粒體ROS產生增加[17]。

Shi和Spelbrink[31]首先報道了SIRT3的過表達減少了脂肪細胞系ROS的產生，并伴有線粒體膜電勢降低。SIRT3在心肌細胞的過表達可抑制線粒體ROS產生，而SIRT3-/-鼠心肌細胞ROS產生增加[10]。FOXO3a穿梭在細胞質與細胞核間，而SIRT3與FOXO3a的作用定位于線粒體[10,31-32]。FOXO3a被SIRT3去乙?；せ?，上調線粒體SOD2和過氧化氫酶的表達。SOD2催化超氧化物解毒過程，其首先使超氧化物轉化為過氧化氫(H2O2)，而過氧化氫酶又把H2O2轉化成水[10]。

目前認為，SIRT3通過兩種途徑抑制ROS生成，異枸櫞酸脫氫酶2 (isocitrate dehydrogenase 2，IDH2) 和SOD2是SIRT3的直接靶標[33-35]，IDH2被SIRT3去乙酰化后活性增加[22]。Someya等[33]研究發現，限制能量攝入可導致野生型小鼠肝臟的IDH2乙?；浇档停赟IRT3-/-小鼠身上未出現此種效應。IDH2催化異枸櫞酸鹽在線粒體內轉化為α-同戊二酸，在此過程中生成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，而細胞的另一個主要抗氧化劑還原型谷胱甘肽的再生需要還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。因而，提高IDH2的活性可加強谷胱甘肽的抗氧化防御系統[36]。SIRT3也可使SOD2去乙酰化，導致SOD2活性增加[34-35]。SIRT3-/-小鼠的胚胎成纖維細胞和肝組織SOD2活性降低低，ROS增加；而SIRT3的過表達可抑制野生型小鼠產生ROS[27,34]。SIRT3缺陷鼠對氧化應激的防御能力降低，凸顯了SIRT3在細胞保護通路中的重要性[33-34,37]。

總之，SIRT3是線粒體對氧化應激產生適應性反應的一個重要調節因子，也是線粒體介導細胞死亡的一個重要調節因子。

4.1應激與環境適應性反應中的SIRT3在對SIRT3-/-小鼠的一系列研究中發現，在基礎狀態下，這些小鼠的表現與野生型小鼠無明顯差別；而在線粒體蛋白被高乙酰化的條件下，SIRT3-/-小鼠和野生型小鼠的基礎狀態有所不同，在SIRT3-/-小鼠的一些組織中基礎ATP水平是下降的[4,26-27]。Someya等[33]研究氧化損傷的標志物和抗氧化能力發現，野生型小鼠和SIRT3-/-小鼠在飲食控制條件下無顯著不同。然而，限制能量攝入的SIRT3-/-小鼠，其對年齡相關的氧化損傷無保護作用，不能改善抗氧化能力。

高脂飲食對SIRT3-/-小鼠影響的研究顯示，與野生型小鼠相比，SIRT3-/-小鼠以加速度形成了飲食誘導的肥胖，在標準飲食和高脂飲食兩種情況下都出現了胰島素抵抗[26]，但在特異性的肝臟或肌肉SIRT3缺陷小鼠和野生型小鼠中無差別，甚至在高脂飲食喂養后也無差別，所以有待進一步研究來確定SIRT3的組織特異性[38]。

4.2SIRT3表達的分子機制及活性調節研究發現，過氧化物酶體增殖活化受體γ輔助活化因子1α (peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator-1α，PGC-1α)是一個調控線粒體生成的轉錄因子，通過雌激素相關受體α調控SIRT3的表達[39]。在SIRT3啟動子區有一個雌激素相關受體α的結合位點，雌激素相關受體α的結合調節了PGC-1α所誘導的SIRT3的轉錄。Hirschey等[24]的研究顯示，慢性高脂飲食可導致小鼠肝臟PGC-1α的表達減弱，進而導致SIRT3的表達減弱。PGC-1α的過表達增強了SIRT3的表達，但PGC-1α的過表達對標準飲食小鼠SIRT3的表達無影響，提示有其他因子或觸發因素參與了PGC-1α對SIRT3的調控[39]。

SIRT3還可通過增加活性而發揮作用。Cantó等[40]研究發現，給小鼠喂食NAD+前體煙酰胺核苷，可導致NAD+水平升高，伴發SIRT3活性增加。

5小結

目前，人們對SIRT3功能及在線粒體適應中的作用還缺乏全面的了解，隨著對線粒體適應研究的不斷深入，發現SIRT3在啟動適應性反應中起重要的調節作用。在氧化應激條件下，缺乏SIRT3的去乙酰作用可能意味著不能增強SIRT3靶酶的活性以滿足需要。SIRT3上調是氧化應激反應和細胞保護機制的一部分。SIRT3介導的去乙酰作用可導致大部分靶蛋白活性增強，以維持和調節線粒體的正常生理功能，對于緩解因氧化應激負荷引起的疾病具有重要意義。

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SIRT3 and Mitochondiral AdaptationMALu,YANGYe.(VIPDepartmentofCardiology,NavyGeneralHospitalofChinesePLA,Beijing100048,China)

Abstract：Silent mating type information regulation 2 homolog 3(SIRT3) is a member of Sirtuins family and is also a homologue of silence information regulator 2.SIRT3 is a kind of NAD+-dependent deacetylase that regulates the function of numerous mitochondrial proteins with roles in metabolism, oxidative stress,and cell survival. It is emerging as an instrumental regulator of the mitochondrial adaptive responses to stress,including metabolic reprogramming and enhancing antioxidant defense mechanisms. The manipulation of SIRT3 could be a promising target for treating some mitochondrial dysfunctional diseases.

Key words:Silence information regulator 2 homolog 3; Mitochondria; Stress; Cell protection

收稿日期：2014-02-17修回日期：2014-07-21編輯：辛欣

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.02.015

中圖分類號：R364.4; R329.24

文獻標識碼：A

文章編號：1006-2084(2015)02-0233-03