哺乳動物Sirt1調控衰老的研究進展

陶小紅，劉 敏，邱 皓

（1.甘肅省第二人民醫院，甘肅 蘭州 730000；2.廈門醫學院解剖教研室，福建 廈門 361008）

哺乳動物Sirt1調控衰老的研究進展

陶小紅1，劉 敏2，邱 皓1

（1.甘肅省第二人民醫院，甘肅 蘭州 730000；2.廈門醫學院解剖教研室，福建 廈門 361008）

近年發現sirtuins家族在各物種中廣泛參與生物體壽命的調節，哺乳動物中的Sirt1在延緩衰老、延長壽命中發揮越來越重要的生物學作用，本文將介紹Sirt1在調控機體衰老中的作用及其相關的機制，同時探討Sirt1作為藥物新的作用靶點在治療年齡相關性疾病中的意義。

Sirt1；p53；FoxO PGC-1α；PPAR-γ；線粒體

衰老是生命過程中的普遍現象，目前被廣泛接受的衰老的概念是機體功能逐漸減退、能量產生逐漸減少同時伴隨生育力的降低和死亡率的增加。目前認為衰老的病理生理學機制主要是隨著年齡增長機體損傷的累積所致，如細胞內蛋白質、脂類和DNA大分子等不斷受到外源性或內源性的損傷性刺激。外源性的損傷包括紫外線及環境中有毒物質的損害；內源性的損傷主要是活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）誘發的氧化應激所致的損傷［1］。除此之外，諸如細胞凋亡率增加、染色體末端端粒逐漸縮短、線粒體DNA突變率增加、DNA甲基化水平降低、免疫系統功能失調、體內干細胞數量的減少和功能的減退以及女性更年期后雌激素分泌水平的降低等都參與了衰老的進程。人類為了達到延長壽命的目的進行了孜孜不倦的求索，近年發現的sirtuins家族被認為可以延緩生物體的衰老，促進長壽，人們對其內在的作用機制也進行了大量的科學研究，其中sirtuins家族在哺乳動物中的成員之一——Sirt1是最重要也是與衰老關系最密切的，現對Sirt1在衰老調控中的研究進展進行綜述。

1 Sirtuins家族概述

人們一直對長生不老懷有很大的憧憬，闡明壽命調節的機制，進而實現延緩衰老、延長壽命的目標，一直以來都是人們的追求和自然科學研究的熱點。在過去的十幾年中，關于衰老的研究取得了顯著的進展，大量基因如p53、p16、p21被涉及到衰老的進程中，關于衰老的理論也是層出不窮，而熱量限制是唯一被證實確實有效的延緩衰老的方法［2］。人們在研究中發現，能量限制在從真菌、線蟲到大鼠等均可以延長壽命，并且其作用的發揮與組蛋白去乙酰化酶sirtuins家族密切相關［3］。sirtuins家族是NAD+依賴的第III類組蛋白去乙酰化酶，細胞內NAD+含量增加、NAD+/NADH比值增高均可促進其活性，而煙酰胺（NAM）則抑制其活性。NAD+水平的高低直接決定了sirtuins家族的活性，而Nampt是NAD+補救合成途徑中的限速酶，Imai［4］等闡述了以NAD+為中心的哺乳動物的衰老理論，該理論很好地將Nampt、NAD+、Sirt1結合到一起，并闡述了它們之間的關系和調節作用是如何作用于細胞和全身性衰老的，該理論包含兩個重要的部分：Nampt調節NAD+的生物合成；NAD+調節Sirt1的活性及其下游靶基因的轉錄。總之，該理論的核心就是機體NAD+水平決定衰老的進程，由于某些因素造成的機體NAD+水平的下降將加速衰老的進程。Sirtuins家族保守性很強，在各生物物種中廣泛存在。在酵母，Sir2（silence information regulator2）基因缺失導致酵母壽命縮短，而其高表達則可顯著延長壽命，該作用是Sir2通過交配型基因沉默、抑制rDNA串聯重復序列形成、介導DNA修復、提高基因組穩定性等實現的［5］；在線蟲，Sirt2.1通過感受機體營養攝取狀態，通過Insulin（IGF-1）/PI-3K/Akt（PKB）/FOXO信號通路實現對壽命的調控；Sirtuins家族在哺乳動物中有七種，即Sirt1-7，這7種物質具有不同的亞細胞定位，作用于不同的底物，發揮不同的功能，其中Sirt1（silent mating type information regulation2homolog1）與酵母Sir2的同源性最高，其共同特征是它們都具有一個保守的由250個氨基酸殘基組成的去乙酰化酶結構域，Sirt1在細胞的增殖、分化、衰老、凋亡和代謝中發揮重要的作用。Sirtl定位于第10號染色體的q21.3，基因長度為33kb，編碼747個氨基酸，在Sirt1基因敲除模型中發現視網膜、精子發生、神經系統和心臟等的發育異常，說明Sirtl在這些組織器官的發育中可能發揮重要的作用［6］。研究表明，哺乳動物心臟高表達Sirt1可以減弱年齡依賴性的心肌肥大、凋亡、功能失調和延緩心肌的衰老［7］。與Sir2不同，Sirt1的底物除了組蛋白以外，還有多種重要的轉錄因子包括p53［8］、Ku70、叉頭轉錄因子 FoxO［9］、NF-kB［10］、乙酰化酶 p300等，Sirt1通過調控以上底物的活性，廣泛參與生物體壽命的調節。

2 Sirt1在衰老中的調控機制

2.1 促進細胞在不利條件下的存活

有研究證實在不良因素對細胞造成損傷的情況下，Sirtl的激活可以減少細胞的凋亡，增加細胞的存活和損傷的修復，從而提高細胞在壓力下的抗性。有觀點認為，在不良因素的刺激下，Sirt1會離開原位，游離到損傷處，進行修復，如果損傷持續存在，Sirt1會經常性的離開原位，使其原本沉默的基因表達開始上調，這些基因的上調可能與細胞衰老有關。Sirtl通過將p53C端的第382位賴氨酸殘基去乙酰化，抑制p53與DNA順式元件的結合，降低其下游靶基因的轉錄，從而減少在氧化應激和DNA損傷情況下p53誘導的細胞凋亡、衰老［11］；Sirt1還可以去乙酰化DNA修復因子Ku70，去乙酰化的Ku70一方面可以增強細胞對損傷DNA的修復能力；另一方面增強與凋亡誘導蛋白Bax的結合，使其無法啟動線粒體凋亡途徑［12］，Sirt1的細胞保護作用可能還與熱休克蛋白有關。氧化應激被證實是衰老的重要原因，將小鼠體內超氧化物歧化酶SOD2敲除后，小鼠出現神經退行性變和心臟功能的嚴重障礙。在DNA損傷修復功能喪失的大鼠模型普遍表現早老現象、惡性腫瘤及壽命明顯縮短。Forkhead叉頭轉錄因子是一個轉錄因子家族，該家族共同的特征是具有一個長110個氨基酸的保守的DNA結合結構域，稱為Fox（Forkhead box）結構域，Forkhead轉錄因子目前被分為17個亞家族，其中研究最深入的是O亞家族（FOXO）。在哺乳動物中有4個進化保守的 FOXO家族成員：FOXO1，FOXO3，FOXO4和FOXO6，這個家族受胰島素-磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）-Akt信號通路的負調控。FOXO作為一類重要的轉錄因子調控眾多靶基因的轉錄，發揮多種生物學功能，如介導細胞周期停滯、抵抗氧化應激、DNA損傷修復［13］及細胞凋亡［14］等。Sirtl能夠與FOXO相互作用，直接或間接地去乙酰化FOXO，目前的觀點認為Sirtl對FOXO有雙重效應：一方面促進FOXO介導的細胞周期停滯、DNA損傷修復、應激抗性，使細胞周期停滯，允許細胞有更多的時間來修復損傷的DNA和抵抗氧化應激，增加存活的機會；另一方面抑制FOXO所介導的細胞凋亡，這些作用都使細胞存活率增加，從而延長了機體壽命，延緩衰老的進程。因此，Sirt1通過抗凋亡、穩定氧化還原狀態、增強損傷后修復等，抑制不良因素對細胞的損傷，促進細胞的存活。

2.2 調控組織、細胞物質代謝和能量代謝

作為調節能量代謝的細胞器，線粒體在衰老中具有重要的作用，不僅因為線粒體是ROS產生的主要來源，更重要的是，線粒體也是最先被ROS攻擊的靶點。線粒體DNA缺乏損傷修復系統，受到氧化應激損傷后的突變率大大高于核DNA，線粒體功能受損后，導致電子傳遞鏈功能失調，引發大量ROS的產生，線粒體內累積的ROS導致ATP產生減少，促發惡性循環，使得細胞內能量穩態失衡，從而誘發衰老病征的出現。研究也發現，線粒體功能失調及氧自由基的堆積是神經退行性疾病的重要病因［15］。Sirt1參與調節能量代謝與過氧化物酶體增殖物激活受體peroxisome proliferators activated receptor gamma，PPARγ）共活化物l-α（PGC-lα）密切相關。PGC-1α作為機體營養系統的中樞調節因子，是核呼吸因子（NFRs）和線粒體轉錄因子A（TFAM）的上游調節者，而NFRs和TFAM在線粒體的生物合成過程中具有重要的作用。Sirt1通過將PGC-lα的多個賴氨酸位點去乙酰化而上調其轉錄活性，進而促進NFRs和TFAM的表達，從而提高了線粒體的生物合成和功能，在調節機體的能量代謝中發揮重要的作用。同時由于線粒體數目的增加，減少了電子延滯于復合物I和復合物III的概率，降低了ROS的產生，減少了氧化應激的損傷。隨著機體的老化，線粒體數目減少、功能減弱甚至喪失，因此Sirt1通過激活PGC-lα，增加線粒體的生物合成，調節機體的能量代謝，也可能是Sirt1的抗衰老機制之一。

Sirt1還在調節物質代謝穩態中發揮重要的作用，PGC-lα是線粒體活性的調節者，在骨骼肌和脂肪組織，PGC-1a通過增強線粒體的功能，促進能量支出，提高運動的熱耗，從而對飲食過量誘發的胰島素抵抗和肝脂肪變性起到保護作用［16］。在肝細胞，Sirtl通過去乙酰化PGC-lα將其激活，PGC-1α去乙酰化后通過與肝細胞核因子HNF4α相互作用增強了肝糖異生基因（如磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶）的轉錄，下調了糖酵解途徑基因的表達，在禁食的情況下上調肝糖輸出，維持機體能量的平衡［17］。有研究發現，在禁食的晚期Sirt1卻抑制肝糖異生，該研究認為其機制是Sirt1通過其乙酰化作用失活或降解CREB調節的轉錄共激活者2（CRTC2），而CRTC2在禁食的狀態下，正性調節肝糖異生［18］。Sirt1還可以通過調節胰島素釋放調節血糖穩態，高表達Sirt1的胰島β細胞提高了血糖刺激后的胰島素分泌，增加了胰島素的敏感性，穩定了機體的血糖水平，抑制了高血糖對機體的損害。胰島β細胞專一性高表達Sirt1的轉基因鼠模型中發現，與對照組相比，轉基因鼠的糖耐量和糖刺激后的胰島素分泌均提高，這可能與β細胞功能的改善有關，且該有益作用并不會隨著年齡的增加而減弱。敲除Sirt1的小鼠則表現為胰島素分泌遲鈍，這與Sirt1失去對解偶聯蛋白2（uncoupling protein2，UCP-2）的抑制作用有關。UCP2是存在于線粒體內膜上的重要的轉運蛋白，可以充當質子通道，向線粒體基質漏泄質子，消除了線粒體內膜的質子電化學梯度，使線粒體呼吸作用中的氧化磷酸化解偶聯，導致產生熱能而非ATP，在β細胞中，UCP2可以使葡萄糖刺激后的胰島素分泌功能受損，Sirt1通過結合UCP2的啟動子區抑制其轉錄活性，從而實現對胰島β細胞功能的調節［19］。Sirt1還通過去乙酰化FOXO1促進neuroD和MafA基因的激活和轉錄，進而促進β細胞的存活和胰島素分泌［2 0］。此外，Sirt1在染色質水平還能抑制蛋白酪氨酸磷酸酶的轉錄，增加外周組織對胰島素的敏感性［21］；它還能去乙酰化胰島素受體底物-2（IRS-2），進而增強胰島素對該底物酪氨酸磷酸化的誘導，激活下游胰島素受體信號通路，提高了組織對胰島素的敏感性［2 2］。除了調節葡萄糖代謝的穩態，Sirt1在調節脂肪代謝中也發揮重要的作用，Sirt1通過調節PPAR-γ和PGC-lα促進脂肪動員和脂肪酸β-氧化［23］，從而減少脂肪堆積延長壽命。研究發現，Sirt1通過與PPAR-γ上的兩個輔酶因子——核受體共抑制物（nuclearreceptorco-repressor，NcoR）和視黃酸及甲狀腺激素受體沉默中介蛋白（silencing mediator of retinoidandthyroidhormonereceptor，SMRT）結合抑制PPAR-γ的活性，從而減少脂肪形成，促進脂肪動員和游離脂肪酸的釋放，減少細胞的脂質過氧化損傷；激活Sirt1還可以減少前脂肪細胞向脂肪細胞的分化。由于機體的脂肪動員增加，脂肪作為能量來源供能比例增加，脂肪酸β-氧化增強，脂肪酸β-氧化中電子是以FADH從黃素蛋白脫氫酶進入呼吸鏈而繞過了復合物I，而復合物I是ROS產生的主要部位，這就使得機體ROS的產生下降，減少了氧化應激對機體的損傷［24］。因此Sirt1通過調節細胞和組織器官的能量和物質代謝穩態，促進機體內環境的穩定，延緩衰老的發生。

2.3 與衰老相關疾病的關系

隨著機體年齡的增加，衰老相關性疾病如心血管疾病和神經系統退行性病變的發生率逐漸增加，大量研究表明Sirt1與衰老相關性疾病密切相關。Sirt1具有明顯的抗動脈粥樣硬化的作用，研究發現，Sirtl可以減少apoE-/-小鼠的動脈粥樣硬化損傷面積，而且該作用與血脂和血糖水平無關［25］。Sirtl通過去乙酰化作用激活肝X受體LXR，后者是膽固醇逆行轉運的主要調節因子，調節脂質和膽固醇代謝，從而達到預防動脈粥樣硬化的目的［26］。內皮衰老參與了血管功能失調和動脈粥樣硬化的發生發展，組織學檢查發現，在動脈粥樣硬化斑塊處，血管內皮細胞具有衰老的形態學特征。Sirt1在脈管系統高度表達，在調節內皮細胞依賴的血管穩態和重塑中發揮重要的作用，Sirt1通過去乙酰化eNOS增加NO的產量，促進內皮依賴性的血管舒張，抑制Sirt1的活性，導致eNOS水平的下調，內皮細胞表現衰老樣的細胞表型［27］，因此，Sirt1-eNOS-NO軸可能是內皮細胞衰老的主要的決定因子。Sirt1還可以通過抑制氧化應激誘導的細胞凋亡和NF-kB的表達，提高內皮細胞的功能，從而抑制動脈粥樣硬化的發生。除了對年齡相關的心血管系統疾病具有保護作用外，Sirt1對神經系統也具有保護作用。在Wallerian慢性退化模型中發現，Sirtl對神經元的損傷有保護作用，當抑制Sirtl時，神經元的損傷加劇［28］。應用Sirt1的天然激活劑——白藜蘆醇，神經元的損傷也明顯減少。很多證據表明阿爾茨海默氏病（Alzheimer's

disease，AD）與Sirtl有關聯，AD是一種以進行性認知障礙和記憶力減退為主要特征的中樞神經系統退行性疾病，AD小膠質細胞中β-淀粉樣蛋白通過增加NF-kB的乙酰化介導了神經細胞的死亡，Sirt1通過去乙酰化NF-kB降低其活性，從而減少了β-淀粉樣蛋白對神經元的損傷，發揮神經保護性作用［29］。Sirt1還能阻止嚙齒類和人類與老化相關的記憶力的喪失［30］。因此，Sirt1通過抑制年齡相關性疾病的發生發展，起到延緩衰老、延長壽命的作用。

3 展望

Sirt1作為組蛋白去乙酰化酶，通過其自身的去乙酰化作用，在抑制凋亡、調節氧化還原穩態、調節能量代謝和物質代謝平衡中發揮重要的作用，進而調節內環境穩態和延緩衰老。作為Sirt1天然的激活劑--白藜蘆醇是一種存在于紅葡萄酒中的多酚，具有抗氧化的功效，對心臟、神經具有保護作用，但就其在飲食誘導的代謝紊亂、糖尿病、血管病變中的具體作用機制，還有待進一步的研究。由于白藜蘆醇的低生物利用度和多靶點性限制了其臨床應用，研究人員研發了白藜蘆醇類似物SRT501和新型的Sirt1激活劑SRT1702，它們在降低血糖和提高組織胰島素敏感性中顯示出良好的臨床應用前景。基于Sirt1在衰老調控中的作用，我們可以以Sirt1作為靶點，研究開發針對衰老相關性疾病（如糖尿病、心腦血管疾病及神經退行性疾病等）的藥物，這將為治療上述疾病帶來新的契機。通過上述我們知道，sirtuins家族參與基因表達調控、基因組穩定性、機體的代謝過程，這些看似不相關的生命過程，被sirtuins家族聯系在一起，我們相信，隨著研究的深入，人們延緩衰老，延長壽命的夢想不再遙遠。

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