Sirt2和Sirt3基因的研究進展

崔清明，彭英林

（1.湖南農業大學動物科技學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省畜牧獸醫研究所，湖南長沙 410131）

Sirt2和Sirt3基因的研究進展

崔清明1，2，彭英林1，2

（1.湖南農業大學動物科技學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省畜牧獸醫研究所，湖南長沙 410131）

欄目協辦

該文介紹了Sirtuins家族的成員、結構及生物學功能。從對機體的代謝調節方面重點介紹了該家族中sirt2和sirt3的研究現狀。

Sirtuins家族；sirt2；sirt3；研究進展

Sirtuins家族是廣泛存在于地球所有生命形態中的具有共同催化結構的古老蛋白質。Sirtuins家族是在包括細菌、真菌、酵母菌、瘧原蟲、后生動物、哺乳動物甚至病毒等生命體中發現的廣泛保守的酶家族[1-3]。由sirtuins酶催化的最常見反應是NAD+依賴性蛋白質去乙?；?，是各種生物體中的調節劑，在酵母菌、蠕蟲到哺乳動物中均有體現[4-5]。

表1 Sirtuins家族成員基本情況

1 Sirtuins家族簡介

1.1 Sirtuins家族成員及定位

哺乳動物的沉默信號調節子（Silent information regulator，SIRT1-7）家族是酵母SIR2的同源蛋白質，是一類在物種間高度保守的蛋白質去乙酰化酶。Kelar等[6]最初于1979年在酵母中發現sir2并命名為MAR1（mating type regulator），20世紀90年代初，Gottschling等[7]共同研究發現sir2是染色體上端粒及其附近區域發生染色質沉默的主效基因。隨后，另外四個sir2的同源基因也逐漸被人們從酵母中發現，它們對于細胞周期及基因組的穩定具有重要作用。隨著研究的繼續，sir2的同源基因在細菌、哺乳動物以及植物中被發現，因這些基因保守性很強，故將這一類蛋白統稱為Sirtuins，簡稱sirt。

Sirtuins家族廣泛存在于原核生物和真核生物中。Frye[8-9]首先從人睪丸Marathon cDNA文庫中克隆出五個Sirtuins基因的cDNA，分別命名為sirt1-sirt5，隨后Frye又從人脾臟Marathon cDNA文庫中克隆出兩個Sirtuins基因的cDNA，并命名為sirt6、sirt7。Sirtuins家族成員具有不同的亞細胞定位：sirt1、sirt6和sirt7主要分布在細胞核內，sirt2分布在細胞質中，而sirt3、sirt4和sirt5則定位于線粒體中。Sirtuins家族在生命衰老和代謝調節中起重要作用。Sirt1通過去乙?；M蛋白或非組蛋白底物，參與轉錄調節、染色質修飾、能量代謝和衰老等生命活動[10]。Sirt2參與細胞周期的調控，與有絲分裂、染色質凝聚和細胞遷移息息相關，除此之外，還參與氧化應激反應和微管動力學的調節[11-13]。Sirt3、Sirt4和Sirt5存在于線粒體基質中，可以直接控制代謝酶的活性，在禁食和熱量調節中起關鍵作用[14-16]。由于研究深入的不同，與Sirtuins家族前五種相比，我們對Sirt6和Sirt7的功能所知甚少，但它們與DNA修復和rDNA轉錄相關[17-18]。

哺乳動物中Sirtuins家族成員（sirt1-sirt7）的亞細胞定位、酶活性以及功能等詳見表1[19]。

1.2 Sirtuins家族結構特征及酶活性（功能）

前人通過研究揭示了Sirtuins的結構。Sirtuins是一類高度保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依賴的去乙酰化酶，其家族成員具有相似結構，由約270個氨基酸殘基組成的一大一小兩個結構域。Fu M，Liu M，Sauve AA等[20]研究發現由Rossmann折疊構成了大的結構域，由鋅指結構〔Cys-X-XCys-(X)15，20-Cys-X-X-Cys〕構成了小的結構域。在大小結構域之間存在一個較大縫隙，為NAD+提供了結合位點，乙?；冈谶@個裂縫中結合形成酶-底物的折疊結構而發生催化反應[21]。

Sirtuins家族成員都具有高度保守的NAD+結合域和催化功能域，不同的N端和C端可使它們能夠結合不同的底物。其家族成員參與許多生理和細胞活動，包括氧化應激、代謝和老化等[22]。Landry J等[23]發現Sirtuins介導去乙?；蚇AD+斷裂兩種催化活性。Sirtuins家族成員中部分具有去乙酰化酶活性，部分具有ADP-核酸轉移酶活性。依賴Sirtuins的去乙酰化反應是將底物乙?；D移到NAD+的ADP-核糖基部分，同時，1個NAD+分子分裂成1分子煙酰胺（NAM）和1分子O-乙?；鵄DP-核糖。依賴Sirtuins的ADP-核糖轉移酶活性是將NAD+的ADP-核糖轉移到乙酰化蛋白。

2 Sirt2與Sirt3基因

在GeneBank中查出，豬的sirt2基因（NC_010448．3）位于第六條染色體，由9個外顯子和8個內含子組成，基因全長10 670 bp，mRNA全長1 819 bp，共編碼391個氨基酸。

在GeneBank中查出，豬的sirt3基因（NC_010444．3）位于第二條染色體，由8個外顯子和7個內含子組成，基因全長16 395 bp，mRNA全長1 569 bp，共編碼357個氨基酸。

2.1 Sirt2基因的功能及研究進展

Sirt2主要位于細胞質中，在心臟、骨骼肌和大腦等組織中的細胞中有較高表達量[24]。有研究報道，sirt2參與正常的細胞的有絲分裂。Sirt2在細胞的有絲分裂期間表達強度顯著提升，且在細胞周期的G2/M時期多次去乙?；痆25]；Suematsu T等[26]也驗證了sirt2通過靶蛋白BubR1的去乙?；_到其在有絲分裂中的作用。North BJ等[27]發現，當sirt2過度表達時，靶蛋白BubR1含量提升高，使小鼠的壽命延長較顯著，表明了sirt2也可作為延長壽命的影響因子進行進一步研究。

2．1．1 sirt2與胰島素

Sirt1與Sirt2對于胰島素的調節都具有一定的作用。但Ramakrishnan G等[28]通過實驗證明在調節胰島素反應的細胞中AKT（胰島素信號通路）激活的主要是Sirt2。盡管AKT與具有組成型PI3K激活的細胞中的Sirt1和Sirt2相關，但它僅在PI3K-AKT途徑的正常調節的細胞中結合Sirt2。而胰島素治療的過程即誘導Sirt2-AKT復合物解離的過程。AMPK（腺苷單磷酸活化蛋白激酶）的活性，其由胰島素負調節，是維持AKT-Sirt2復合物所需的，部分是通過調節Thr101處的Sirt2磷酸化。通過抑制Sirt2或敲除則降低胰島素的AKT活性，增加Sirt2的表達則使AKT及其下游靶標的活性增強。他們通過研究將Sirt2定為新的陽性AKT調節劑，其增強正常細胞中的胰島素反應，這些研究結果表明，Sirt2激活劑可用于治療與肥胖相關的代謝綜合癥和Ⅱ型糖尿病。

2．1．2 sirt2與脂肪

Sirt2能夠在脂肪組織中表達。Wang F等[12]發現，在哺乳動物中，由于在G2/M期sirt2進入細胞核并使組蛋白去乙?；?，sirt2通過使轉錄因子FOXO的去乙酰化影響氧化應激，sirt2的表達在熱量限制性小鼠的白色脂肪組織和腎臟中升高。緊接著，Wang F等[29]通過實驗發現，sirt2可以通過促進脂肪分解和抑制脂肪細胞分化來維持機體的能量平衡。他們通過禁食誘導sirt2在白色和棕色脂肪中表達。當小鼠暴露在寒冷環境下時，sirt2能夠在棕色脂肪中表達，但不在白色脂肪中表達。當向小鼠的腹腔注射β-腎上腺素時，sirt2在白色脂肪中的表達增強。在機體缺乏足夠的熱量時，sirt2可通過使轉錄因子FOXO的去乙?；种浦镜纳桑襰irt2在3T3-L1脂肪細胞中也可促進脂肪分解；當機體葡萄糖和胰島素濃度降低到一定濃度時，sirt2也可抑制脂肪細胞的分化。總體而言，sirt2影響著機體脂肪的代謝。

除此之外，sirt2在維持遺傳物質的穩定性和抑制腫瘤的形成中具有重要作用[30]。當敲除小鼠的sirt2基因后，在細胞的有絲分裂期間伴隨遺傳不穩定的細胞死亡，隨后引起腫瘤的發生。

2.2 Sirt3基因的功能及研究進展

Sirt3是位于線粒體中的Sirtuins家族成員之一，其參與生物體的眾多代謝活動[31]。而且Sirt3是目前研究最多的線粒體sirtuins，它在代謝旺盛的組織如肌肉、褐色脂肪、腎臟、肝臟、腦和心臟中表達較高[32-33]。Sirtuins家族成員具有去乙酰化酶和ADP-核酸轉移酶活性。Sirt3具有去乙?；富钚浴Ｔ?010年Zhao等[34]通過高通量蛋白質組學證實，參與三羧酸循環、尿素循環和脂肪酸的β氧化等代謝的蛋白質可被乙?；揎?，而線粒體中大約1/5的蛋白質可被乙酰化。結合sirt3的活性，sirt3可通過調控線粒體蛋白質乙?；絹韰⑴c代謝活動。

2．2．1 Sirt3與ATP

在線粒體中，sirt3可通過調節代謝酶來決定ATP（三磷酸腺苷）的生成速率。當缺失sirt3時，蛋白質乙酰化水平異常，則ATP生成減少[35]。在敲除sirt3的細胞中加入sirt3的表達后，ATP的產生可達到正常水平[36]。在心臟、肝臟和腎臟等代謝旺盛的組織中，ATP水平較高，且sirt3亦具有較高的表達水平。Sirt3也可通過激活AMPK來調節ATP的產生。在細胞中，AMPK的激活需其上游激酶LKB1對其進行磷酸化修飾，Pillai等[37]研究發現sirt3可與LKB1相互作用，通過激活AMPK使ATP在細胞中維持較高濃度。在線粒體中，sirt3的表達對于ATP的生成具有重要作用。

2．2．2 Sirt3與脂肪

在肝臟中，sirt3參與尿素循環、脂肪酸的合成與分解和胴體生成等代謝活動。在Sirtuins家族成員中，位于線粒體上的sirt3和sirt5都具有調節細胞內尿素循環的功能，且在饑餓時，肝臟中其會被誘導大量表達。Sirt3可通過去乙酰化增強限速酶K88的活性，進一步增強尿素循環[38]。

在調控脂肪酸代謝中，缺失sirt3小鼠的肝臟中，游離脂肪酸較多，這會使肝細胞的死亡速度加快，但當加入sirt3的表達之后，可以使這種情況得以改善[39]。Hirschey M D等[40]研究發現，在小鼠禁食期間，若缺乏sirt3，則小鼠出現脂肪酸氧化障礙，此時機體的ATP水平降低且小鼠對寒冷環境出現不耐受的反應。此實驗表明，sirt3在調節線粒體代謝和脂肪酸氧化中具有一定作用。在所有動物中，sirt3與肝臟組織的脂肪代謝密切相關。由于sirt3的缺失可使游離脂肪酸增加，因此，也可加速甘油三酯的合成，進一步促進肝臟中脂肪的沉積。

除了上述功能之外，sirt3對于減緩衰老和延長壽命有一定的作用[41]。Sirt3通過去乙酰化激活參與脂肪酸β-氧化、氨基酸代謝、電子傳遞鏈和抗氧化防御的線粒體酶，使線粒體代謝增強，機體新陳代謝旺盛并減緩衰老。Sirt3也可通過降低活性氧和抑制線粒體通透性轉換孔的組分來防止細胞凋亡。因此，可以探索將sirt3作為藥物用于延緩衰老并延長人類的壽命。

3 小結

從sirt2和sirt3基因的研究進展中可看出，二者均對脂肪的代謝有一定的影響。桂林生等[42]通過對Sirtuins家族基因多態性分析及與肉質性狀的關聯分析發現，該家族基因可作為影響秦川牛肉質性狀的關聯基因，可用于加速秦川牛的選育。然而，關于豬Sirtuins家族基因的相關研究卻鮮有報道，因此，研究Sirtuins家族在豬上的功能也可作為改善豬肉品質，加速豬遺傳改良的新途徑。

[1] S A U V E A A，W O L B E R G E R C，SCHRAMM V L，et al．The biochemistry of sirtuins[J]．Annu． Rev．Biochem．，2006，75（1）：435-465．

[2] SMITH J S，BRACHMANN C B，CELIC I，et al．A phylogenetically conserved NAD+-dependent protein deacetylase activity in the Sir2 protein family[J]．Proceedings of the National Academy of Sciences，2000，97(12)：6658-6663．

[3] BLANDER G，GUARENTE L．The Sir2 family of protein deacetylases[J]．Annual review of biochemistry，2004，73(1)：417-435．

[4] BISHOP N A， GUARENTE L．Genetic links between diet and lifespan：shared mechanisms from yeast to humans[J]．Nature Reviews Genetics，2007，8(8)：835-844．

[5] HAIGIS M C，GUARENTE L P．Mammalian sirtuins—emerging roles in physiology，aging，and calorie restriction[J]．Genes & development，2006，20(21)： 2913-2921．

[6] KLAR A J S，FOGEL S，MACLEOD K．MAR1—a regulator of the HMa and HMα loci in Saccharomyces cerevisiae[J]．Genetics，1979，93(1)：37-50．

[7] GOTTLIEB S，ESPOSITO R E．A new role for a yeast transcriptional silencer gene， SIR2，in regulation of recombination in ribosomal DNA[J]．Cell，1989，56(5)： 771-776．

[8] FRYE R A．Phylogenetic Classification of Prokaryotic and Eukaryotic Sir2-like Proteins[J]．Biochemical & Biophysical Research Communications，2000， 273(2)：793-798．

[9] FRYE R A．Characterization of Five Human cDNAs with Homology to the Yeast SIR2 Gene：Sir2-like Proteins (Sirtuins) Metabolize NAD and May Have Protein ADP-Ribosyltransferase Activity[J]．Biochemical & Biophysical Research Communications，1999，260(1)：273-279．

[10] IMAI S I，ARMSTRONG C M，KAEBERLEIN M，et al．Transcriptional silencing and longevity protein Sir2 is an NAD-dependent histone deacetylase[J]．Nature，2000， 403(6771)：795-800．

[11] D R Y D E N S C，N A H H A S F A，NOWAK J E，et al．Role for human SIRT2 NAD-dependent deacetylase activity in control of mitotic exit in the cell cycle[J]．Molecular and cellular biology，2003，23(9)：3173-3185．

[12] WANG F，NGUYEN M，QIN F，et al．SIRT2 deacetylates FOXO3a in response to oxidative stress and caloric restriction[J]．Aging cell，2007，6(4)：505-514．

[13] NORTH B J，MARSHALL B L，BORRA M T，et al．The human Sir2 ortholog， SIRT2， is an NAD+-dependent tubulin deacetylase[J]．Molecular cell，2003，11(2)：437-444．

[14] H I R S C H E Y M D，S H I M A Z U T，GOETZMAN E，et al．SIRT3 regulates mitochondrial fatty-acid oxidation by reversible enzyme deacetylation[J]．Nature，2010，464(7285)：121-125．

[15] NAKAGAWA T，LOMB D J，HAIGIS M C，et al．SIRT5 Deacetylates carbamoyl phosphate synthetase 1 and regulates the urea cycle[J]．Cell，2009，137(3)：560．

[16] NAKAGAWA T，GUARENTE L．Sirtuins at a glance[J]．Journal of Cell Science，2011，124(6)：833-838．

[17] ZHONG L，D'URSO A，TOIBER D，et al．The histone deacetylase Sirt6 regulates glucose homeostasis via Hif1α[J]．Cell，2010，140(2)：280-293．

[18] VAKHRUSHEVA O，SMOLKA C，GAJAWADA P，et al．Sirt7 increases stress resistance of cardiomyocytes and prevents apoptosis and inflammatory cardiomyopathy in mice[J]．Circulation Research，2008，102(6)：703-710．

[19] NORTH B J，VERDIN E．Sirtuins：-Sir2-related NAD-dependent protein deacetylases[J]．Genome Biology，2004，5(5)：224．

[20] FU M，LIU M，SAUVE A A，et al．Hormonal control of androgen receptor function through SIRT1[J]．Molecular & Cellular Biology，2006，26(21)：8122-8135．

[21] AVALOS J L，CELIC I，MUHAMMAD S，et al．Structure of a Sir2 Enzyme Bound to an Acetylated p53 Peptide[J]．Molecular Cell，2002，10(3)：523．

[22] 時小燕，杜麗敏．Sirtuin家族成員及其生物學特性[J]．國際藥學研究雜志，2011， 38(5)：349-355．

[23] LANDRY J，SUTTON A，TAFROV S T，et al．The silencing protein SIR2 and its homologs are NAD-dependent protein deacetylases[J]．Proceedings of the National Academy of Sciences，2000，97(11)：5807-5811．

[24] 吳國芳．Sirt2在小鼠肌肉發生中的作用及其機制[D]．楊凌：西北農林科技大學，2014．

[25] D R Y D E N S C，N A H H A S F A，NOWAK J E，et al．Role for Human SIRT2 NAD-Dependent Deacetylase Activity in Control of Mitotic Exit in the Cell Cycle[J]．Molecular & Cellular Biology，2003，23(9)：3173-3185．

[26] SUEMATSU T，LI Y，KOJIMA H，et al．Deacetylation of the mitotic checkpoint protein BubR1 at lysine 250 by SIRT2 and subsequent effects on BubR1 degradation during the prometaphase/ anaphase transition[J]．Biochemical and biophysical research communications，2014， 453(3)： 588-594．

[27] NORTH B J，ROSENBERG M A，-JEGANATHAN K B，et al．SIRT2 induces the checkpoint kinase BubR1 to increase lifespan[J]．Embo Journal，2014，33(13)：1438-1453．

[28] RAMAKRISHNAN G，DAVAAKHUU G，KAPLUN L，et al．Sirt2 deacetylase is a novel AKT binding partner critical for AKT activation by insulin[J]．Journal of Biological Chemistry，2014，289(9)：6054-6066．

[29] WANG F， TONG Q A．SIRT2 suppresses adipocyte differentiation by deacetylating FOXO1 and enhancing FOXO1's repressive interaction with PPARγ[J]．Molecular Biology of the Cell，2009，20(3)：801-808．

[30] NORTH，BRIAN J，MARSHALL，et al．The Human Sir2 Ortholog，-SIRT2，Is an NAD+-Dependent Tubulin Deacetylase[J]．Molecular Cell，2003，11(2)：437-444．

[31] 金丹．豬Sirtuin家族基因的克隆及脂肪生成中SIRT3的功能研究[D]．武漢：華中農業大學， 2013．

[32] SCHWER B，NORTH B J，FRYE R A，et al．The human silent information regulator (Sir)2 homologue hSIRT3 is a mitochondrial nicotinamide adenine dinucleotide dependent deacetylase[J]．Journal of Cell Biology，2002，158(4)：647-657．

[33] ONYANGO P，CELIC I，MCCAFFERY J M，et al．SIRT3， a human SIR2 homologue， is an NAD-dependent deacetylase localized to mitochondria[J]．Proceedings of the National Academy of Sciences，2002，99(21)：13653-13658．

[34] ZHAO S， XU W， JIANG W，et al．Regulation of Cellular Metabolism by Protein Lysine Acetylation[J]．Science，2010，327(5968)：1000-1004．

[35] LOMBARD D B，ALT F W，CHENG H L，et al．Mammalian Sir2 Homolog SIRT3 Regulates Global Mitochondrial Lysine Acetylation[J]．Molecular & Cellular Biology，2007， 27(24)：8807．

[36] AHN B H，KIM H S，SONG S，et al．A role for the mitochondrial deacetylase Sirt3 in regulating energy homeostasis[J]．Proceedings of the National Academy of Sciences，2008，105(38)：14447-14452．

[37] PILLAI V B，SUNDARESAN N R，KIM G，et al． Exogenous NAD blocks cardiac hypertrophic response via activation of the SIRT3-LKB1-AMP-activated kinase pathway[J]．Journal of Biological Chemistry，2010，285(5)：3133．

[38] HALLOWS W C，YU W，SMITH B C，et al．Sirt3 promotes the urea cycle and fatty acid oxidation during dietary restriction[J]．Molecular Cell，2011，41(2)：139-149．

[39] BAO J，SCOTT I，LU Z，et al．SIRT3 is regulated by nutrient excess and modulates hepatic susceptibility to lipotoxicity[J]．Free Radical Biology & Medicine， 2010，49(7)：1230．

[40] HIRSCHEY M D，SHIMAZU T，-GOETZMAN E，et al．SIRT3 regulates mitochondrial fatty-acid oxidation by reversible enzyme deacetylation[J]．Nature，2010， 464(7285)：121-125．

[41] KINCAID B，BOSSYWETZEL E．Forever young：SIRT3 a shield against mitochondrial meltdown，aging，and neurodegeneration[J]．Frontiers in Aging Neuroscience， 2013，5(13)：48．

[42] 桂林生．Sirtuins家族7個基因SNP檢測及其與秦川肉牛生長發育和肉質性狀的關聯性分析[D]．楊凌：西北農林科技大學，2015．

2017-03-06）

崔清明（1992-），男，山西運城人，碩士研究生，主要從事動物遺傳育種與繁殖方面研究，E-mail：1335217946@qq.com

彭英林（1965-），男，湖南雙峰人，研究員，E-mail：13907487646@126.com