Sestrin2抗氧化應激作用在缺血再灌注中的研究進展

郭明++夏中元

[摘要] Sestrin2是一種高保守、應激誘導抑制雷帕霉素靶蛋白的重要蛋白分子。作為P53調節哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路抗氧化應激作用的一種重要蛋白分子，Sestrin2可以激活磷酸腺苷依賴蛋白激酶蛋白并磷酸化結節性硬化復合物，進而抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白，可減輕組織因缺血再灌注導致的損傷。近幾年，國內外對Sestrin2蛋白分子的研究已有很大的進展，本文就近幾年Sestrin2抗氧化應激作用研究進展以及其可能的臨床應用進行綜述。

[關鍵詞] Sestrin2；磷酸腺苷活化蛋白激酶；哺乳動物雷帕霉素靶蛋白；氧化應激

[中圖分類號] R2-4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2017）06（b）-0028-04

Research progress of Sestrin2 anti-oxidative stress effect in ischemia reperfusion

GUO Ming XIA Zhongyuan

Department of Anesthesiology， Renmin Hospital of Wuhan University， Hubei Province， Wuhan 430060， China

[Abstract] Sestrin2 is a highly conserved， stress-inducible protein. As a important protein for P53-regulated mammalian target of rapamyein complex （mTORC1） signaling pathway， Sestrin2 activates AMP activated protein kinase （AMPK） and target it to phosphorylate tuberous seleresis complex （TSC2）， thereby inhibiting mTORC1， reducing the ischemia-reperfusion injury. In recent years， there are great progress in the studis of Sestrin2. This paper reviews the role of Sestrin2 in anti-oxidative stress and the potential clinical application as a therapeutic target to prevent/treat related diseases.

[Key words] Sestrin2； AMP activated protein kinase； Mammalian target of rapamyein complex； Oxidative stress

隨著社會經濟的發展，人們的飲食結構及生活方式也發生了明顯變化，導致肥胖、血脂代謝紊亂、高血壓、糖尿病、癌癥等疾病的患病率明顯增加。這些疾病易引起人體全身多部位發生組織內氧化應激，導致多種慢性并發癥，嚴重可危及生命安全。國際糖尿病聯合會報告，2001年全球糖尿病患者約為17 100萬人，預計2030年，全球患糖尿病的人數將達到36 600萬人[1]。因糖尿病、肥胖等疾病導致的血糖血脂代謝紊亂、心血管疾病以及死亡率都將隨之增高[2-3]。糖尿病、高血脂等大多數疾病的主要致病因素是活性氧（reactive oxygen species，ROS）的大量釋放以及氧化應激反應，導致機體多器官發生組織內氧化應激，最終進展為慢性疾病，嚴重者可危及生命。

1 氧化應激

氧元素是生物體能量供應及多種生理活性物質合成的必須物質。機體氧元素在發生氧化還原反應時，產生一些帶有不配對電子的分子、離子或是基團，被稱為活性氧[4]。機體代謝產生的少量活性氧參與代謝，過多的活性氧可被機體抗氧化應激防御系統快速清除，保護機體免受損傷。正常機體氧化應激反應和抗氧化應激反應處于動態平衡狀態，若氧化應激反應過于強烈或是抗氧化應激能力受損將會導致過多的活性氧釋放，超負荷的活性氧代謝產物與細胞內分子反應產生毒性作用[5-6]，損害機體。機體反饋性地開發了抗氧化應激防御體系，以便消除過多的活性氧，其主要包括一些酶類，例如超氧化物氣化酶、過氧化物酶，以及一些小分子量的抗氧化劑等[7]。低水平的ROS參與機體一系列的生理調節，如維持血管張力、控制紅細胞生成素的合成以及調節一些膜受體信號通路傳導[8]。當組織發生氧化應激反應釋放大量的ROS，而抗氧化應激系統未能將其及時清除，過多的ROS將破壞DNA的結構，造成線粒體及其他細胞器的損傷，引起蛋白質的折疊錯誤和神經元突觸功能障礙等[9-10]。氧化應激反應能夠明顯抑制細胞的生存，縮短細胞壽命，并可導致細胞死亡[11-12]。在病理條件下，氧化應激被認為與多種疾病的發生相關，涉及心血管疾病、癌癥、神經系統疾病、糖尿病、缺血再灌注和其他疾病。越來越多的證據表明，氧化應激是導致多種急、慢性疾病發病的病理生理學機制[13-14]。

2 Sestrin2蛋白結構及抗氧化應激機制

Sestrin2屬于Sestrins家族蛋白，研究發現編碼Sestrins的基因位于6號染色體q臂21位點。哺乳動物Sestrins含有3個亞型，分別是Sestrin1、Sestrin2、Sestrin3[15]。Sestrins均具有抗氧化應激的作用，以Sestrin2抗氧化能力最強，研究最為廣泛。Sestrin2的晶體結構主要為偽對稱的兩個球形結構域，其兩個結構域結構相似但功能不同。N末端結構域主要通過其螺旋-轉-螺旋氧化還原酶降低活性氧，C末端結構域主要發揮抑制mTORC1的作用。以上從Sestrin2晶體結構揭示了其降低ROS的積累以及抑制mTORC1的機制。

Sestrin2被確定為一種進化上高度保守的重要抗氧化蛋白質分子，在細胞內發揮調節細胞增殖和細胞活力的作用[16]。Sestrin2表達在多種應激條件下上調，減少活性氧的積累，保護細胞免受氧化應激損傷。Sestrin2在靜息細胞中表達比較低，但當環境和代謝發生異常時，如DNA損傷、缺氧、內質網應激、能量缺乏、饑餓等情況下，Sestrin2的表達上調，其主要是通過激活一些轉錄因子，包括P53、FoxO、CCAAT、ATF4、AP-1等[15，17-18]。除此之外，Sestrin2負反饋通過激活AMPK蛋白激酶可抑制mTORC1[19-24]。mTORC1是自噬負性調控因子，參與基因轉錄、蛋白質翻譯等生物過程，在細胞的生長、凋亡和自噬中發揮重要作用。自噬是真核細胞內清理受損細胞器以及蛋白聚集體的重要機制[25]。線粒體自噬被認為對于整個線粒體網絡功能完整性和維持機體氧化還原系統平衡關鍵過程。正常生理狀態下，受損的線粒體被特異性包裹進自噬體中，并與溶酶體融合，從而被選擇性清除以維護細胞內環境的穩定[26]。Sestrin2通過上述機制可緩解肥胖、糖尿病代謝異常、胰島素抵抗、心血管疾病等導致的氧化應激損傷[20，27]。

3 Sestrin2在抗氧化應激方面的實驗研究

3.1 Sestrin2在腦缺血再灌注損傷方面的研究

腦缺血再灌注研究揭示，當大腦發生缺血缺氧時短時間內即可導致血腦屏障水腫，通透性增高，繼而大腦受到損害，嚴重者發生腦梗死[28]。研究發現，Sestrin2在腦組織受到較為嚴重的損傷時，可通過HIF1α調控Sestrin2的表達水平顯著升高，發揮保護作用[29]，可以減輕血腦屏障水腫，改善其通透性，減少腦梗死面積。出生10 d的新生大鼠建立缺血缺氧性腦病模型，檢測腦梗死面積、腦功能、Sestrin2表達水平，發現給予rh-Sestrin2激動劑處理的大鼠腦梗死面積明顯低于其他大鼠，腦功能評估水平顯著高于其他大鼠，Sestrin2表達水平也顯著升高，且差異有統計學意義，證實了Sestrin2通過對mTORC1的抑制進而對腦缺血缺氧損傷有明顯的改善作用[30]。隨著腦缺血時間在一定范圍內延長，Sestrin2的表達水平逐漸升高，當缺血時間達到24 h時Sestrin2的水平達最高，進而促進RpS6磷酸化，抑制mTOR復合物，發揮抗氧化應激作用[31]。除此之外，腦源性神經營養因子BDNF也通過提高Sestrin2的表達，進而激活NO/PKG/NF-κB通路發揮其抗氧化應激作用，保護腦皮質神經元[32]。研究發現，Sestrin2具有減輕小鼠腦組織淀粉樣β肽的形成，并調節自噬以及保護神經的功能[33]，對阿爾茲海默癥的研究具有重要價值。

3.2 Sestrin2在心肌缺血再灌注損傷方面的研究

全球范圍糖尿病發病率的大幅增高，作為冠狀動脈粥樣硬化的重要致病因素，心絞痛和心肌梗死的發生明顯增加。缺血性心臟病是糖尿病患者主要的心血管并發癥及首要的致死原因[34]。在研究PDH對心肌缺血損傷的作用時，發現PDH作為心肌糖代謝調節的關鍵蛋白，通過Sestrin2和LKB1相互作用，激活AMPK通路，減輕心肌缺血損傷[20，35]。除此之外，劇烈的炎性反應與氧化應激之間相互聯系，相互誘發，嚴重損傷組織結構及功能。維持線粒體穩態在各種炎性疾病中都具有重要的意義。膿毒癥是一種嚴重的全身炎性反應，對重要臟器心腦腎等都產生嚴重的損害。Sestrin2通過抑制NLRP3炎性體，清除受損線粒體，并誘導正常線粒體自噬的發生。Sestrin2發揮雙重作用，一方面促使線粒體在細胞核周圍聚集，誘導線粒體識別自噬機制；另一方面Sestrin2通過激活線粒體自噬，在Sestrin2缺陷的小鼠中，因炎癥和膿毒癥模型導致的死亡率明顯增加[36]。

3.3 Sestrin2在肝、腎等重要臟器氧化應激損傷方面的研究

肥胖以及非酒精性肝病過程中肝臟過多的脂肪堆積可引發慢性內質網應激，內質網動態平衡被擾亂可導致肝細胞壞死以及一系列炎性反應、氧化應激以及肝臟纖維化[37-38]。長時間內質網應激Sestrin2表達升高，通過內質網應激激活轉錄因子CCAAT增強子結合蛋白，提高其表達水平，降低細胞蛋白質翻譯，以防止過多的未折疊蛋白質的積累，同時抑制哺乳動物mTORC1，對內質網應激相關疾病起保護作用，使機體不會在很短時間內發生嚴重的損害[27，39]。Sestrin2調節細胞內活性氧以及超氧化硫的產生，腎臟多巴胺D2受體D2R通過調節Sestrin2防止腎臟細胞內過多的ROS產生并可清除已經產生的ROS，從而維持正常血壓，D2R敲除大鼠腎臟Sestrin2表達水平較野生型大鼠顯著降低。當誘導人腎近曲小管細胞DS2沉默，Sestrin2表達明顯降低，超氧化物水平顯著升高，實驗結果表明Sestrin2維持腎臟氧化還原處于動態平衡，有助于維持血壓正常[40]。

4 Sestrin2研究展望

目前對Sestrin2的研究發現Sestrin2主要通過AMPK調節mTORC1發揮作用，調節機體能量代謝、細胞增殖與凋亡、線粒體自噬，影響細胞功能，在多種疾病中發揮抗氧化應激作用。Sestrin2在腦心等重要臟器缺血缺氧后發揮抗氧化應激產生保護作用已有文獻報道，Sestrin2在未來臨床可能作為一種調整代謝性疾病的高效安全生物制劑。Sestrin2作為近幾年在抗氧化應激研究領域研究的熱點，未來更多的研究與進一步的探索將全面詳細揭示Sestrin2的機制和作用。

[參考文獻]

[1] Wild S，Roglic G，Green A，et al. Global prevalence of diabetes： estimates for the year 2000 and projections for 2030 [J]. Diabetes Care，2004，27（5）：1047-1053.

[2] Nathan DM. The diabetes control and complications trial/epidemiology of diabetes interventions and complications study at 30 years： overview [J]. Diabetes Care，2014，37（1）：9-16.

[3] Zoungas S，Chalmers J，Ninomiya T，et al. Association of HbA1c levels with vascular complications and death in patients with type 2 diabetes： evidence of glycaemic thresholds [J]. Diabetologia，2012，55（3）：636-643.

[4] Harman D. Aging：a theory based on free radical and radiation chemistry [J]. J Gerontol，1956，11（3）：298-300.

[5] Valko M，Leibfritz D，Moncol J，et al. Free radicals and antioxidants in normal physiological functions and human disease [J]. Int J Biochem Cell Biol，2007，39（1）：44-84.

[6] Kurutas EB，Ciragil P，Gul M，et al. The effects of oxidative stress in urinary tract infection [J]. Mediators Inflamm，2005，2005（4）：242-244.

[7] McCord JM，Fridovich I. Superoxide dismutase. An enzymic function for erythrocuprein（hemocuprein）[J]. J Biol Chem，1969，244（22）：6049-6055.

[8] Flora SJ. Structural，chemical and biological aspects of antioxidants for strategies against metal and metalloid exposure [J]. Oxid Med Cell Longev，2009，2（4）：191-206.

[9] Harish G，Mahadevan A，Pruthi N，et al. Characterization of traumatic brain injury in human brains reveals distinct cellular and molecular changes in contusion and pericontusion [J]. J Neurochem，2015，134（1）：156-172.

[10] Maiese K，Chong ZZ，Wang S，et al. Oxidant stress and signal transduction in the nervous system with the PI3-K，Akt，and mTOR cascade [J]. Int J Mol Sci，2012，13（11）：13830-13866.

[11] Peng S，Zhao S，Yan F，et al. HDAC2 selectively regulates FOXO3a-mediated gene transcription during oxidative stress-induced neuronal cell death [J]. J Neurosci，2015，35（3）：1250-1259.

[12] Maiese K. mTOR：Driving apoptosis and autophagy for neurocardiac complications of diabetes mellitus [J]. World J Diabetes，2015，6（2）：217-224.

[13] Dalle-Donne I，Rossi R，Colombo R，et al. Biomarkers of oxidative damage in human disease [J]. Clin Chem，2006， 52（4）：601-623.

[14] Finkel T，Holbrook NJ. Oxidants，oxidative stress and the biology of ageing [J]. Nature，2000，408（6809）：239-247.

[15] Velasco-Miguel S，Buckbinder L，Jean P，et al. PA26，a novel target of the p53 tumor suppressor and member of the GADD family of DNA damage and growth arrest inducible genes [J]. Oncogene，1999，18（1）：127-137.

[16] Woo HA，Bae SH，Park S，et al. Sestrin 2 is not a reductase for cysteine sulfinic acid of peroxiredoxins [J]. Antioxid Redox Signal，2009，11（4）：739-745.

[17] Lee JH，Budanov AV，Karin M. Sestrins orchestrate cellular metabolism to attenuate aging [J]. Cell Metab，2013， 18（6）：792-801.

[18] Budanov AV，Shoshani T，Faerman A，et al. Identification of a novel stress-responsive gene Hi95 involved in regulation of cell viability [J]. Oncogene，2002，21（39）：6017-6031.

[19] Kim JS，Ro S，Kim M，et al. Sestrin2 inhibits mTORC1 through modulation of GATOR complexes [J]. Sci Rep，2015，5：9502.

[20] Morrison A，Chen L，Wang J，et al. Sestrin2 promotes LKB1-mediated AMPK activation in the ischemic heart [J]. FASEB J，2015，29（2）：408-417.

[21] Peng M，Yin N，Li MO. Sestrins function as guanine nucleotide dissociation inhibitors for Rag GTPases to control mTORC1 signaling [J]. Cell，2014，159（1）：122-133.

[22] Park H，Park H，Ro S，et al. Hepatoprotective role of Sestrin2 against chronic ER stress [J]. Nat Commun，2014， 5（5）：4233.

[23] Kim J，Kundu M，Viollet B，et al. AMPK and mTOR regulate autophagy through direct phosphorylation of Ulk1 [J]. Nat Cell Biol，2011，13（2）：132-141.

[24] Lee JH，Budanov AV，Park EJ，et al. Sestrin as a feedback inhibitor of TOR that prevents age-related pathologies [J]. Science，2010，327（5970）：1223-1228.

[25] Mizushima N. Autophagy： process and function [J]. Genes Dev，2007，21（22）：2861-2873.

[26] Guo Y，Darshi M，Ma Y，et al. Quantitative proteomic and functional analysis of liver mitochondria from high fat diet（HFD）diabetic mice [J]. Mol Cell Proteomics，2013， 12（12）：3744-3758.

[27] 胡永亮，譚啟杏，王紅麗，等.Sestrin2通過抑制砷化物誘導的氧化應激反應發揮拮抗細胞凋亡的保護性作用[J].生物技術通訊，2016，27（3）：314-317.DOI：10.3969/j.issn.1009-0002.2016.03.003.

[28] Bain JM，Moore L，Ren Z，et al. Vascular Endothelial Growth Factors A and C are Induced in the SVZ Following Neonatal Hypoxia-Ischemia and Exert Different Effects on Neonatal Glial Progenitors [J]. Translat Stroke Res，2013， 4（2）：158-170.

[29] Shi X，Doycheva DM，Xu L，et al. Sestrin2 induced by hypoxia inducible factor1 alpha protects the blood-brain barrier via inhibiting VEGF after severe hypoxic-ischemic injury in neonatal rats [J]. Neurobiol Dis，2016，95：111-121.

[30] Shi X，Xu L，Doycheva DM，et al. Sestrin2，as a negative feedback regulator of mTOR，provides neuroprotection by activation AMPK phosphorylation in neonatal hypoxic-ischemic encephalopathy in rat pups [J]. J Cerebral Blood Flow Metab，2016，37（4）：1447-1460.

[31] Chuang Y，Yang J，Yang D，et al. Roles of Sestrin2 and ribosomal protein S6 in transient global ischemia-induced hippocampal Neuronal Injury [J]. Int J Mol Sci，2015， 16（11）：26406-26416.