Sestrins在調控衰老中的作用

陳波，李志杰

（中國醫科大學附屬盛京醫院醫學研究中心，遼寧省環境與代謝疾病動物模型研究與應用重點實驗室，沈陽 110004）

所有多細胞生物都經歷著身體功能和生理功能的逐漸衰退，這一過程稱為衰老。人類衰老與許多疾病（Ⅱ型糖尿病，癌癥，慢性炎癥，肌肉減少癥、阿爾茨海默病等形式的神經退行性疾病等）密切相關。衰老的細胞和組織普遍特征是氧化應激和氧化修飾蛋白及蛋白聚集物累積，這可能是衰老相關疾病背后的驅動力。因此，衰老可以看作是氧化應激緩慢、漸進的增加過程，而應激反應在衰老過程中被激活，從而影響這一過程。

研究［1］表明，機體可以通過增強腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）激活和抑制雷帕霉素復合物1靶點（target of rapamycin complex 1，TORC1）來控制或減弱年齡相關性疾病。Sestrins（Sesns）作為一種基因編碼的蛋白質，在受到各種環境刺激（DNA損傷、氧化應激和缺氧）時細胞中的表達出現上調。

基于Sesns與TORC1之間的交互作用，Sesns能夠調節衰老和與年齡相關的疾病過程［2］。Sesns的抗衰老功能在整個動物界都是進化保守的。本文就Sesns在衰老中的調控作用進行綜述。

1 Sesns概述

Sesns是一類高度保守的應激反應蛋白家族，由P53和叉頭轉錄因子通過轉錄調控，在體內表現出氧化還原酶活性，保護細胞免受氧化應激［3-4］。當細胞處于缺氧、DNA損傷及氧化應激等狀態時，Sesns表達水平上調［5］。

大多數動物均存在Sesns基因，無脊椎動物基因組只包含1個Sesn基因，而哺乳動物和其他脊椎動物包含3個高度同源的基因（Sesn1、Sesn2和Sesn3），編 碼Sesn1、Sesn2和Sesn3蛋 白［6］。Sesn1是 在 篩 選P53應答基因時發現的，又稱為“P53-activated gene number 26（PA26）”，并歸于GADD（growth arrest and DNA damage）誘導的基因家族［7，8］。Sesn2又稱為“hypoxiainduced gene number 95（Hi95）”，是通過微陣列方法分離出，作為缺氧誘導的人膠質母細胞瘤細胞的基因［9］。由于Sesn1和Sesn2具有相似性，在此基礎上通過序列分析發現了Sesn3［10］。

目前，已知Sesn2是只有1個轉錄本編碼的60×103蛋白產物，而Sesn1基因被轉錄成3個不同的mRNA，這些mRNA具有不同的轉錄起始位點，因此編碼3個分子量為48×103、55×103和68×103的蛋白產物［9］。同樣，Sesn3基因被轉錄成2個交替剪接的mRNA亞型，它們編碼分子量為44×103和53×103蛋白產物［11］。Sesn1（55×103）、Sesn2（60×103）和Sesn3（53×103）蛋白亞型的序列和功能相似性表明，這些蛋白可能具有冗余的生化功能，不同Sesns成員的可用性可能由組織和（或）刺激特定方式的不同機制控制［3］。

研究［12］發現，3種Sesns基因在小鼠胚胎發生的所有階段和大多數成年組織中有不同水平表達。Sesn1主要在骨骼肌、心臟、大腦和肝臟組織中表達；Sesn2主要在腎臟、肝臟、肺和白細胞中表達；Sesn3主要在骨骼肌、腎臟、大腦和小腸中表達。此外，黑腹果蠅的Sesns表達在幼蟲期非常低，但在成體組織中卻很高［13］。

2 Sesns表達的調控

為了應對各種各樣的損傷，細胞需不斷調整代謝水平（促進損傷修復、停止合成代謝過程和刺激分解代謝反應等［14］）來防止受損大分子的累積，同時為不同的修復過程節約資源［9］。Sesns表達是應激誘導的，因此它參與細胞或組織水平的多種代謝途徑［15-16］。了解Sesns在不同生理和病理環境下的表達調控至關重要。

2.1 缺氧

缺氧是最嚴重的代謝損傷之一。最初，Sesn2是在人類神經母細胞瘤細胞中作為一種缺氧激活的基因被分離出來［9］。在許多人類癌細胞系中，缺氧模擬上調了Sesn1和Sesn2的表達［17］。雖然Sesn1激活嚴格依賴于P53，但Sesn2在缺氧時的轉錄激活與P53無關，在小鼠上皮氣管細胞中，Sesn2的轉錄激活依賴于缺氧誘導因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）［17］。然而，在許多其他類型細胞中，Sesn2缺氧誘導與HIF-1無關，表現出與其他HIF-1靶基因不同的表達動力學。在大多數情況下，Sesn2的轉錄不是由缺氧本身引起的，而是由長時間缺氧條件下導致能量剝奪引起的。許多降低細胞ATP濃度的化合物［2-脫氧葡萄糖（糖酵解抑制劑）和二甲雙胍（線粒體呼吸抑制劑）］可以通過某種機制誘導Sesn2表達［18］。此外，一種生活在南極洲的昆蟲（Belgica）通過上調Sesns的表達以應對干旱，這被認為是該物種在南極寒冷氣候下生存的關鍵［19］。

2.2 DNA損傷

長期暴露于基因毒性應激中會加速衰老，并導致基因突變，破壞正常的DNA損傷反應，人類的過早衰老與干擾DNA損傷修復有關［20］。研究證實，基因毒性應激可以抑制蛋白質和脂質的合成，而這些協同反應對于生存是必不可少的，降低大分子生物合成的能量消耗可以轉移稀缺資源用于修復受損DNA［21］。

Sesns作為DNA損傷誘導蛋白，在這過程中可能發揮重要作用［22］。哺乳動物Sesn1和Sesn2都是由P53激活引起的DNA損傷誘導的，而黑腹果蠅的Sesns表達也是由輻射引起的DNA損傷誘導的［9］。Sesns通過增加AMPK的活性來降低TORC1活性［23］。TORC1的活性降低抑制了合成代謝途徑（蛋白和脂質合成［24］）。

在基因毒性應激條件下，減少TORC1依賴的合成代謝，可能對減少新蛋白和膜合成以及利用由此節省下來的能量促進DNA修復非常重要。因此，與損傷相關Sesns誘導可能會使DNA損傷的有害影響降到最低，而DNA損傷會加速衰老，加速各種與過早衰老相關的病理過程。

隨著年齡的增長，DNA損傷累積可能導致癌癥，這是全球死亡的原因之一［20］。因此，Sesns誘導應答DNA損傷可能有助于P53在許多腫瘤中執行抑制功能［9］。除了抑制細胞增殖和通過DNA過度損傷促進細胞死亡外，最近有研究［25］發現P53抑制TORC1和細胞生長。此外，Sesns可以抑制部分癌細胞生長，而Sesn2丟失使永生化細胞更容易發生癌變［23］。

在人類各種癌癥中，Sesns1（6q21）和Sesns2（1p35）的位點經常發生缺失，這表明Sesns在腫瘤進展中發生丟失，并提示Sesns對TORC1依賴性抑制對于抑制由受損DNA引起的腫瘤發生至關重要［26］。

2.3 氧化應激

氧化應激造成活性氧（reactive oxygen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）之間代謝失衡，細胞對ROS、RNS和其他反應性代謝中間體的解毒能力受損。Sesns家族成員盡管誘導機制不同，但都是由氧化應激誘導的［27-28］。

Sesn1由過氧化氫以P53依賴的方式誘導，而Sesn2誘導僅部分依賴于P53。在神經元中，Sesn2由N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）誘導，該受體激活以CCAAT/增強子結合蛋白-β（CCAAT/enhancer binding protein-β，c/EBPβ）依賴的方式刺激ROS的產生。研究［29］表明，氧化應激通過激活核因子E2相關因子2（Nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2）和氨基末端激酶/激活蛋白-1（c-Jun N-terminal kinase-activator protein-1，JNK-AP-1）信號軸誘導Sesn2。而c/EBPb、Nrf2和AP-1的結合位點均存在于Sesn2啟動子區［30］。Sesn3受到氧化應激誘導后通過叉頭框轉錄因O（forkhead box O，FoxO）激活。同樣，黑腹果蠅的Sesns表達受JNK-dFoxO信號軸調控，以應答果蠅雷帕霉素復合物1（drosophila target of rapamycin complex 1，dTORC1）誘導的慢性氧化應激［13］。

3 Sesns調控雷帕霉素機械靶點（mechanistic target of rapamycin，mTOR）信號網絡

Sesns獨立調節氧化還原反應，也參與了應力依賴性哺乳動物mTOR的調節。mTOR存在于哺乳動物雷帕霉素復合物1機械靶點（mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1）和哺乳動物雷帕霉素復合物2機械靶點（mechanistic target of rapamycin complex 2，mTORC2）中。Sesns通 過 抑 制Rheb和RagA/B來抑制mTORC1，這兩種鳥苷三磷酸酶對mTORC1激活至關重要。AMPK-結節性硬化復合物2（tuberous sclerosis complex 2，TSC2）通路介導Sesns對Rheb的影響，而GATOR1-GATOR2復合物則調控Sesns對RagA/B的影響。雖然Sesns強烈抑制mTORC1，但它可以通過幾個獨立的機制激活mTORC2。

3.1 Sesns作為AMPK調節器

有研究［23］指出Sesns介導的mTORC1調控依賴于AMPK。Sesns參與TSC1：TSC2復合物的調節，通過AMPK介導的磷酸化促進了TSC2活化。此外，Sesns激活增加了AMPK在Thr172位點的磷酸化，這是AMPK活化的標志［23］。由于TSC2是Rheb的鳥苷三磷酸酶活化蛋白（GTPase-activating protein，GAP），Sesns依賴的TSC2活化使Rheb和mTORC1失活。有研究［23］通過shRNA介導對AMPK和TSC2的抑制減弱了Sesns對mTORC1的抑制作用。此外，Sesns對于DNA的損傷誘導抑制mTORC1至關重要，而mTORC1的抑制也依賴于AMPK和TSC2的激活［31］。

研究［32］結果顯示，Sesns誘導對AMPK的激活作用，在不同的細胞環境中對mTORC1進行調控。果蠅的遺傳學研究［33］表明，Sesns可通過AMPK-TSC2軸控制組織生長和衰減年齡相關病理過程。在研究Sesn2缺陷的小鼠中發現，包括胰島素抵抗和脂肪性肝炎在內的代謝表型被AMPK的藥理作用強烈抑制，進一步支持了AMPK是Sesns控制代謝穩態的關鍵下游靶點的觀點［34］。

3.2 Sesns作為mTORC2調節器

Sesns對mTORC1信號通路發揮抑制作用，但它能上調體外培養的細胞以及小鼠和果蠅組織中依賴mTORC2的AKT磷酸化水平［35］。由于mTORC1和S6K信號的慢性激活會導致胰島素抵抗，因此Sesns介導的mTORC2-AKT的激活可能依賴于Sesns對mTORC1的抑制作用［36］。然而，Sesns誘導TSC1：TSC2復合物的激活可以通過獨立于mTORC1的機制促進mTORC2的上調［37］。

近年來，Sesn2和Sesn3通過調控包括Rictor在內的亞基與mTORC2發生物理結合，直接促進了mTORC2的催化活性。因此，Sesns可能通過多種機制上調mTORC2-AKT信號通路。Sesns上調AKT活性可能對防止胰島素抵抗和延緩糖尿病進展具有重要作用［35］。今后的研究應該定位于明確Sesns介導AKT上調的分子機制，同時需明確多種信號通路的相關作用。

4 Sesns與衰老

mTORC1失調和AMPK信號的失活與ROS生成增加和消耗減少相關［38］，這都與衰老的特征（代謝穩態和蛋白穩態喪失，肌肉功能降低［39］）密切相關，Sesns是關鍵調控因子，參與了老化過程［40］。

在秀麗隱桿線蟲中，Sesn1基因突變體表現為ROS累積、肌細胞異常和壽命縮短［41］。與此同時，功能獲得突變體通過降低肌肉ROS來延長壽命。Sesns缺陷的果蠅和小鼠模型證明，內源性Sesns的激活是預防不同年齡和肥胖相關疾病所必需的。而果蠅Sesn（drosophila sestrin，dSesn）失活導致AMPK的抑制和mTORC1的活化，進而引起脂肪堆積、血糖升高、骨骼肌和心肌退化［13］。然而，在小鼠中Sesn2功能喪失突變體表現出正常衰老過程，這可能反映了無脊椎動物與哺乳動物衰老具有不同和多因素的機制［42］。

研究［36］顯示Sesns的水平受衰老調節，與中青年男性比較，老年男性Sesns蛋白數量減少更加顯著，這也提示Sesns在調控衰老中的重要性。

近年來，對Sesns的生物化學作用機制方面取得重大進展。Sesns作為一種多功能蛋白可以單獨控制多種抗衰老功能（降低ROS和調節mTOR的功能），最近研究［43］確定的人類Sesn2（human Sesn2，hSesn2）晶體結構揭示了負責這些功能的2個子域（Sesn-A和Sesn-C）。此外，結構引導的誘變產生了一系列的點突變，這些點突變削弱了Sesns氧化還原控制或mTORC1調節功能，這為在不同生理環境下對Sesns功能進行分子解剖提供了基本工具［44］。

Sesns在調節代謝穩態和年齡相關性病變中具有重要作用，進一步研究Sesns的生物化學功能，進而揭示Sesns在調控衰老中的作用機制，將為開發新型抗衰老藥物提供新的思路。