Sirtuin家族與心血管疾病相關性研究進展

汪瀟瀟 蔣維

(1.重慶大學附屬腫瘤醫院/重慶市腫瘤研究所/重慶市腫瘤醫院，腫瘤轉移與個體化診治轉化研究重慶市重點實驗室，重慶 400030； 2.四川大學生物治療國家重點實驗室，四川 成都 610041)

1 Sirtuin(Silent information regulator two proteins)家族成員的結構學特征及其實現蛋白質去乙酰化活性的結構學基礎

Sirtuins的序列分析表明Sirtuin家族成員具有高度保守的催化活性中心和不同長度和序列的N-和C-末端片段。通過對Sirtuin家族成員進行X-射線晶體結構分析，Sirtuin家族成員的活性中心區域的結構相似，包含一大一小兩個結構域。大結構域為Rossmann折疊區域，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)的結合區域，在不同的種屬間具有高度保守性[1]。小結構域為不同的、多變的鋅指結構，以及具有三到四個螺旋結構的螺旋形模塊。大、小結構域通過四個連接環相連，且四個連接環間形成一個裂隙，其中的大部分氨基酸殘基是高度保守的[2]。乙酰化的賴氨酸和NAD從反方向插入裂隙中的疏水通道，是發揮去乙酰化催化作用的場所。由于鋅離子離活性位點太遠，不能直接參與去乙酰化，但它對催化活性中心區域結構的完整性的維持具有重要作用[3]。四個半胱氨酸殘基在四面體幾何結構中整合鋅離子，鋅離子則使三個β鏈聚集在一起，從而維持結構的穩定性。Sirtuins通過NAD和乙酰化賴氨酸底物的結合、糖苷鍵的剪切、乙酰化基團的轉換、煙酰胺和去乙酰化賴氨酸的形成發揮其催化作用[4]。總之，Sirtuin的結構、各種底物和中間體/過渡態模板以及產物等，為NAD和乙酰化賴氨酸底物的結合和催化反應以及Sirtuin如何促進去乙酰化過程提供了重要的信息。

2 Sirtuin家族成員與心血管疾病

2.1 Sirtuin家族成員與心臟缺血/再灌注損傷

心臟缺血再灌注損傷包含了復雜的損傷因素，包括缺血時能量的缺失以及復灌時氧化應激的產生，從而導致一系列細胞壞死通路的激活，最終導致心臟損傷。Sirtuin家族蛋白被證實參與此損傷過程中心肌細胞功能的調節，抵抗氧化應激，調控代謝通路等。心臟在缺血狀態下，能量代謝紊亂，腺苷酸活化蛋白激酶(Adenosine monophosphate protein kinase，AMPK)活化，使得腺苷三磷酸(Adenosine triphosphate，ATP)存儲增加，消耗減少[5]。Sirtuins蛋白的活性與細胞能量代謝狀態密切相關，即受到 NAD+水平的調節。Suchankova等發現AMPK活性的改變也與 NAD+水平及SIRT1的活性相關，表明在心臟缺血時，SIRT1和AMPK有密切的聯系，且已有研究證實在缺血再灌時若SIRT1缺失，AMPK的活化也降低[6]。此外，在缺血再灌時小鼠心臟組織SIRT1的表達下降，SIRT1缺失的小鼠發生更嚴重的心梗損傷，而心臟特異性過表達SIRT1的小鼠心梗面積明顯減小，并且SIRT1通過促進叉頭轉錄因子1(Forkhead box protein O1，FOXO1)的轉錄活性，促進其細胞核定位，使得心肌細胞凋亡降低，抗氧化蛋白表達增加，氧化應激降低[7]。在心臟功能障礙時，SIRT6表達水平下降，使得細胞凋亡和衰老加重。SIRT6對低氧誘導因子-1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)的去乙酰化可能影響葡萄糖代謝[8]。線粒體作為心臟能量的來源，心臟的生理功能與線粒體功能的完整性密切相關。位于線粒體的SIRT3已被證實可通過提高錳超氧化物歧化酶(Manganese superoxide dismutase，MnSOD)的活性，降低氧自由基(Reactive oxygen species，ROS)的產生[9]，進而改善缺血再灌過程中的氧化應激，達到保護心臟的作用。并且SIRT3可通過去乙酰化線粒體膜通道孔(Mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的親環素D，使得促凋亡蛋白的釋放減少。除了抗氧化和抗凋亡的作用，SIRT3還可調節線粒體ATP的合成[10]。總之，Sirtuins，特別是SIRT1、3、6和7在心肌受到氧化應激，基因組DNA損傷等時，它們可改善心肌損傷。

2.2 Sirtuin家族成員與心臟肥大

心臟重塑包含了多方面的誘導因素，其表現通常為心肌細胞的肥大、凋亡和纖維化組織的增加等。諸多證據表明表觀遺傳的修飾對于促進或抑制疾病過程有重要作用。Sirtuins家族可發揮其去乙酰化酶的作用對轉錄調節等進行修飾。過表達SIRT1或應用白藜蘆醇活化SIRT1后，SIRT1通過與過氧化物酶體增殖物激活受體α(Recombinant peroxisome proliferator activated receptor alpha，PPARa)發生相互作用，增加PPARa與核因子κB(Nuclear factor kappa-B，NF-κB)的 Protein65(P65)亞基的結合，導致P65的去乙酰化，同時也去乙酰化PPARa的協調因子過氧化物酶體增殖物激活受體C輔激活因子 1A (Peroxisomeproliferator-activated receptor-C coactivator-1A，PGC-1A)，從而抑制苯腎上腺素導致的心肌肥大[11]。此外，體內體外SIRT1的過表達也可改善血管緊張素II誘導的心肌肥大和損傷。SIRT3和SIRT7基因敲除的小鼠都表現出心臟肥大。其中SIRT3缺失的小鼠主要表現為心臟間質的纖維化，而SIRT7缺失的小鼠主要為炎癥介導的心肌病變[12]。SIRT3是內源性的心臟肥大的調節因子，通過活化叉頭轉錄因子3(Forkhead box protein O3，FoXO3a)、抗氧化蛋白MnSOD和過氧化氫酶(Catalase)，降低ROS，使得腎素-血管緊張素系統(Renin-angiotensin system， RAS)以及下游絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)/胞外信號調節激酶(Extracellular signal-regulated kinase，ERK)和Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase/Protein kinase B (PI3K/Akt)信號通路的活化降低，進而抑制心臟肥大。SIRT6通過抑制 Insulin-like growth factor(IGF-Akt)信號通路，去乙酰化組蛋白3的賴氨酸殘基9位(Histone 3 Lysine 9，H3K9)，從而改善心臟肥大和心衰[10]。

2.3 Sirtuin家族成員與高血壓

高血壓為血壓長期增高的慢性疾病，血管發生重塑，胞外基質改變。在高血壓血管病變的過程中，細胞的增值，肥大，炎癥，纖維化均為導致血管重塑的因素[1,3]。血管緊張素II在誘導高血壓的過程中，導致血管重塑，血管平滑肌增值，膠原堆積等。SIRT1可降低血管緊張素II誘導的NF-κB與轉化生長因子-β(Transforming growth factor-β1，TGF-β1)啟動子的結合，從而降低炎癥，緩解血管重塑，降低血壓[14]。動脈血管內皮功能受到一氧化氮(Nitric oxide，NO)極大的影響，NO的產生減少和內皮型一氧化氮合酶(Endothelial nitric oxide synthase，eNOS)活性的降低與SIRT1功能的降低密切相關[15]。SIRT1功能的降低與NADPH活性的提高相關，進而提高超氧化合物陰離子的濃度，促進NO的降解，使得內皮功能障礙進一步加重。并且SIRT1的缺失下調基質金屬蛋白酶-14(Matrix metalloproteinase-14，MMP-14)，提高內皮因子和谷氨酰胺轉移酶的表達，從而促進纖維化。SIRT2在高血壓誘導的血管重塑中影響內皮細胞的遷移[16]。

2.4 Sirtuin家族成員與動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化為伴有脂代謝紊亂的慢性免疫炎癥反應疾病。動脈粥樣硬化形成的重要步驟是大動脈皮下間隙單核細胞的滲透和巨噬細胞對脂肪的吞噬作用，巨噬細胞繼而分化為泡沫細胞，促使大量炎癥細胞因子的釋放，從而又促進單核細胞的聚集，形成惡性循環。因此脂代謝紊亂和炎癥反應為動脈粥樣硬化形成的主要因素[17]。SIRT1在內皮功能障礙的相關疾病中發揮著重要的保護作用。在胰島素抵抗、動脈粥樣硬化及相關冠狀動脈疾病中，SIRT1基因和蛋白水平的表達均為低水平，被證實為動脈粥樣硬化的重要保護因子[18]。同樣，血管平滑肌的異常增殖也是動脈粥樣硬化發生發展的重要致病機理，SIRT1被證實也可抑制動脈粥樣硬化時血管平滑肌的異常增殖，且這一過程可能受到了FoXO3a的介導。SIRT6在衰老進程中發揮著重要的保護作用，可抑制基因組DNA的損傷和端粒功能的紊亂，對于維持內皮細胞和新生血管的生成很重要。有研究者發現，SIRT6+/-APOE-/-小鼠在高脂飲食后Natural-killer group 2 member D(NKG2D)配體上調，促進血管炎癥，動脈粥樣硬化更為嚴重[19]。

3 總結及展望

Sirtuins家族蛋白通過發揮其酶活性對一系統靶蛋白進行去乙酰化和/或腺苷二磷酸-核糖修飾，影響多種信號通路。隨著年齡的增長，細胞受到環境等因素的損害增加，Sirtuins不僅參與細胞內的轉錄調控，也參與代謝的調節，在細胞發生氧化應激、基因毒性及代謝紊亂時發揮重要作用[2]，對于危險因素的作用進行負調節，使機體受到保護。在心血管疾病中，Sirtuins的表達水平通常受到了動脈和心臟內穩態改變的影響，如在發生動脈粥樣硬化和心肌病變時，Sirtuins表達量的改變。在位于細胞核的Sirtuins成員中，SIRT1和SIRT6對于抑制和延緩心血管疾病有重要作用。特異性位于線粒體的SIRT3維持細胞器的穩定性，保護提供心臟能量的線粒體。因此，針對Sirtuins開發的小分子化合物可能成為治療衰老相關的心血管疾病的新工具和新的治療方法。到目前為止，動物模型試驗證實白藜蘆醇，作為Sirtuins的非特異性激動劑，在內皮和心肌細胞發生應激狀態下發揮有效的保護作用。但是更有效和更特異的小分子化合物還有待進一步研究和開發。