Sirtuins家族蛋白及其在糖脂代謝中的作用

韋 曉，汪奇峰，陳 煜，楊 雪，陳國(guó)芳，劉 超

(南京中醫(yī)藥大學(xué)附屬中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院內(nèi)分泌科 江蘇省中醫(yī)藥研究院癭病證治重點(diǎn)研究室，南京 210028)

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人類的壽命正在延長(zhǎng)，但壽命延長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致很多疾病如心血管疾病、糖尿病、阿爾茨海默病等患病率的增加，延緩衰老已成為生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。糖脂代謝紊亂是影響以上疾病發(fā)生發(fā)展的重要因素，如何調(diào)節(jié)代謝平衡已成為對(duì)抗衰老的關(guān)鍵。代謝平衡是人體內(nèi)一系列精確調(diào)節(jié)的過程，此過程包含能量的攝取、利用和儲(chǔ)存。當(dāng)食物充足，多余的能量會(huì)被儲(chǔ)存起來，以備能量不足時(shí)使用。人體中有一套經(jīng)長(zhǎng)期進(jìn)化而來的精確調(diào)控系統(tǒng)，其中涉及許多信號(hào)通路，包括胰島素、胰島素樣生長(zhǎng)因子1(insulin-like growth factor 1，IGF1)、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)、AMP活化的蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)以及Sirtuins信號(hào)通路[1]。限制熱量已被證實(shí)可以對(duì)抗衰老性疾病[2]，而熱量限制可以激活Sirtuins家族蛋白，從而發(fā)揮重要作用[3]。Sirtuins是一種去乙酰化酶，在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中均發(fā)揮作用，如去乙酰化核酸、去乙酰化胞質(zhì)蛋白、去乙酰化線粒體內(nèi)蛋白，其可以從細(xì)胞層面調(diào)控糖脂代謝的相關(guān)分子，整體改善壽命和生存時(shí)間[4]。在代謝研究領(lǐng)域，Sirtuins蛋白的激活劑如白藜蘆醇、SRT(sirtuin modulator)已成為研究熱點(diǎn)，通過發(fā)揮類似熱量限制的作用緩解代謝性疾病的進(jìn)展[5]。現(xiàn)就Sirtuins蛋白與糖脂代謝的關(guān)系進(jìn)行綜述，旨在總結(jié)Sirtuins蛋白調(diào)節(jié)糖脂代謝的分子機(jī)制。

1 Sirtuins信號(hào)通路

Sirtuins自發(fā)現(xiàn)以來就成為代謝研究的熱點(diǎn)，甚至被命名為長(zhǎng)壽蛋白。沉默信息調(diào)節(jié)因子2(silent information regulator 2，Sir2)基因首先在酵母菌中發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為具有激活端粒酶和核糖體DNA、延長(zhǎng)壽命的作用[6]，其通過去乙酰化組蛋白發(fā)揮功能。哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的Sir2同源蛋白被命名為Sirtuins，Sirtuins是一種具有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)依賴性的組蛋白去乙酰化酶[7]。隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，Sirtuins不僅是能量代謝的調(diào)控器，還可以作為基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控因子，調(diào)控除組蛋白外其他代謝相關(guān)分子的乙酰化[8]，如Sirtuins可以直接激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α)、叉頭蛋白轉(zhuǎn)錄因子O1(forkhead box protein O1，F(xiàn)OXO1)的表達(dá)[9]，通過影響代謝相關(guān)酶的表達(dá)和活性，影響細(xì)胞對(duì)糖脂的代謝功能。因此，研究Sirtuins信號(hào)通路對(duì)緩解代謝類疾病具有重要作用。

2 Sirtuins的種類與功能

Sirtuins家族蛋白包括SIRT1～SIRT7，其在器官和組織中普遍表達(dá)。基于氨基酸序列Sirtuins家族蛋白可分為4型，SIRT1～SIRT3為1型，SIRT4為2型，SIRT5為3型，SIRT6、SIRT7為4型[10]。SIRT1在器官和組織中廣泛分布，主要存在于胞質(zhì)，需進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)才能發(fā)揮作用。有些藥物可通過抑制SIRT1入核，調(diào)控一些基因的表達(dá)[11]。SIRT2存在于胞質(zhì)中，在G2期向M期過度時(shí)入核，影響細(xì)胞周期[12]。SIRT3、SIRT4、SIRT5具有線粒體信號(hào)肽序列，可進(jìn)入線粒體影響細(xì)胞內(nèi)的能量平衡。SIRT6和SIRT7存在于細(xì)胞核內(nèi)，其對(duì)代謝的作用還需要進(jìn)行更深入的研究。

Sirtuins最初是作為NAD依賴的去乙酰酶被發(fā)現(xiàn)的，不僅在細(xì)胞核內(nèi)具有去乙酰化功能，也可以去乙酰化胞質(zhì)內(nèi)的一些蛋白[11]。如SIRT4和SIRT6可以去乙酰化ADP-核糖體轉(zhuǎn)移酶，SIRT5可以去乙酰化氨甲酰磷酸合酶1(carbamoyl phosphate synthe-tase 1，CPS1)[13]。Sirtuins的酶促反應(yīng)需要以NAD+作為底物，NAD+可以被Sirtuins轉(zhuǎn)化為煙酰胺，高水平的煙酰胺會(huì)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制Sirtuins的活性，從而形成負(fù)反饋調(diào)節(jié)[11]。

2.1SIRT1 SIRT1作為熱量限制的靶蛋白已進(jìn)行了大量研究，其活化可有效緩解代謝性疾病。SIRT1可以去乙酰化組蛋白，也可以去乙酰化其他胞質(zhì)蛋白。p53蛋白是第1個(gè)發(fā)現(xiàn)的SIRT1的胞質(zhì)靶蛋白[14]，乙酰化的p53蛋白會(huì)增加與DNA的結(jié)合能力，并通過激活下游靶基因的轉(zhuǎn)錄抑制細(xì)胞增殖。在DNA損傷或氧化應(yīng)激的情況下，SIRT1會(huì)去乙酰化p53蛋白，p53蛋白去乙酰化會(huì)降低自身的活性，激活細(xì)胞周期的表達(dá)，增加細(xì)胞增殖率[15]。p53蛋白屬于抑癌蛋白，其活性的降低有可能會(huì)導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，但目前并未發(fā)現(xiàn)SIRT1具有致癌作用[12]。PGC-1α也可被SIRT1去乙酰化，SIRT1可通過調(diào)控PGC-1α，控制線粒體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)，影響線粒體功能[16]。SIRT1還可以調(diào)控FOXO1的乙酰化。FOXO1是糖脂代謝過程中的關(guān)鍵調(diào)控因子，其乙酰化調(diào)節(jié)不同于磷酸化調(diào)節(jié)，不是對(duì)FOXO1活性的激活或抑制，而是改變FOXO1作用的底物，從而影響其功能[17]。

白藜蘆醇存在于干紅葡萄酒、藍(lán)莓、花生等食物中[18]，可以激活SIRT1通路，對(duì)糖尿病、肥胖、阿爾茨海默病以及帕金森病等具有改善作用[19]。

2.2SIRT3 SIRT3是線粒體內(nèi)最重要的去乙酰化酶，其作用的底物在代謝過程中發(fā)揮了重要作用[20]。Sirt3基因敲除小鼠會(huì)出現(xiàn)脂肪代謝障礙[21]。3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合成酶2參與了酮體的生成，血糖降低時(shí)體內(nèi)酮體的含量會(huì)升高，為大腦直接供能，其乙酰化位點(diǎn)可以被SIRT3去乙酰化[22]。熱量限制可以促進(jìn)SIRT3去乙酰化草酰琥珀酸脫羧酶2和谷氨酸脫氫酶，這兩種酶均參與了三羧酸循環(huán)[23]。此外，熱量限制會(huì)通過SIRT3提高超氧化物歧化酶2的活性，減少活性氧類，緩解細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)[24]。

2.3其他Sirtuins 相對(duì)于SIRT1和SIRT3，其他Sirtuins家族成員研究的較少。胞質(zhì)內(nèi)的SIRT2可以去乙酰化微管蛋白[25]，還可以去乙酰化蛋白酶激活受體3，減少有活性的蛋白激酶C，這種作用會(huì)影響神經(jīng)鞘細(xì)胞髓鞘的形成[26]。SIRT2可通過去乙酰化磷酸烯醇丙酮酸羧激酶調(diào)節(jié)代謝過程[27]。FOXO1也會(huì)被SIRT2去乙酰化，進(jìn)而改變催化活性[26]。

SIRT4存在于線粒體內(nèi)，有研究顯示，Sirt4基因敲除小鼠血清胰島素的水平較正常小鼠低[28]。SIRT4可以調(diào)節(jié)肝臟和肌肉的脂肪酸氧化，但SIRT4與SIRT3對(duì)谷氨酸脫氫酶的調(diào)節(jié)作用是相反的。SIRT5最初不是作為去乙酰化酶被發(fā)現(xiàn)的，而是作為CPS1的琥珀酰化和丙二酰化酶被發(fā)現(xiàn)的[29]。在熱量限制期間，SIRT5通過激活CPS1啟動(dòng)尿素循環(huán)。SIRT6與基因組DNA的穩(wěn)定性相關(guān)，在新陳代謝和衰老過程中起著修復(fù)DNA的作用。Sirt6基因敲除小鼠IGF1的水平降低，并發(fā)生嚴(yán)重低血糖癥[30]。這可能與敲除小鼠的肌肉和棕色脂肪組織大量攝取葡萄糖，導(dǎo)致血糖降低有關(guān)[31]。選擇性沉默神經(jīng)細(xì)胞中Sirt6基因表達(dá)的小鼠出生體型小，并出現(xiàn)追趕生長(zhǎng)的現(xiàn)象，在成年后更易發(fā)生肥胖，這種現(xiàn)象可能與組蛋白H3的去乙酰化相關(guān)[32]。SIRT7可以去乙酰化p53蛋白，Sirt7基因敲除小鼠會(huì)表現(xiàn)出心臟肥大，這可能是p53過度乙酰化的結(jié)果，但此過程不能排除SIRT1的影響[33]。

3 Sirtuins與糖代謝

Sirtuins對(duì)維持血糖的穩(wěn)定十分重要，可對(duì)肝臟、肌肉、脂肪以及胰腺進(jìn)行細(xì)胞水平的調(diào)控，影響各個(gè)器官對(duì)胰島素信號(hào)的敏感性，調(diào)節(jié)對(duì)糖類的攝取和利用，參與血糖的穩(wěn)定。攝入能量不足或消耗能量增加時(shí)，如熱量限制、進(jìn)行鍛煉時(shí)肝臟會(huì)增加葡萄糖的合成，SIRT1在此過程中扮演雙重角色。一方面，可通過去乙酰化降低環(huán)腺苷酸效應(yīng)元件結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄輔助激活因子2的活性，抑制肝糖原的生成；另一方面，SIRT1通過增加FOXO1和PGC-1α的表達(dá)，增加糖異生，抑制糖酵解[34]。但SIRT1引起PGC-1α表達(dá)的變化，導(dǎo)致糖原合成增加的作用微弱。目前仍需要證明環(huán)腺苷酸效應(yīng)元件結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄輔助激活因子2、FOXO1以及PGC-1α在糖異生中的作用，才能更好地揭示SIRT1所扮演的角色。從已知的研究看，SIRT1的功能傾向于將血糖維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。

SIRT2、SIRT3、SIRT4可增加糖異生[35]。SIRT2可增加糖異生相關(guān)酶的水平，而SIRT3和SIRT4可在熱量限制過程中上調(diào)糖異生。SIRT1、SIRT3和SIRT6可通過抑制缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)的轉(zhuǎn)錄，抑制糖酵解過程。SIRT1通過去乙酰作用抑制HIF-1α的活性[36]，而SIRT3通過激活超氧化物歧化酶2以及增加谷胱甘肽的水平抑制HIF-1α的表達(dá)，提高抗氧化作用[37]。SIRT6與HIF-1α可協(xié)同降低糖酵解[38]。Sirtuins參與糖異生和糖酵解的過程，對(duì)血糖的穩(wěn)定至關(guān)重要。

SIRT1除影響細(xì)胞內(nèi)的糖酵解與糖異生外，還參與了胰島素對(duì)血糖的調(diào)節(jié)。胰島素可以增加器官對(duì)血糖的吸收，促進(jìn)糖原合成，阻止糖異生過程，是體內(nèi)最重要的降血糖激素。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，激活SIRT1可提高胰島素的敏感性，還可增加胰島素的分泌，這些作用可能是通過降低解偶聯(lián)蛋白2的活性實(shí)現(xiàn)的[39]。Sirt3基因的缺失可能導(dǎo)致線粒體功能紊亂和胰島素抵抗。以上研究提示，Sirtuins可作為治療糖尿病的一個(gè)潛在靶點(diǎn)。

在血糖的調(diào)控過程中AMPK具有重要作用。AMPK是一個(gè)異源三聚體，由α、β以及γ亞基構(gòu)成，其中α亞基為催化亞基，具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶位點(diǎn)。AMPK廣泛存在于真核生物中，是能量代謝過程中的一種重要激酶，受AMP/ATP比值的調(diào)節(jié)，當(dāng)細(xì)胞耗能增加、儲(chǔ)存能量減少時(shí)，AMP/ATP比例升高，AMPK被激活，ATP的消耗降低合成增加，維持細(xì)胞內(nèi)能量代謝的正常進(jìn)行，因此AMPK又被稱為“細(xì)胞內(nèi)能量檢測(cè)器”。

Yang等[40]發(fā)現(xiàn)，在C57BL/J小鼠肝臟和HepG2細(xì)胞中，α-硫辛酸可以增強(qiáng)SIRT1去乙酰化酶的活性，通過去乙酰化肝臟激酶1，激活SIRT1/肝臟激酶1/AMPK信號(hào)通路，發(fā)揮調(diào)節(jié)代謝的作用。Wang等[41]發(fā)現(xiàn)，成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21的抗氧化作用是通過SIRT1的去乙酰化作用實(shí)現(xiàn)的，成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21可以通過激活SIRT1使肝臟激酶1去乙酰化，繼而激活A(yù)MPK信號(hào)通路。但也有研究認(rèn)為，AMPK可作為SIRT1的上游蛋白調(diào)節(jié)其活性[42]。Chang等[42]發(fā)現(xiàn)，AMPK磷酸化激活后可以磷酸化甘油醛-3-磷酸脫氫酶，磷酸化后的甘油醛-3-磷酸脫氫酶可以進(jìn)入細(xì)胞核，使SIRT1與其抑制蛋白乳腺癌抑制基因1蛋白解離，誘導(dǎo)SIRT1活化，激活其生物學(xué)功能。目前仍需要更深入的研究闡明SIRT1與AMPK在代謝中的相關(guān)性。

4 Sirtuins與脂代謝

脂類代謝包括脂類的合成、儲(chǔ)存和消耗，脂類在體內(nèi)的代謝受嚴(yán)格調(diào)控。營(yíng)養(yǎng)過剩時(shí)，胰島素會(huì)增加肝臟脂類的合成；營(yíng)養(yǎng)不足時(shí)，胰高血糖素和腎上腺素會(huì)增加脂肪的氧化分解。肝臟X受體(liver X receptor，LXR)是調(diào)控脂類代謝的重要轉(zhuǎn)錄因子，通過增加固醇反應(yīng)性元素結(jié)合蛋白1c的水平調(diào)節(jié)脂類代謝[43]。SIRT1可通過激活LXR的轉(zhuǎn)錄因子，增強(qiáng)LXR的表達(dá)；也可通過去乙酰化作用降低固醇反應(yīng)性元素結(jié)合蛋白1c的表達(dá)，抑制脂肪酸的合成，這種雙重作用類似于SIRT1對(duì)血糖平衡的調(diào)節(jié)，旨在將脂類代謝穩(wěn)定在一個(gè)平衡水平[44]。除SIRT1之外，SIRT6也參與了脂肪酸的合成，Sirt6基因沉默小鼠肝臟內(nèi)高表達(dá)與三酰甘油合成相關(guān)的基因[45]，推測(cè)SIRT6可以反饋調(diào)控三酰甘油的合成。

脂類的儲(chǔ)存受過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)的調(diào)控，SIRT1可促進(jìn)PPARγ轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物的組裝，調(diào)控PPARγ轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)與反式作用因子結(jié)合[46]，進(jìn)而增加細(xì)胞對(duì)脂類的利用。除此之外，SIRT1還可以通過激活FOXO1間接激活PPARγ的轉(zhuǎn)錄[47]。

營(yíng)養(yǎng)不足時(shí)，SIRT1可通過激活脂肪酸的氧化磷酸化途徑生成能量，此過程需要激活PPARγ和PGC-1α[48]。PPARγ和PGC-1α在Sirt1基因沉默小鼠的肝臟中低水平表達(dá)，高脂飲食下會(huì)誘發(fā)小鼠肝臟脂肪性病變[49]。此結(jié)果證實(shí)SIRT1調(diào)節(jié)了肝臟的脂肪代謝。其他Sirtuins家族蛋白，如SIRT3、SIRT4和SIRT6也參與了肝臟脂肪代謝過程，但其機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

5 小 結(jié)

Sirtuins家族蛋白是依賴于NAD+的去乙酰化酶，可調(diào)控多種與代謝相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。Sirtuins活化具有潛在的治療肥胖、降低癌癥風(fēng)險(xiǎn)、改善應(yīng)激反應(yīng)的作用。如Sirtuins的表達(dá)降低或被抑制，會(huì)嚴(yán)重影響細(xì)胞內(nèi)的代謝平衡；增強(qiáng)Sirtuins的表達(dá)或功能，可以一定程度地對(duì)抗肥胖等疾病。熱量限制作為對(duì)抗衰老的手段，可以改善代謝水平，如增加胰島素敏感性，調(diào)節(jié)生理節(jié)律，提高基因組穩(wěn)定性、抑制腫瘤、減輕炎癥、保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞、緩解焦慮等，Sirtuins家族蛋白的活化可能是發(fā)揮這些作用的分子機(jī)制。白藜蘆醇是SIRT1的激活劑，可以改善代謝延緩衰老，可能對(duì)緩解代謝類疾病和延緩衰老有積極作用[50]。Sirtuins被認(rèn)為是治療代謝與衰老性疾病的潛在靶點(diǎn)，但其確切的作用仍需要更多的臨床研究證明。