沉默信息調節因子3在心肌缺血再灌注損傷中保護作用機制的研究進展

覃秋語?徐彤彤?武琦?趙位昆

【摘要】早期經皮冠狀動脈介入及溶栓治療能及時地開放閉塞的冠狀動脈，使缺血的心肌得到再灌注，挽救心肌梗死患者的生命。但部分心肌梗死患者由于微血管阻塞、大量氧自由基產生等原因，再灌注后會誘導心肌細胞損傷，加重心臟的功能障礙和結構改變。沉默信息調節因子3（SIRT3）是Sirtuin蛋白家族的成員，具有一定的心臟保護作用。最近的研究表明，SIRT3可能在心肌缺血再灌注損傷（MIRI）中對心肌細胞起到一定的保護作用。該文將對SIRT3在MIRI中保護作用機制的研究進展作一綜述。

【關鍵詞】沉默信息調節因子3;心肌缺血再灌注損傷;氧化應激;線粒體損傷

心肌梗死是嚴重威脅到人類健康的心血管疾病，是由于冠狀動脈部分堵塞引發急性的、持續性的缺血缺氧而造成的心肌壞死。早期經皮冠狀動脈介入治療及溶栓治療是使冠狀動脈及時恢復血運，挽救心肌細胞的有效措施。但部分患者心臟恢復血流灌注后，心肌組織的損傷反而更為嚴重，這種現象稱為心肌缺血再灌注損傷（MIRI）[1]。如何預防及治療MIRI對改善心肌梗死患者預后具有重大意義。沉默信息調節蛋白家族（Sirtuin）是近年來心血管保護的研究熱點，其中沉默信息調節因子3（SIRT3）被認為對缺血后再灌注（I/R）的心臟具有保護作用，可能是MIRI治療的新靶點。本文將對近年來關于SIRT3在MIRI中保護作用機制的研究進展作一綜述。

一、SIRT3

1.? SIRT3的結構與分布

SIRT3是sⅢ類組蛋白去乙酰化酶Sirtuin蛋白家族的成員。Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶Sirtuin蛋白是酵母沉默信息因子2在哺乳動物中的同源蛋白，具有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）依賴性，在物種間高度保守。在哺乳動物中，已經確定7個不同結構的Sirt基因，分別編碼7個不同Sirt酶（Sirt1-7）。其中SIRT3主要定位于線粒體，部分也分布在細胞核及細胞質中，是線粒體優勢去乙酰化酶，在代謝旺盛的組織中如心臟、肝臟和腦分布最多[2]。人類SIRT3有長和短兩種類型。全長SIRT3是一種具有N-末端線粒體定位序列的44 kDa蛋白，在細胞應激的狀態下，全長SIRT3被從細胞核內轉導至線粒體中，并被存在于線粒體基質中的基質加工肽酶切割成28 kDa短形式。既往認為只有短形式的SIRT3才具有酶促活性，但核內的全長SIRT3也被發現具有脫乙酰酶活性，能調節Foxo3a轉錄因子的活性和核基因的表達[3]。

2.? SIRT3的功能

SIRT3參與調節線粒體代謝過程。線粒體中產生ATP的關鍵酶如乙酰輔酶A、谷氨酸脫氫酶、脫乙酰異檸檬酸脫氫酶2等均為SIRT3的底物，因此SIRT3可以通過調節上述代謝酶來影響線粒體能量的產生[4]。SIRT3與部分腫瘤的預后密切相關。研究表明，在HCT116結腸癌細胞系中，SIRT3可以抑制缺氧誘導因子1-α（HIF-1α）的活性[5]。HIF-1α的激活將直接增加賴氨酰氧化酶和碳酸酐酶Ⅸ的轉錄以及激活甘油磷酸激酶1（PGK1）和磷酸果糖激酶-1（PFK-1）等代謝基因來抑制腫瘤的生長和擴散。SIRT3可以激活糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β），GSK-3β誘導促凋亡蛋白BCL2相關X蛋白的表達和線粒體轉位以促進細胞凋亡抑制肝細胞癌生長。但也有研究發現，在食管鱗狀細胞癌中，SIRT3高表達會降低食管鱗狀細胞癌患者的生存率，提示SIRT3參與了促進食管鱗狀細胞癌的發展[6]。SIRT3在癌癥發展中的作用尚未完全明確，還需要更多的研究。SIRT3對心血管系統有著明顯的保護作用。SIRT3通過脫乙酰化作用使Foxo3a激活，Foxo3a能通過增強錳超氧化物歧化酶（MnSOD）和過氧化氫酶的活性來抑制細胞內活性氧簇（ROS）的水平及ROS介導的MAPK/ERK和PI3K/Akt信號傳導途徑，阻止心臟肥大。Dikalova等[7]研究發現，SIRT3的低表達可以使超氧化物歧化酶2（SOD2）乙酰化，降低SOD2的活性，從而促進內皮損傷及高血壓的發展，提示SIRT3對延緩高血壓病的發展有積極的作用。SIRT3對心血管系統的保護作用與線粒體融合蛋白OPA1有關。OPA1能維持線粒體嵴結構并阻止細胞凋亡。肥厚型心肌病、心力衰竭等心血管疾病能誘導OPA1乙酰化并降低其GTP酶活性，使線粒體結構破壞，細胞凋亡。Samant等[8]研究發現，SIRT3在多柔比星介導的心肌損傷中，能逆轉OPA1的乙酰化，恢復OPA1的GTP酶活性，從而起到保護心臟的作用。

二、 MIRI

心肌梗死是常見的急重癥，致死率及致殘率極高。據統計，2016年全球范圍內約發生1 590萬例心肌梗死[9]。及時地恢復梗塞心肌的血流灌注可以挽救大量受損的心肌細胞，維持心臟的功能，避免病情進一步的惡化。但大量的實驗證明，再灌注本身也會對部分心肌梗死患者的心肌造成損害，甚至導致患者的死亡。因此避免MIRI的發生，對心肌梗死患者的預后有極大的好處。關于MIRI的確切發生機制尚未明確，目前的研究認為MIRI可能的發生機制有：①心臟缺血及再灌注過程中，心肌細胞內Ca2+的升高會誘導鈣蛋白酶的產生并激活其活性。過量的鈣蛋白酶會加速分解肌鈣蛋白T，肌鈣蛋白I等肌原纖維蛋白，破壞心肌細胞結構，導致心臟收縮力減弱[10]。②心肌梗死后再灌注恢復血流時，由于黃嘌呤氧化酶和NADPH氧化酶的激活、線粒體膜通透性轉換孔（MPTP）開放等緣故，使ROS增多[11]。用少量的ROS對心臟進行預處理可對心肌組織產生保護作用，但是I/R過程中產生的過量ROS會對心肌細胞產生嚴重的損傷并擴大心肌梗死面積。③再灌注時心肌細胞內生理pH的迅速恢復和鈣離子超載破壞了線粒體結構的穩定性，使線粒體功能受損，造成心肌細胞的不可逆性損害。④蛋白激酶、Beclin1蛋白等物質在缺血再灌注時表達上調并介導自噬的發生。自噬在I/R中可以通過清除功能受損的細胞器和蛋白酶體維持細胞穩態，避免心肌進一步的損傷，但自噬的長期激活會誘導心肌細胞發生自噬性細胞死亡，加重心肌損傷[12]。

三、SIRT3與MIRI

既往對SIRT3的研究主要集中在腫瘤領域。隨著研究的進展發現，SIRT3也具有心臟保護作用，特別是在MIRI領域。Du等[13]發現，SIRT3能通過降低ROS和乳酸脫氫酶（LDH）水平來減輕I/R誘導的心肌損傷。Porter等[14]研究發現，SIRT3的減少可能增加心臟對MIRI的易感性，加重心肌組織的I/R損傷，且這種作用可能隨著年齡的增長而增強。然而，Koentges等[15]的研究認為，SIRT3的缺乏并不會對I/R后的心臟造成額外的損害。這與目前大多數的研究結論是相悖的，可能的原因是SIRT3對心臟的保護作用具有年齡相關性，而Koentges等[15]的研究使用的小鼠模型年齡較其他學者的研究所使用的模型更為年輕導致實驗結果的不同。關于SIRT3在MIRI中的作用機制尚未研究透徹，但大部分的研究均顯示了SIRT3對I/R誘導的心臟損傷有著保護作用，這種作用可能與氧化應激、線粒體損傷及自噬有關，提示SIRT3可能成為MIRI治療的新靶點。

1.? SIRT3與氧化應激

SIRT3對MIRI的心臟保護作用與SOD2有關。SOD2是催化超氧化物自由基發生歧化反應分解為普通氧分子或過氧化氫的SOD中的一員，主要位于線粒體內，在其反應中心中含有錳，是人體內重要的抗氧化劑，通過抑制ROS的生成來抑制MIRI中的氧化應激反應。Quinones等[16]通過對比冬眠松鼠及I/R大鼠心肌蛋白質組的表達發現，SIRT3可能是冬眠心肌對MIRI的保護作用的關鍵成分，且SIRT3在MIRI中上調了MnSOD的表達。Wang等[17]的研究發現，SIRT3抑制劑在I/R的心肌組織中能顯著增加乙酰化的SOD2，降低其活性，加重心肌細胞的損害，提示了SIRT3在MIRI中能通過使SOD2去乙酰化恢復活性從而阻止心肌細胞的損傷。SIRT3與NADPH氧化酶2（NOX2）的相關性可能是其在MIRI中心臟保護作用的關鍵。NOX2是NADPH氧化酶的亞型，在I/R期間高度表達并介導ROS的產生，從而介導氧化應激反應，誘導心肌細胞的損傷。Zhai等[18]通過對SIRT3在MIRI中的關系研究發現，SIRT3在MIRI中除了通過激活SOD2的活性來減輕氧化應激和細胞凋亡外，還能降低NOX2的表達。以上研究提示，SIRT3在MIRI中的保護可能與其對氧化應激反應的抑制作用有關。

2.? SIRT3與線粒體損傷

SIRT3主要定位于線粒體內，對維持線粒體功能及結構穩定性起著重要作用，因此推測SIRT3對MIRI的保護作用可能與線粒體有關。MPTP開放被認為是I/R中線粒體功能障礙發生的核心。心肌梗死后線粒體內的Ca2+超載和大量ROS的形成是MPTP開放的原因，MPTP的開放使線粒體膜通透性改變，破壞線粒體膜電位，解偶聯氧化磷酸化，導致ATP耗竭和細胞死亡。Parodi-Rullán等[19]研究發現，SIRT3的缺乏會加劇MIRI造成的心功能障礙，這種現象與MPTP的開放和ROS的生成增多有關。Bochaton等[20]的研究結論與Parodi-Rullán相同，并提出SIRT3在I/R過程中可能通過親環蛋白D（CyPD）的去乙酰化來抑制MPTP的開放。CyPD是具有肽酰基脯氨酰順反異構酶活性的親環蛋白家族的一員，主要位于線粒體內，具有調劑MPTP開放的功能。在Bochaton等[20]的研究中，I/R使乙酰化的CyPD增加，這種變化有利于MPTP的開放并導致心肌細胞死亡，增加SIRT3活性能使CyPD的乙酰化減弱并防止MIRI的發生。SIRT3在MIRI中保護線粒體的功能可能與AMPK-PGC-1α軸有關。Yu等（2017年）發現，AMPK-PGC-1α-SIRT3軸與褪黑素保護MIRI心肌組織線粒體功能的作用有密切關系。通過上調AMPK-PGC1α的信號傳導可以增加SIRT3的活性，并減少心肌線粒體在I/R期間的氧化應激損傷，改善MIRI。AMPK-PGC1的上調可以抑制I/R期間的炎癥反應，提示AMPK-PGC-1α-SIRT3軸可能成為MIRI新的治療靶點。值得注意的是，有研究提出SIRT3在線粒體外的模型可以通過去乙酰化AMPK及PGC1的上游物質，來提高APMK及PGC-1α的表達。但Yu等（2017年）的實驗給予SIRT3抑制劑后并未檢測到AMPK和PGC-1α蛋白水平的變化。目前關于AMPK-PGC1α軸與SIRT3在MIRI線粒體中具體的關聯及作用機制還有待進一步研究。因此，SIRT3可能通過對I/R誘導的線粒體損傷的保護來抑制MIRI的發展。

3.? SIRT3與自噬

在I/R條件下，心肌細胞通過自噬來選擇性地隔離、分解某些細胞器，如線粒體、過氧化物酶體等，以此維持細胞能量水平來促進細胞的存活。心肌缺血可以誘導自噬的發生，并通過恢復血流灌注進一步增強。目前的研究認為自噬在心肌MIRI中表現出兩面性，在心肌缺血階段，自噬為心肌提供了保護作用，而在I/R階段，自噬的過度激活可能誘導細胞死亡。近期的實驗研究表明，SIRT3在I/R中與自噬表現出一定的關聯性。Das等（2014年）研究發現，SIRT3能上調Foxo3a-Pink1-Parkin信號傳導來激活線粒體自噬，減少I/R誘導的心肌損傷。I/R期間受損的線粒體因功能紊亂而產生過量的ROS，這個過程還會激活線粒體自噬。但也有實驗提出了SIRT3對細胞自噬的影響在保護I/R期間心功能方面并不都是有益的。Wei等（2013年）研究表明，SIRT3通過介導乙醛脫氫酶（ALDH2）去乙酰化抑制了ALDH2的活性，降低了ALDH2對I/R的保護作用。ALDH2是乙醛脫氫酶家族中的一員，具有抗氧化應激作用。I/R期間，ALDH2通過乙酰化來增強其活性。在心肌缺血階段，ALDH2激活AMPK以抑制mTOR，有利于自噬。在再灌注階段AMPK不再活化，ALDH2通過Akt磷酸化激活mTOR，從而導致自噬的抑制，表明ALDH2對I/R誘發的心肌損傷具有保護作用。而SIRT3的去乙酰化作用，能使ALDH2的乙酰化程度降低，從而降低了其對自噬的調控作用。上述研究表明，SIRT3通過調控自噬來參與I/R的發展，但SIRT3與自噬的具體聯系尚不清楚，未來還需要更多的實驗研究來探索。

四、結 語

恢復缺血心肌的血流，是目前治療心肌梗死的主要手段，避免MIRI的發生，是改善心肌梗死患者預后的重點。大量的研究表明，SIRT3可以通過多種途徑在MIRI中發揮保護心臟的功能，并可能是MIRI的新治療靶點。如何將SIRT3運用在MIRI的臨床治療上，還有待于相關研究的進一步深入展開。

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（收稿日期：2018-10-10）

（本文編輯：楊江瑜）