SIRT3與神經(jīng)系統(tǒng)疾病關(guān)系的研究進(jìn)展

王鯤宇，苗 妍綜述，戚曉昆審校

沉默信息調(diào)節(jié)因子(sirtuin)家族是一組高度保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)依賴的蛋白質(zhì)去乙酰化酶，目前已鑒定出7種哺乳動(dòng)物sirtuin家族成員，即sirtuin 1-7(SIRT1-7)[1]。SIRT3主要分布于代謝旺盛的器官及組織中，如腦、心臟、肝臟和棕色脂肪組織等。雖然關(guān)于SIRT3的亞細(xì)胞定位仍存在爭(zhēng)議，但主流觀點(diǎn)認(rèn)為細(xì)胞核內(nèi)合成的無酶活性長(zhǎng)鏈型SIRT3在應(yīng)激條件下轉(zhuǎn)移至線粒體內(nèi)，經(jīng)酶切后形成有酶活性的短鏈型SIRT3，定位于線粒體中[2]。SIRT3因在能量代謝和氧化應(yīng)激過程中發(fā)揮重要作用而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3]。神經(jīng)系統(tǒng)代謝水平高且?guī)缀鯚o能量?jī)?chǔ)備，因此神經(jīng)系統(tǒng)疾病涉及不同程度的線粒體功能障礙。研究發(fā)現(xiàn)，SIRT3與多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。本文將就SIRT3與神經(jīng)退行性疾病、腦卒中、癲癇和年齡相關(guān)性聽力損失關(guān)系的研究進(jìn)展予以綜述。

1 SIRT3與神經(jīng)退行性疾病

1.1 SIRT3與阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD) AD是老年人群中最常見的神經(jīng)退行性疾病，以進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙和行為損害為特征，其典型的組織病理學(xué)改變是以β-淀粉樣蛋白(β-amyloid，Aβ)為核心的神經(jīng)炎性斑沉積、tau蛋白過度磷酸化引起的神經(jīng)原纖維纏結(jié)以及神經(jīng)元丟失[4]。淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein，APP)基因、早老素1(presenilin 1，PS1)和早老素2(presenilin 2，PS2)基因是家族性AD最常見的責(zé)任基因。在APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠大腦皮質(zhì)中，sirt3的轉(zhuǎn)錄和翻譯水平均較野生型小鼠下降[4]。而APP/PS1轉(zhuǎn)基因小鼠經(jīng)長(zhǎng)期跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后，認(rèn)知功能可得到改善，海馬Aβ減少，多種線粒體抗氧化酶和參與線粒體DNA(mtDNA)損傷修復(fù)的8-氧代鳥嘌呤DNA糖基化酶活性增高。同時(shí)，訓(xùn)練也通過增強(qiáng)電子傳遞鏈(electron transport chain，ETC)復(fù)合體I、復(fù)合體IV和ATP合酶的活性改善線粒體呼吸功能，減少活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生和mtDNA氧化應(yīng)激損傷。這些神經(jīng)保護(hù)作用均與長(zhǎng)期跑臺(tái)訓(xùn)練提高海馬SIRT3表達(dá)水平有關(guān)[5]。Yin等[6]進(jìn)一步證實(shí)，APP轉(zhuǎn)基因小鼠大腦皮質(zhì)SIRT3表達(dá)水平和活性降低，并于體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)外源性Aβ同樣可誘導(dǎo)海馬HT22細(xì)胞SIRT3表達(dá)水平和活性降低，而提高SIRT3的表達(dá)水平能夠緩解Aβ的神經(jīng)毒性作用。Yin等[7]通過對(duì)AD患者和非AD患者尸檢結(jié)果的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，AD患者內(nèi)嗅皮質(zhì)、顳中回和額上回sirt3轉(zhuǎn)錄和翻譯水平降低，且低水平SIRT3與AD患者認(rèn)知功能障礙和tau蛋白的病理性積累關(guān)系密切。有資料顯示，神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子垂體腺苷酸環(huán)化酶激活肽能夠誘導(dǎo)SIRT3表達(dá)，對(duì)Aβ引起的神經(jīng)元毒性產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)作用。敲減sirt3后，垂體腺苷酸環(huán)化酶激活肽的保護(hù)作用受到明顯抑制。此外，垂體腺苷酸環(huán)化酶激活肽在AD患者和PS1/APP/Tau轉(zhuǎn)基因小鼠腦組織中表達(dá)量皆下降，與Aβ和tau蛋白的表達(dá)量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]。以上研究提示，SIRT3可能在AD中發(fā)揮重要作用。令人欣慰的是，和厚樸酚對(duì)于提高AD體內(nèi)外模型的SIRT3水平表現(xiàn)出積極的作用，這將為AD的治療帶來新的希望[9]。

1.2 SIRT3與帕金森病(Parkinson’s disease，PD) PD是第二大神經(jīng)退行性疾病，其主要運(yùn)動(dòng)癥狀肌強(qiáng)直和運(yùn)動(dòng)遲緩與黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元大量變性丟失關(guān)系密切[10]。越來越多的證據(jù)顯示，線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激是PD發(fā)病的重要原因，SIRT3作為線粒體內(nèi)具有調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激功能的蛋白酶有可能參與到PD的病程中[11]。研究表明，SIRT3的缺失可導(dǎo)致PD模型小鼠黑質(zhì)紋狀體多巴胺能神經(jīng)元缺失及超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2，SOD2)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)表達(dá)水平降低現(xiàn)象進(jìn)一步加重[12]，而過表達(dá)SIRT3則可減緩PD模型大鼠的病理進(jìn)展，改善其行為學(xué)異常，提高紋狀體多巴胺水平，保護(hù)黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元[13]。另外有研究進(jìn)一步證實(shí)，sirt3敲除PD模型小鼠黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元SOD2乙酰化水平增高，酶活性下降，氧化應(yīng)激增強(qiáng)，退行神經(jīng)元增多，并且該現(xiàn)象于PD患者中得到驗(yàn)證[10]。體外研究中，Cui等[14]發(fā)現(xiàn)MPP+能夠減低人神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞SIRT3的表達(dá)，并減低線粒體檸檬酸合成酶和異檸檬酸脫氫酶2(isocitrate dehydrogenase，IDH2)的酶活性和表達(dá)水平，過表達(dá)SIRT3可通過對(duì)檸檬酸合成酶和IDH2的去乙酰化提高其酶活性，維持線粒體代謝功能的完整性，抵抗MPP+的神經(jīng)毒性。也有類似研究[15]驗(yàn)證了SIRT3對(duì)PD體外模型有神經(jīng)保護(hù)作用。Zhang等[16]發(fā)現(xiàn)SIRT3通過PGC-1α-ERRα-SIRT3通路對(duì)PD體內(nèi)外模型高乙酰化水平的SOD2和ATP合酶β進(jìn)行去乙酰化修飾而發(fā)揮對(duì)多巴胺能神經(jīng)元的保護(hù)作用。

1.3 SIRT3與亨廷頓病(Huntington’s disease，HD) HD是一種常染色體顯性遺傳的神經(jīng)退行性疾病，以進(jìn)行性加重的錐體外系癥狀和認(rèn)知功能障礙為主要臨床表現(xiàn)[17]。由于編碼亨廷頓蛋白(Huntingtin，Htt)的基因突變，CAG三核苷酸重復(fù)序列過度擴(kuò)增，含有多聚谷氨酰胺的異常Htt形成，導(dǎo)致以皮質(zhì)和紋狀體神經(jīng)元為主的線粒體功能障礙[18]。目前針對(duì)該病尚無有效的治療措施。Fu等[17]的研究成果為HD的治療提供了新的線索，他們發(fā)現(xiàn)反式葡萄素可對(duì)多種細(xì)胞的HD模型產(chǎn)生神經(jīng)保護(hù)作用。在含有異常Htt的神經(jīng)細(xì)胞中，SIRT3表達(dá)水平顯著下降，而反式葡萄素可以維持HD細(xì)胞中SIRT3的表達(dá)，SIRT3通過對(duì)下游分子LKB1的去乙酰化修飾激活A(yù)MPK，增強(qiáng)PGC-1α的表達(dá)，促進(jìn)線粒體的生物發(fā)生。同時(shí)，反式葡萄素通過提高SIRT3的水平，激活SOD2，緩解HD細(xì)胞內(nèi)ROS的聚積[17]。近期，Yang等[19]利用3-硝基丙酸誘導(dǎo)的HD小鼠模型，發(fā)現(xiàn)sirt3敲除小鼠與野生型小鼠相比，紋狀體神經(jīng)元更易受到3-硝基丙酸的毒性作用，進(jìn)一步說明SIRT3可能是治療HD的關(guān)鍵靶點(diǎn)。

1.4 SIRT3與肌萎縮側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS) ALS是一種以慢性進(jìn)行性上、下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元變性丟失為特征的神經(jīng)退行性疾病，其發(fā)病與氧化損傷、興奮性毒性、炎癥、線粒體功能障礙等多種因素有關(guān)[20]。大多數(shù)ALS患者為散發(fā)型，約有10%的患者為家族型，其中以超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)基因發(fā)生突變最為常見[21]。SIRT3能夠在一定程度上恢復(fù)sod1突變引起的神經(jīng)元線粒體碎片化和雙向軸漿運(yùn)輸障礙，減少神經(jīng)元的死亡[21]。除神經(jīng)元外，星形膠質(zhì)細(xì)胞在ALS的發(fā)生進(jìn)展過程中也起著重要作用。已有研究表明，將sod1突變小鼠的原代星形膠質(zhì)細(xì)胞與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元共培養(yǎng)可誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元死亡[22]。然而，過表達(dá)SIRT3的sod1突變星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的毒性作用明顯減弱，說明SIRT3能夠有效拮抗sod1突變星形膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損害，為ALS的治療提供了新的思考方向[23]。

2 SIRT3與腦卒中

2.1 SIRT3與缺血性腦卒中 缺血性腦卒中是由腦血流供應(yīng)中斷導(dǎo)致腦組織氧糖不足而引起的，其較高的致死率和致殘率使之成為威脅人類生命和健康的重大疾病之一。臨床上治療缺血性腦卒中的首要目標(biāo)是盡早恢復(fù)腦組織的血流供應(yīng)，但隨之而來的缺血再灌注損傷又成為亟待解決的問題。研究顯示，線粒體功能障礙在腦缺血和缺血再灌注損傷中扮演重要角色[24]。SIRT3對(duì)腦梗死后腦組織神經(jīng)和血管的再生以及神經(jīng)功能的恢復(fù)有著積極的作用，其作用機(jī)制可能與VEGF、AKT、ERK相關(guān)信號(hào)通路有關(guān)，而與JNK和P38無關(guān)[25]。Yin等[26]對(duì)大腦中動(dòng)脈阻斷小鼠注射乙酰乙酸和β-羥基丁酸進(jìn)行干預(yù)，發(fā)現(xiàn)二者能夠通過SIRT3-FoxO3a-SOD2通路抑制氧化應(yīng)激，改善受損的神經(jīng)功能。也有研究表明，梗死腦區(qū)sirt3轉(zhuǎn)錄和翻譯受到腦缺血再灌注損傷的抑制，提高SIRT3的表達(dá)水平可通過激活Wnt-β-catenin通路減少線粒體分裂、ROS累積和神經(jīng)元凋亡，縮小腦梗死面積[27]。細(xì)胞氧糖剝奪(oxygen-glucose deprivation，OGD)和氧糖剝奪復(fù)氧(oxygen-glucose deprivation and reoxygenation，OGD/R)模型是研究缺血性腦卒中和缺血再灌注損傷的常見體外模型。Xie等[28]報(bào)道，羊毛硫氨酸合酶C樣蛋白1能夠抑制OGD造成的海馬HT22細(xì)胞線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激損傷，進(jìn)而減少細(xì)胞凋亡，其主要通過AKT-PGC-1α-SIRT3通路激活依賴SIRT3的抗氧化酶而發(fā)揮作用。通過使用淫羊藿次苷II干預(yù)PC12細(xì)胞OGD/R模型，F(xiàn)eng等[29]指出淫羊藿次苷II可通過提高SIRT3和IDH2的表達(dá)水平緩解OGD/R造成的PC12細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷。血腦屏障結(jié)構(gòu)和功能的完整性對(duì)維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常生理狀態(tài)意義重大，Chen等[30]以人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)體系的OGD模型研究腦缺血后SIRT1和SIRT3對(duì)血腦屏障通透性的影響。他們發(fā)現(xiàn)SIRT1會(huì)加重OGD誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，增大血腦屏障的通透性，而SIRT3的作用則恰好相反，并且SIRT1通過對(duì)AMPK-PGC1通路的抑制作用進(jìn)而抑制SIRT3的表達(dá)。腦梗死不僅會(huì)引起大量神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞死亡，也會(huì)造成星形膠質(zhì)細(xì)胞激活，形成膠質(zhì)瘢痕，阻礙神經(jīng)元軸突的再生，導(dǎo)致腦組織修復(fù)受阻。小分子合成藥物Adjudin可上調(diào)SIRT3-FoxO3a通路并下調(diào)SIRT3-Notch1通路，抑制腦梗死后星形膠質(zhì)細(xì)胞激活和膠質(zhì)瘢痕形成，促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)[31]。近年來，神經(jīng)干細(xì)胞移植對(duì)腦梗死的治療作用成為研究熱點(diǎn)，而移植后神經(jīng)干細(xì)胞本身的凋亡問題始終困擾著研究者。Jiang等[32]發(fā)現(xiàn)，SIRT3可抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化誘導(dǎo)的神經(jīng)干細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷，增加神經(jīng)干細(xì)胞的存活率。

雖然上述研究結(jié)果均提示，SIRT3對(duì)缺血性腦卒中具有多方面的神經(jīng)保護(hù)作用，但目前針對(duì)該觀點(diǎn)仍存在爭(zhēng)議。Novgorodov等[33]認(rèn)為，腦缺血再灌注損傷后SIRT3也能夠促進(jìn)神經(jīng)酰胺的產(chǎn)生，造成ETC功能障礙和ROS蓄積，加重?fù)p傷。關(guān)于SIRT3與缺血性腦卒中的關(guān)系仍需要更多的研究與探索。

2.2 SIRT3與出血性腦卒中 出血性腦卒中主要包括蛛網(wǎng)膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)和腦出血。相較于缺血性腦卒中而言，目前關(guān)于SIRT3與出血性腦卒中相關(guān)性的研究較少。Huang等[34]報(bào)道SAH模型大鼠大腦皮質(zhì)sirt3轉(zhuǎn)錄和翻譯水平明顯下降。有學(xué)者通過研究亞低溫對(duì)SAH模型大鼠的影響，發(fā)現(xiàn)亞低溫干預(yù)能夠緩解SAH對(duì)大鼠腦組織sirt3轉(zhuǎn)錄和翻譯的抑制，增強(qiáng)SOD2、GSH-Px和過氧化氫酶的活性，增強(qiáng)線粒體能量代謝及ROS清除能力，從而提高腦組織對(duì)SAH的耐受力[35]。此外，Yang等[36]和Zhang等[37]的研究結(jié)果表明，褪黑素和葛根素皆可改善SAH模型小鼠神經(jīng)功能，減輕腦水腫，減少大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的凋亡，其保護(hù)作用可能與二者上調(diào)大腦皮質(zhì)SIRT3表達(dá)水平進(jìn)而激活SOD2有關(guān)。Zheng等[38]研究了糖尿病大鼠腦出血對(duì)SIRT3的影響，結(jié)果顯示血腫周圍腦組織SIRT3蛋白含量降低，并且與非糖尿病大鼠腦出血相比，SIRT3蛋白含量更低，腦組織受損更嚴(yán)重。和厚樸酚能夠通過SIRT3-SOD2通路和SIRT3-NRF1-TFAM通路清除ROS，提高ATP水平，保護(hù)糖尿病大鼠因腦出血受損的腦組織。sirt3敲減后，和厚樸酚的神經(jīng)保護(hù)作用明顯減弱。同時(shí)，由于ROS能夠激活炎癥小體NLRP3，誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥，和厚樸酚也通過SIRT3-SOD2通路清除ROS從而抑制了NLRP3引起的神經(jīng)炎癥反應(yīng)。

3 SIRT3與癲癇

癲癇是一組不同病因?qū)е碌哪X部神經(jīng)元高度同步化異常放電所致的臨床綜合征，以發(fā)作性、短暫性、重復(fù)性和刻板性為特征。腦部神經(jīng)元在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物癲癇模型中大量死亡，以海馬最為顯著。癲癇持續(xù)狀態(tài)(status epilepticus，SE)是神經(jīng)科常見的急癥，其發(fā)作時(shí)間異常延長(zhǎng)，在發(fā)作期間有大量ROS產(chǎn)生，導(dǎo)致氧化應(yīng)激相關(guān)性神經(jīng)元死亡[39]。Cho等[40]的研究結(jié)果表明，SIRT3可通過激活SOD2緩解SE引起的海馬神經(jīng)元氧化應(yīng)激損害。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)SE發(fā)作初期，海馬神經(jīng)元線粒體內(nèi)SIRT3一過性增高，發(fā)揮作用后重新回到細(xì)胞核內(nèi)，說明SIRT3通過SOD2發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用可能受其細(xì)胞定位的影響[40]。Gano等[41]通過紅藻氨酸誘導(dǎo)的大鼠顳葉癲癇模型同樣發(fā)現(xiàn)了模型大鼠海馬SIRT3表達(dá)水平先升后降的趨勢(shì)，致使SOD2、IDH2和ETC復(fù)合體I乙酰化水平增高，導(dǎo)致細(xì)胞ROS清除和能量供應(yīng)功能障礙。而且，sirt3敲除小鼠與野生型小鼠相比，紅藻氨酸引發(fā)的海馬神經(jīng)元死亡現(xiàn)象更加顯著[19]。因此，SIRT3可能成為治療癲癇的有效靶點(diǎn)。

4 SIRT3與年齡相關(guān)性聽力損失(age-related hearing loss，AHL)

AHL是老年人群中最常見的感覺系統(tǒng)疾病，由內(nèi)耳耳蝸螺旋神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元和感覺毛細(xì)胞的進(jìn)行性丟失引起。當(dāng)前，氧化應(yīng)激被認(rèn)為是AHL發(fā)病的關(guān)鍵因素[42]。Someya等[42]采用熱量限制的方式干預(yù)AHL小鼠，實(shí)驗(yàn)表明熱量限制能夠拮抗氧化應(yīng)激損害，保護(hù)耳蝸神經(jīng)元，預(yù)防或減緩野生型小鼠AHL的發(fā)生，但對(duì)sirt3敲除小鼠卻無效。除純音聽力減退外，對(duì)言語(yǔ)的識(shí)別率降低是AHL的另一特點(diǎn)，這與聽皮質(zhì)受損有關(guān)。Zeng等[43]利用D-半乳糖誘導(dǎo)大鼠聽皮質(zhì)早衰，發(fā)現(xiàn)早衰聽皮質(zhì)中SIRT3表達(dá)下降，導(dǎo)致SOD2抗氧化活性下降，mtDNA因受到過氧化損傷發(fā)生缺失突變，造成聽皮質(zhì)細(xì)胞死亡。目前關(guān)于AHL的治療主要集中在對(duì)外周功能障礙的改善，提高中樞SIRT3的表達(dá)是一個(gè)值得研究的方向。

5 小 結(jié)

自sirtuin家族發(fā)現(xiàn)以來，對(duì)sirtuin家族的研究主要集中在SIRT1。然而，隨著近年來逐漸重視對(duì)SIRT3的研究，越來越多的研究成果證明SIRT3因調(diào)節(jié)能量代謝和氧化應(yīng)激的特性而在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中表現(xiàn)出獨(dú)特的作用和潛力。盡管人們對(duì)SIRT3與神經(jīng)系統(tǒng)疾病關(guān)系的研究取得了一定的成果，但是仍有大量存在爭(zhēng)議的問題亟待解決，其發(fā)揮作用更深入的分子機(jī)制仍有待進(jìn)一步探索，進(jìn)而為SIRT3作為治療相應(yīng)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的靶點(diǎn)提供更充分的證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，尋找安全可靠的SIRT3激動(dòng)劑也是未來研究的重要方向。總之，基于目前的研究進(jìn)展，我們有理由相信，SIRT3有望為相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療帶來新的希望。