沉默調節蛋白4在肝臟疾病發生發展中的作用

謝 黎， 張寧萍， 吳 健,

1 復旦大學基礎醫學院 病原生物學系， 上海 200032； 2 復旦大學附屬中山醫院 消化科，上海 200032； 3 上海市肝病研究所， 上海 200032

沉默調節蛋白(Sirtuin, SIRT)家族是一高度保守的組蛋白去乙酰化酶類，依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)，由7個家族成員(SIRT 1～7)組成，多數兼具去乙酰基酶活性和ADP-核糖轉移酶活性。該家族酶調節一系列生物過程，包括轉錄、細胞周期、應激、代謝、衰老、凋亡及基因組穩定等。SIRT-4主要定位于線粒體，廣泛存在于胰臟、睪丸、腎臟、肝臟和肌肉等組織。除了具有去乙酰基酶和ADP-核糖轉移酶活性外，SIRT-4還發揮依賴NAD+蛋白脂酰胺酶和脫酰酶活性。因其功能多樣，在某特定組織和細胞由其作用底物不同而發揮不一樣的酶活性。

線粒體代謝異常和氧化應激是誘導肝臟損傷的主要病理機制。線粒體作為細胞代謝中樞參與體內多個重要生化過程，包括三羧酸循環、脂肪酸β-氧化和氧化磷酸化，對維持機體正常代謝起關鍵作用。線粒體蛋白多數需經不同程度的翻譯后修飾來維持其正常功能。而SIRT-4通過改變底物的翻譯后修飾調節線粒體蛋白功能，影響機體代謝。

1 SIRT-4結構

SIRT家族具有相似的分子結構：由275個氨基酸組成的保守催化核心及特異性的N端和C端結構域，后者有助于發揮調控作用及細胞亞結構定位。其催化核心由兩個高度保守、大小不等的結構域構成，其中大結構域主要呈現Rossmann折疊，小結構域含一個鋅指結構，后者對催化位點結構穩定性起關鍵作用。大小結構域通過4個連接環組合在一起，構成NAD+分子與乙酰化賴氨酸殘基結合區，催化賴氨酸殘基去乙酰化反應[1]。而在SIRT-4中，該催化核心沒有C端結構域，只有約28個殘基的N端延伸，作為線粒體定位序列[2]。總之，SIRT-4催化核心二級結構高度保守，推測其為α-螺旋，具有促進戊二酰基、甲基戊二酰基、羥甲基戊二酰基、3-甲基戊二酰基等基團的賴氨酸去修飾作用，影響亮氨酸代謝[3](圖1)。

圖1SIRT-4結構示意圖[4]

2 SIRT-4的酶活性

SIRT-4位于線粒體內，最初認為它是作用于谷氨酸脫氫酶(GDH)的ADP -核糖轉移酶[5-6]。然而，因其酶活性較弱受到質疑，可能不具有生理學意義[7]。隨后發現SIRT-4具有去乙酰基酶活性，其底物為丙二酰輔酶A脫羧酶(MCD)、 過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)α、線粒體功能蛋白-α亞基(MTP-α)、腺嘌呤核苷酸轉運蛋白2(ANT2)、依賴AMP蛋白激酶(AMPK)等[8]。但有研究[9-10]表明，SIRT-4對二羧基、酰基修飾無去酰化作用，不能有效地去除長鏈酰基修飾[9,11]。此外，SIRT-4可以作用于二硫辛酰胺轉乙酰基酶(DLAT)，發揮脂酰胺酶活性[12]。SIRT-4還具有脫酰酶活性，作用于甲基巴豆酰輔酶A羧化酶復合物 (MCCC)，控制亮氨酸代謝和胰島素分泌[3]。總之，SIRT-4存在多種酶活性，參與體內多個代謝調節，但主要的酶功能尚無定論。

3 SIRT-4與肝臟疾病的關系

3.1 SIRT-4與病毒性肝炎 HBV是世界范圍內一個主要的公共衛生問題，特別是在我國，雖然HBV的感染率下降，但目前仍有約10%的成年人慢性感染HBV，導致肝癌和其他嚴重肝病的風險較高。現有資料[13]顯示，包括SIRT-4在內的全部SIRT家族成員均對HBV轉錄具有正向調節作用，但SIRT-4在病毒性肝炎發展過程中的相關研究較少，其具體機制和直接證據匱乏，值得深入探討。

3.2 SIRT-4與非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)

NAFLD的發病機制尚未完全闡明，其主要病理特征表現為肝細胞脂肪變性及脂肪堆積，而脂質代謝紊亂是NAFLD進展的關鍵。線粒體異常是非酒精性脂肪性肝炎肝細胞病變的特征之一[14]。由于SIRT-4對胰島素及脂質代謝穩態、線粒體能量代謝等具有重要意義，同時SIRT-4在NAFLD肝組織中表達異常增加[15-16]，而其他SIRT家族成員，SIRT-1、3、5、6的蛋白及mRNA表達水平明顯減少[16]，故推測SIRT-4可能影響NAFLD進展。

3.2.1 SIRT-4通過調節胰島素分泌影響NAFLD發展 NAFLD患者常伴發胰島素抵抗[17]。反之，胰島素抵抗加重脂質代謝紊亂，繼而參與NAFLD發生。GDH是調節胰島素分泌的關鍵酶。SIRT-4作為ADP-核糖轉移酶作用于GDH，降低其活性，抑制谷氨酰胺代謝，影響線粒體ATP的產生，最終抑制胰島β細胞分泌胰島素。而SIRT-4敲低后，由葡萄糖和氨基酸刺激胰島素分泌的效應會增加[5]。另有研究[3]證明，SIRT-4通過調節亮氨酸代謝影響胰島素分泌，引起糖耐量和胰島素抵抗。亮氨酸氧化促進SIRT-4對MCCC的脫酰酶活性，抑制胰島素分泌；相反，抑制亮氨酸氧化可以變構激活GDH，谷氨酰胺合成增加，刺激胰島素分泌。研究[3]證實，SIRT-4敲除小鼠7個月即可形成胰島素抵抗。此外，SIRT-4還可作用于胰島素降解酶、ADP/ATP載體蛋白(ANT2/ANT3)等，調節胰島素分泌[6]。因此，SIRT-4通過調節不同組織的代謝影響胰島素敏感性。SIRT-4缺失引起的胰島素抵抗會加速脂質降解，大量游離脂肪酸進入肝臟線粒體進行β氧化，導致線粒體內氧化應激，不能處理過多的脂肪酸，從而造成其在肝細胞內堆積，加重肝細胞損傷，促進NAFLD發展。

3.2.2 SIRT-4通過調節脂質穩態影響NAFLD發展 脂質代謝紊亂是NAFLD發生及進展的重要特征。β氧化是脂肪酸分解代謝的主導過程。線粒體MTP-α具有烯酰輔酶A水合酶及L-3-羥基酰基-輔酶A脫氫酶活性，分別介導β氧化的第二、三步反應。研究[18]發現，SIRT-4可使MTP-α去乙酰化而失活，脂肪酸氧化減少，促進NAFLD進展。相反，高脂高糖喂食SIRT-4敲除小鼠肝臟脂肪變性比野生鼠減輕。另有研究[8]證實，SIRT-4使MCD去乙酰化而失活，促進丙二酰輔酶A的表達，抑制肉毒堿棕櫚酰轉移酶1，從而促進脂質合成，抑制脂肪酸氧化。在肝臟，SIRT-4還影響PPARα的表達，后者影響參與脂肪酸分解代謝相關下游基因的表達[19]。此外，SIRT-4作為脂酰胺酶調節丙酮酸脫氫酶復合物活性，其底物是E2組分DLAT，SIRT-4通過介導DLAT脂酰化水平和丙酮酸脫氫酶活性調節脂肪酸氧化[12]。因此，SIRT-4通過抑制脂肪酸氧化，促進脂質合成影響脂質代謝穩態，促進NAFLD進展。

3.3 SIRT-4與肝纖維化 肝纖維化是對各種慢性損傷的修復應答，其主要病理過程為細胞外基質(ECM)在肝臟內過多沉積。肝星狀細胞(HSC)在肝纖維化形成過程中居核心地位，促使ECM合成增加與降解減少，導致纖維結締組織肝內過度沉積而形成不同程度的纖維化，甚至進展為肝硬化。研究[15]發現，在紫外線β或γ射線照射后，真皮組織成纖維細胞內SIRT-4表達增加，提示SIRT-4參與皮膚結締組織沉著過程。活性氧自由基(ROS)可直接激活HSC，促進ECM合成，而脂質過氧化產物亦可促進HSC合成膠原，在肝纖維化形成過程中起重要作用。錳超氧歧化酶(MnSOD)可以保護細胞免受過氧化損傷，MnSOD催化超氧自由基產生過氧化氫(H2O2)，H2O2隨后被過氧化氫酶轉化為H2O，以避免過多ROS在線粒體中積累。SIRT-4通過抑制MnSOD與SIRT-3結合，增加MnSOD乙酰化水平，降低其活性，導致ROS累積[14]。此外，SIRT-4可作用于線粒體融合調控蛋白影響線粒體膜電位，促使線粒體ROS的產生[20]。因此，SIRT-4可經不同途徑增加ROS，進而激活HSC，促進ECM合成和肝纖維化發展。但目前相關研究較少，其具體機制和直接證據匱乏。

3.4 SIRT-4與肝細胞癌(HCC) HCC是消化系統最常見的實體惡性腫瘤之一，侵襲性強，死亡率高。很多研究證實SIRT家族與HCC密切相關。其中，SIRT-1和SIRT-2在HCC中表達水平尚存在爭議[21-23]，SIRT-3下調與SIRT-5上調提示HCC患者的臨床預后較差[24-25]，SIRT-6高表達可能影響HCC轉移[26]。HCC細胞通過糖酵解來維持代謝和生長。SIRT-4作為調節線粒體內翻譯后修飾酶，調節谷氨酰胺和脂肪酸代謝，影響HCC糖脂代謝。研究[27]發現，人HCC組織中SIRT-4表達降低，其機制為組蛋白賴氨酸甲基轉移酶SET8與Kruppel樣因子4結合并失活，抑制其下游SIRT-4表達，影響丙酮酸脫氫酶復合物活性，葡萄糖代謝從線粒體氧化磷酸化轉變為糖酵解，促進HCC的生長。相反地，SIRT-4高表達不僅可以抑制糖酵解關鍵基因的表達導致糖酵解受損，還可抑制腫瘤細胞的增殖和遷移[27]。此外，SIRT-4通過抑制谷氨酰胺代謝，增加ADP/ AMP水平，影響肝激酶B1介導的AMPK-α磷酸化，阻斷mTOR信號傳導途徑，阻止HCC的進展[28]。總之，SIRT-4對HCC發生、侵襲、轉移及耐藥等環節還缺乏系統研究。

4 結語

肝臟中線粒體數量眾多，SIRT-4蛋白定位于線粒體，通過去乙酰基酶、ADP-核糖轉移酶、依賴NAD+蛋白脂酰胺酶和脫酰酶等多種酶活性參與肝臟的多種代謝功能。因此與多種肝臟疾病相關，在不同疾病類型中SIRT家族成員蛋白表達水平也存在差異(表1)。因其催化功能的多樣性，在不同組織及細胞中的功能不盡相同。表2總結了SIRT-4在不同組織中的分布及作用。SIRT-4還與其他多種代謝性疾病關系密切，如2型糖尿病[34]、小細胞肺癌、胃癌、乳腺癌和白血病等惡性腫瘤[35]。癲癇、創傷性腦損傷和肌萎縮側索硬化等神經疾病也與SIRT-4有關[36]。但SIRT-4與肝臟或其他系統疾病研究尚在起步階段，需要深入探討SIRT-4在疾病發生和進展中的具體作用機制，以期尋找新的疾病干預靶點。

表1 肝臟疾病中SIRT家族成員蛋白表達變化

注：“-”表示暫無相關研究。

表2 SIRT-4的組織分布與基本功能

注：PGC-1α，過氧化物酶體增殖激活受體共激活因子1α。