沉默信息調節因子2相關酶1與慢性阻塞性肺疾病關系的研究進展

韋燕琳 李梅華

(廣西醫科大學第一附屬醫院呼吸內科，廣西 南寧 530000)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是呼吸系統中的常見病和多發病，患病率和死亡率均居高不下，預計到2020年將成為全球第三大常見死亡原因。COPD最常見和最強的危險因素是吸煙，這導致了COPD的主要病理，包括肺氣腫(空腔擴大導致的肺泡壁破壞)、炎癥、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、細胞凋亡和氧化應激等。沉默信息調節因子(Sir)2相關酶(Sirt)1參與COPD的發病、發展過程，筆者前期做了許多關于COPD發病及防治機制的研究，目前Sirt1在COPD中受到了極大的關注，未來可能成為治療COPD的一項新的靶點。本文就Sirt1在COPD中作用，重點在于Sirt1如何調節炎癥反應、氧化應激、細胞衰老、自噬、凋亡。此外，本文還將討論Sirt1激活劑作為COPD治療中的潛在應用。

1 Sirt1的生物學特性

1986年，Ivy等〔1〕在研究酵母實驗的過程中發現了一種與細胞長壽有關的基因，隨后在果蟲和蠅的體內發現了這種基因，并命名為Sir2。Sirtuins是一類煙堿酰胺-腺嘌呤二核苷酸+(NAD+)依賴性的去乙酰化酶，因其與Sir2的同源性而被命名，均歸為第Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶(HDACs)。迄今為止，已有7個哺乳動物Sirtuin同源基因(Sirt)1～7被報道，它們位于不同的亞細胞區域，即細胞核(Sirt1、2、6和7)，細胞質(Sirt1和2)和線粒體(Sirt3、4和5)〔2,3〕。其中，由于Sirt1與Sir2同源性最高，是目前研究最廣泛的同源基因，它主要存在于細胞核與細胞質中。編碼Sirt1的基因位于10q21.3，長度為33 715 bp，9個外顯子編碼747個氨基酸，其中包括位于核心區域的275個脫乙酰氨基酸。Sirt1的去乙酰化酶結構域高度結構化，而N端和C端非常靈活。這種結構特征使其能夠提供更多的調控位點，如翻譯后修飾與配體和蛋白質的相互作用〔4,5〕。

Sirt1作為一類NDA+依賴性組蛋白去乙酰化酶，能催化NAD+依賴的去乙酰化和(或)腺苷二磷酸-核糖基化的目標蛋白，被認為在調節細胞代謝、細胞變性、細胞生長和細胞存活等細胞生理過程中發揮重要作用，已被證實可通過對多種底物的去乙酰化來調節包括炎癥、氧化應激、衰老、凋亡、自噬和基因轉錄在內的關鍵生物過程〔5～8〕。Sirt1的這些生理功能主要由組蛋白、轉錄因子或共激活因子〔如P53、叉頭盒O類(FOXO)、核因子(NF)-κB、過氧化物酶體增殖物激活受體γ-共激活因子(PGC)-1α和核蛋白ku70〕的去乙酰化介導而發揮作用〔9〕。

2 Sirt1在COPD中的作用

2.1Sirt1在COPD炎癥反應中的作用 炎癥反應是COPD關鍵的驅動因素。NF-κB是炎癥反應中一種極為關鍵的轉錄因子，在炎癥的發生、發展中具有極其重要的作用。當機體受到炎癥刺激時，會刺激NF-κB的轉錄進而引起炎癥因子的表達。Sirt1作為細胞內一種重要的HDACs，可以負性調節炎癥因子的釋放。Sirt1的遺傳缺失導致小鼠肺中性粒細胞浸潤的顯著增加，表明Sirt1調節肺部炎癥。在煙草煙霧(CS)誘導的氧化應激可下調小鼠及單核-巨噬細胞中Sirt1的表達，從而引起NF-κB乙酰化增加，并促進其分泌促炎因子白細胞介素(IL)-6、IL-8、腫瘤壞死因子(TNF)-ɑ等的釋放〔10,11〕。另外Sirt1活性的降低引起NF-κB的去乙酰化后可以導致基質金屬蛋白酶(MMP)9啟動子上NF-κB結合位點的組蛋白乙酰化增加，從而使COPD炎癥反應增強。數據顯示白藜蘆醇、紅霉素藥物干預可以抑制CS引起的Sirt1表達下調，刺激其活化與表達，進而抑制NF-κB的去乙酰化并減少促炎介質的釋放，達到干預肺部炎癥反應的作用〔11〕。此外，Sirt1還可以通過對FOXO3的脫乙酰化調節其活性從而減少機體的炎癥過程。最近研究表明，CS暴露下，FOXO3在COPD患者支氣管上皮細胞中的表達減少，其主要通過CS對降低Sirt1的表達和活性來介導的。同時，Sirt1/FOXO3軸的改變導致NF-κB的活化增加，引起趨化因子IL-8和CCL20的表達增加，進而增加的肺炎癥反應〔12〕。

2.2Sirt1在COPD氧化應激反應中的作用 氧化應激是機體細胞損傷的一個重要因素，當機體發生氧化應激時，體內的氧化與抗氧化的平衡遭到破壞，其產生的大量氧自由基可導致生物體細胞內的蛋白質氧化及細胞膜的脂質過氧化作用，從而影響機體正常的生理功能。Sirt1作為生物細胞內的一種去乙酰化酶，參與氧化與抗氧化基因的轉錄和修飾。

在COPD中，氧化應激被認為是持續炎癥(內源性成分)和慢性吸煙(外源性成分)的結果〔13〕。研究表明〔14〕在CS暴露下，機體氧化應激水平增加，活性氧(ROS)的水平升高，導致Sirt1表達下調，進而調控PGC-1ɑ的轉錄，從而引起脂質過氧化產物丙二醛(MDA)增加和抗氧化劑超氧化物歧化酶(SOD)降低，最終引起COPD肺組織的損傷。此外，Yao等〔15〕在Sirt1基因過表達的小鼠中發現，Sirt1基因的過表達同時會增加抗氧化基因的表達，包括錳超氧化物歧化酶(MnSOD)、血紅素氧化酶(HO)-1、醌氧化還原酶(NQO)-1；同時在使用Sirt1激活劑SRT1720處理的CS暴露下的FOXO3敲除小鼠及其野生型(WT)同窩小鼠中發現，在FOXO3-/-小鼠中，脂質過氧化物MDA和4-羥基壬烯醛(HNE)的表達沒有變化，相反在WT小鼠中，MDA和4-HNE的表達增加；此外SRT1720激活劑增加了WT小鼠中MnSOD、HO-1、NQO-1的表達，而在FOXO3-/-小鼠中沒有增加，這些數據表明Sirt1對CS引起的脂質過氧化的保護是通過FOXO3的調控進行的。在對氧化應激水平在COPD中的機制的深入研究中，Kato等〔16〕發現在患有重度COPD和煙草煙霧提取物培養的CD34+祖細胞中發現，在氧化應激條件下，Sirt1表達下調的同時p53乙酰化增加，而由p53調節的miR-34ɑ的表達也增加，從而引起細胞損傷加重，最終引起血管內皮祖細胞功能障礙，加重COPD。

2.3Sirt1在COPD衰老中的作用 細胞衰老是衰老的一個標志，由于端粒的逐漸磨損，細胞在反復分裂后可能發展，DNA損傷-反應途徑的激活導致腫瘤抑制因子p53的激活(復制性衰老)。此外，它也可能是由細胞應激引起的，例如氧化應激、電離輻射或細胞毒性療法，其激活細胞周期蛋白依賴激酶抑制劑p16 INK4(應激相關的衰老)。這些途徑可能相互作用，并激活細胞周期蛋白依賴激酶抑制劑p21CIP1，通過抑制細胞周期蛋白依賴激酶-2/4導致細胞周期停滯〔17〕。研究表明在COPD患者外周肺組織、氣道上皮細胞、外周血單核細胞中Sirt1的mRNA和蛋白質均顯著降低〔11〕，導致肺衰老。p16與p21是眾所周知的衰老標志物，已被證實在COPD患者細胞中表達升高，而Sirt1的過表達可以減弱衰老標志物p16、p21的上調，從而保護上皮細胞的衰老；此外，Sirt1使FOXO3去乙酰化，導致其活化并誘導細胞周期停滯，從而減少過早衰老〔18〕。除了FOXO3，已經鑒定了幾種其他參與細胞應激反應信號傳導和細胞衰老的Sirt1蛋白質底物，這包括Ku70/Ku80，Wnt/β-連環蛋白，Notch和Werner綜合征蛋白。對于腫瘤抑制因子p53而言，Sirt1與p53相互作用，并使C末端調節結構域的賴氨酸殘基脫乙酰化，降低Sirt1水平/活性可增加p53乙酰化，從而促進細胞凋亡和衰老。此外，通過反義寡核苷酸阻斷p53逆轉了Sirt1對細胞衰老的抑制作用〔19〕。另一近期研究表明〔20〕氧化應激能夠驅動p38-c-Jun信號傳導誘導miR-570-3p表達，然后miR-570-3p直接與Sirt1結合，降低其表達，導致細胞衰老的誘導。而通過抑制miR-570-3p水平的升高，可以增加細胞增殖，同時減少許多關鍵衰老相關分泌表型(SASP)蛋白，如MMP-2/9，IL-1β，趨化因子(CXCL)8和IL-6的表達，從而減少細胞衰老。再進一步研究發現，CS的暴露會使肺部功能障礙，導致細胞DNA損傷并損害雙鏈斷裂的修復；而在COPD中的DNA損傷和雙鏈斷裂修復受損都加劇，這種持續存在的DNA損傷誘導過早衰老(SIPS)和SASP。而在DNA損傷期間，Sirt1可以重新定位到受損位點并通過脫乙酰化DNA修復蛋白促進DNA修復(如Ku70，NBS，Werner解旋酶和nibrin)和通過調節肺細胞中的染色質來調節響應CS應激的SIPS和SASP，Sirt1還使組蛋白H3K56脫乙酰化，從而調節DNA損傷和基因組不穩定，進而減少細胞衰老〔21〕。此外，衰老的另一個關鍵方面是慢性炎癥，該過程的特征在于幾種信號分子的激活，包括NF-κB，FOXO和Klotho。Sirt1表達的減少與RelA/p65 NF-κB的激活升高有關，而NF-κB是炎癥的主要調節因子，進而促進炎癥反應，持續存在的炎癥反應導致細胞衰老的發生發展。

2.4Sirt1在COPD細胞凋亡中的作用 在COPD進展中，肺上皮細胞的凋亡起著關鍵作用，導致肺泡結構和肺氣腫的破壞，其中Ⅱ型肺泡上皮細胞(AECⅡ)合成和分泌的肺表明活性物質在維持正常的肺泡內穩態、氣體交換和改善肺組織修復中其重要作用。研究發現〔22〕在使用CS和脂多糖(LPS)誘導的COPD小鼠中肺氣腫明顯，Sirt1蛋白和活性降低，FOXO3表達下降，從而導致p53表達上調，進一步引起AECⅡ的凋亡。在Sirt1激活劑SRT1720的干預下，Sirt1蛋白的表達和活性及FOXO3的表達增加，并通過去乙酰化抑制p53反式激活，從而減少p53依賴性的AECⅡ的凋亡，進一步減少肺氣腫的形成。此外，內質網(ER)應激介導的細胞凋亡參與COPD的發生發展。在COPD大鼠中發現CS的暴露會導致肺組織內Sirt1表達下降，ER應激增強，從而使ER應激相關凋亡蛋白CHOP和caspase-12的表達增加，從而導致肺組織細胞凋亡。數據顯示使用褪黑素可以上調COPD中Sirt1的表達并減輕COPD大鼠肺組織細胞凋亡和ER應激〔23〕。體外研究表明，在CS提取物(CSE)干預的支氣管上皮細胞中，ER應激增加，褪黑素和白藜蘆醇可以通過Sirt1/ORP150途徑降低ER應激凋亡相關蛋白CHOP、ATF4和Caspase-4的表達，從而減弱CSE誘導的細胞凋亡〔24〕。

2.5Sirt1在COPD自噬中的作用 自噬是指保守的細胞過程，其中細胞質內容物和細胞器被隔離在雙膜自噬體內，隨后在液泡或溶酶體中降解。誘導自噬的因素很多，包括ER應激、氧化應激、缺氧、感染等，其中CS誘導的氧化應激是人們最為關注的。體外研究〔24〕表明，CSE干預的支氣管上皮細胞中，Sirt1的表達下降，而LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比率上調，表明細胞存在自噬現象，進一步敲除Sirt1或ORP150基因會顯著增強CSE誘導的Beclin-1，LC3-Ⅱ，LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比率的蛋白質表達增加和支氣管細胞中p62的減少，進而導致細胞自噬的增強，表明CSE誘導的細胞自噬經過Sirt1/ORP150途徑進行調節。此外，自噬相關基因LC3為FOXO3的調控靶基因，研究中發現CS誘導的氧化應激條件下，Sirt1水平降低，并伴隨著FOXO3乙酰化水平升高，從而導致支氣管上皮細胞及小鼠肺中的自噬現象增強。聚ADP核糖聚合酶(PARP)-1是PARP家族中最豐富的核酶，使用NAD+作為底物催化聚合物PAR的形成，PARP-1被ROS誘導的DNA鏈斷裂激活。在CSE誘導氧化應激，可使PARP-1活化導致NDA+缺失并隨后降低Sirt1的活性，導致細胞發生自噬，由SIRT1-PARP-1軸介導的自噬可能是COPD發病機制〔25〕。

3 Sirt1激活劑在COPD中的應用

3.1白藜蘆醇 白藜蘆醇(3,5,40-三羥基-反式-二苯乙烯)是一種多酚植物抗毒素，存在于各種植物中，包括葡萄、漿果和花生。它被確定為Sirt1的第一個天然化學活化劑〔9〕，并且實現了Sirt1大約8倍的激活。白藜蘆醇已被證明具有抗炎和抗氧化作用。與健康對照組相比，COPD患者淋巴細胞中NF-κB，TNF-α和MMP-9表達上調的全身炎癥增加，白藜蘆醇治療后降低〔26〕。這種全身炎癥增加可能會影響肺部和肌肉。此外，肺中巨噬細胞數量的增加在COPD的病理生理學中起關鍵作用，并且這些巨噬細胞中上調的大多數炎性蛋白受NF-κB調節〔27〕，而白藜蘆醇可以通過對Sirt1表達的調控進一步對NF-κB進行調節，從而改善肺部炎癥反應。白藜蘆醇不僅通過其抗炎特性間接改善線粒體氧化能力，而且直接通過AMPK-SIRT1-PGC-1α軸改善線粒體氧化能力。白藜蘆醇的這種有益作用可以影響COPD患者肺和肌肉中Sirt1和PGC-1α的表達水平，從而影響氧化應激〔14,28〕。臨床前研究結果表明，吸入白藜蘆醇可以提高肺線粒體功能〔29〕。此外，白藜蘆醇的抗氧化特性也可能影響肺部和骨骼肌。在COPD患者中，在肺中觀察到高水平的氧化應激，并且與炎癥，氣道重塑，自身免疫和皮質類固醇抗性增加相關。因此，減少氧化應激有利于減少COPD中的肺損傷〔30，31〕。白藜蘆醇通過刺激Sirt1表達，促進p53去穩定化和降低Bax表達及維持PGC-1α激活的p-Akt的表達水平來支持AECⅡ存活，調節肺衰老〔29〕。白藜蘆醇對CSE誘導的細胞凋亡具有保護作用，主要通過Sirt1/ORP150途徑降低ER應激凋亡相關蛋白CHOP、ATF4和caspase-4的表達，從而減弱CSE誘導的細胞凋亡〔32〕。

白藜蘆醇除了對肺和肌肉的有益作用之外，臨床前研究表明其對心臟具有保護作用。Hu等〔33〕發現白藜蘆醇可以通過減輕老年肺氣腫患者心臟中Sirt1表達的下降，從而減輕心臟氧化損傷和左心室重構，這可能是COPD合并心臟損傷的治療方法。

3.2Sirt1合成激活劑 已經開發出多種Sirt1激活劑，它們是白藜蘆醇的類似物，這些激活劑通過降低底物Sirt1的Km來增加Sirt1活性，包括SRT1720，SRT1460，SRT2183，SRT2104，SRT2172和SRT2379。其中最有效的激活劑是SRT1720(EC1.5=0.16 μmol/L，Sirt1的最大活化為781%)，其在激活Sirt1方面比白藜蘆醇有效800～1 000倍。Yao等〔18〕的研究最近表明，SRT1720可以減輕氧化應激引起的細胞過早衰老，并保護小鼠免受香煙煙霧引起的肺氣腫。在體內，SRT1720促進了FOXO3轉錄因子的去乙酰化，導致了細胞衰老和肺氣腫。因此，Sirt1通過FOXO3介導的細胞衰老的減少來保護肺氣腫，而不受炎癥的影響。因此，開發特異性選擇性藥理學Sirt1激活劑對于理解Sirt1在細胞功能中的作用及Sirt1激活劑在肺部炎癥相關疾病中的潛在臨床應用至關重要。

4 展 望

Sirt1是第Ⅲ類HDACs，在COPD的發病和加重過程中起著至關重要的作用，廣泛參與COPD中炎癥反應、氧化應激、細胞衰老、凋亡、自噬等過程。此外，通過藥理學激活Sirt1在COPD的治療中是重要的。因此，對Sirt1參與的致病機制的深入研究將為COPD機制和診治提供新的方向，對Sirt1靶向治療的藥物在臨床運用上具有廣闊的前景。