SIRT1改善糖尿病血管內皮功能的機制研究進展

雷永芳，聶雪坤，林敏華，汪余嘉，陳子春

(1.福建中醫藥大學藥學院，福建 福州 350122；2.寧德市醫院臨床藥學室，福建 寧德 352100)

據國際糖尿病聯盟統計我國2018年約有1.09億糖尿病患者，是糖尿病發病率最高的國家[1]。近年，我國糖尿病發病率持續上升，預計在2050年患病率增加一倍[2]。糖尿病可引發多種慢性并發癥，主要包括神經病變、大血管病變(外周血管、腦血管、冠狀動脈病變)、微血管病變(糖尿病視網膜病變及糖尿病腎病)等，其中大血管病變導致動脈粥樣硬化是患者主要的致死原因。血管內皮功能障礙，表現為內皮依賴性血管舒張功能受損，是動脈粥樣硬化的早期標志[3]。SIRT1(sirtuins 1)，一種分布廣泛的去乙酰化酶，可調節細胞增殖、凋亡、衰老等，在心血管系統中起關鍵作用[4]。研究表明SIRT1對高糖引起的血管內皮功能障礙具有保護作用，本文將簡要闡述SIRT1改善血管內皮功能障礙的機制研究。

1 SIRT1概述

Sirtuins，起源于酵母，屬于Ⅲ類煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴性組蛋去乙酰化酶，是沉默調控基因SIR2的同源物，由7個家族成員(SIRT1-7)組成，有長壽基因之稱[5]。SIRT1是sirtuin家族成員中研究最廣泛的蛋白質，可調控轉錄因子與激活因子，如叉頭轉錄因子(forkhead box transcription factor O，FOXO)、核因子-κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)、過氧化物酶體增殖物激活受體-γ協同刺激因子1α(peroxisome proliferator activated receptorγcoactivator-1α，PGC-1α)及腫瘤抑制基因P53等，并參與DNA修復、線粒體生物活性、胰島素穩態、細胞應激反應等相關信號通路，可對抗癌癥、阿爾茲海默癥和糖尿病等多種疾病[6]。

2 SIRT1與內皮功能障礙

內皮細胞覆蓋在整個系統的血管表面，給血液與血管之間形成一層保護屏障[7]。同時內皮細胞可分泌一氧化氮(nitric oxide，NO)、超極化因子(endothelium-derived hyperpolarizing factor，EDHF)、內皮素-1(endothelin-1，ET-1)、血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ，Ang-Ⅱ)、前列環素等調控血管舒張，分泌抗凝血酶維持血液流動，釋放組織型纖溶酶原激活物(tissue type plasminogen activator，t-PA)及纖溶酶原激活物抑制劑-1(plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1)平衡血管穩態[8]。在高血糖環境中，血管內皮功能易發生紊亂，如血管內皮細胞受損，舒張因子NO分泌減少、ET-1釋放增多、血管平滑肌增生等，其中NO產量和生物利用度的降低是內皮功能障礙的關鍵因素。Strycharz等[9]提出血管內皮功能障礙與SIRT1之間聯系密切，SIRT1可參與調控NF-κB、腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)、磷酯酰肌醇-3 激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein Kinase B，PI3K/Akt)等信號通路，刺激內皮細胞中NO的合成并減輕內皮細胞衰老、氧化應激、炎癥等來改善血管內皮功能，提示SIRT1可能是糖尿病血管并發癥的重要靶點。

2.1 SIRT1與一氧化氮 NO是維持內皮正常功能的重要血管擴張劑[8]。NO主要由一氧化氮合酶(nitric oxide synthas，NOS)激活產生，NOS有三種亞型：內皮型NOS(endothelial nitric oxide synthas，eNOS)、誘導型NOS(inducible nitric oxide synthas，iNOS)和神經元NOS(neuronal nitric oxide synthas，nNOS)，它們以L-精氨酸和分子氧為底物，伴隨著幾種共底物和輔助因子，在內皮細胞中合成NO[5]。內皮細胞中的乙酰膽堿、緩激肽和組胺等激動劑與其特異性受體結合后，可增加胞內Ca2+的濃度，Ca2+與鈣調蛋白結合并激活eNOS上的鈣調蛋白結合結構域產生NO。類似的，SIRT1與eNOS共定位，介導eNOS去乙酰化和激活，并通過496和506位的賴氨酸殘基與eNOS的鈣調蛋白結構域結合，增強eNOS活性并促進NO合成。SIRT1受抑制后，NO生物活性和內皮依賴性血管舒張下降。Yang等[10]研究證實2型糖尿病大鼠腹主動脈中SIRT1的表達明顯低于正常組大鼠的水平，大鼠出現動脈粥樣硬化早期改變。同時用高糖培養人臍靜脈內皮細胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVEC)，發現高糖組SIRT1表達減少，NO水平降低。而用SIRT1激活劑預處理細胞后，NO水平明顯上升，提示SIRT1可能具有改善糖尿病患者動脈粥樣硬化病變的作用。Vikram等[11]發現在高糖高脂飲食的小鼠主動脈中miR-204(microRNA-204)表達上調，同時miR-204與SIRT1連接，降低血管中SIRT1表達，誘發血管炎癥。當抑制miR-204并上調SIRT1表達后可提高NO水平，改善內皮依賴性血管舒張功能。

2.2 SIRT1與氧化應激 糖尿病是以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，其中高血糖可引起氧化應激、炎癥反應、胰島素抵抗等反應[12]。其中氧化反應與血管內皮舒張因子NO密切相關，在eNOS合成NO過程中，電子會從NADPH氧化酶轉移到C端還原酶結構域，結合血紅素鐵和輔助因子四氫生物蝶呤(tetrahydrobiopterin，BH4)偶聯，產生NO和瓜氨酸。而氧化因子活性氧(reactive oxygen species，ROS)可使BH4與eNOS“解偶聯”，繼而將O2轉化為超氧化物(O2-)自由基，降低NO生成量，導致血管內皮功能受損。研究顯示SIRT1激活劑白藜蘆醇通過上調SIRT1表達，有效防御ROS引起的氧化損傷，并完全消除高糖依賴性內皮細胞毒性，增加NO表達水平[13-14]。SIRT1作為組蛋白去乙酰化酶，還可去乙酰化P53、FOXO、PGC-1a等，其中SIRT1降低細胞內氧化應激主要通過去乙酰化FOXO，使FOXO發生核轉移，增強FOXO轉錄活性促進錳超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase，MnSOD)表達[15]。MnSOD可及時清除細胞內過多的ROS水平，減少氧化損傷，從而改善血管內皮氧化應激狀態。高糖環境下，Shc蛋白家族成員之一p66Shc可通過氧化細胞色素C產生ROS，增強細胞內氧化應激。Kumar等[16]提出SIRT1是P66Shc的靶標，經特異性調控P66Shc去乙酰化，可降低P66Shc生成ROS的氧化功能。Hu等[17]提出在糖尿病小鼠與高糖培養的HUVEC中miR-383的表達明顯上升，SIRT1表達受到抑制。miR-383抑制劑處理后可抑制高糖誘導的ROS水平和細胞凋亡。在敲除SIRT1后逆轉了miR-383抑制劑對ROS和細胞凋亡的作用，提示上調SIRT1的表達可抑制miR-383并有效改善氧化應激并增強血管內皮活性。

2.3 SIRT1與炎癥反應 炎癥反應被認為是動脈粥樣硬化的主要原因，在糖尿病中，單核細胞、巨噬細胞和自然殺傷細胞(natural killer cell，NK cell)浸潤至脂肪組織，改變免疫細胞數量，釋放炎癥因子、黏附因子，血小板聚集等，最終形成危險斑塊，造成血管栓塞[18]。在慢性炎癥期間，SIRT1表達受到抑制，相關促炎因子的水平明顯上調。研究顯示活化SIRT1可調控轉錄因子如NF-κB信號和動脈粥樣硬化中相關的炎性纖溶酶原激活物抑制物-1(PAI-1)，抑制單核細胞與內皮細胞的黏附，進而改善炎癥反應[19]。Liu等[20]同樣提出，白藜蘆醇可激活內皮細胞AMPK/SIRT1信號通路，抑制炎癥反應，并介導PI3K/Akt/eNOS信號通路來改善內皮功能。NLRP3炎癥小體(Nod-like receptor protein 3，NLRP3)，在心血管疾病中被異常激活，研究稱NLRP3炎癥小體在高糖誘發血管內皮功能障礙方面起重要作用[21]。高糖培養的內皮細胞中線粒體ROS表達升高并激活相關蛋白硫氧還蛋白(thioredoxin interaction protien，TXNIP)誘導NLRP3炎癥小體表達，NLRP3炎癥小體激活后釋放炎癥因子白介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)。過表達SIRT1時則負調控NLRP3表達，降低炎癥因子產生，同時提高NO水平。Jiang等[22]利用高糖孵育人視網膜血管內皮細胞發現胞內SIRT1的表達和AMPK磷酸化明顯降低，而乙酰化NF-κB、NLRP3、caspase-1，IL-1β等蛋白表達異常升高。當白藜蘆醇干預后，細胞內NLRP3炎癥小體表達恢復正常，提出激活SIRT1/AMPK/NF-κB信號通路，可以減少NLRP3炎癥小體水平，改善血管中高糖誘導的炎癥損傷。

2.4 SIRT1與內皮細胞衰老 細胞衰老是指細胞應激指細胞處于不可逆的永久性細胞周期生長停滯狀態，并伴有形態、生化、功能等改變[23]。糖尿病的高血糖環境和ROS水平異常升高、NO生物活性下降可導致內皮細胞端粒長度縮短和DNA受損，使內皮細胞生長停滯，促使細胞早衰，并直接引起血管內皮功能障礙[10]。SIRT1在調節內皮細胞生長、衰老和凋亡中起核心作用，可調控P53、P21等細胞周期調控因子[15]。在高糖誘導的內皮細胞衰老中P53、P21、乙酰化叉頭轉錄因子(AC-FOXO1)表達顯著增加，抗凋亡蛋白BCL-2、SIRT1表達下降。二甲雙胍處理后上調SIRT1表達，衰老相關蛋白表達量逆轉。而沉默SIRT1后衰老相關蛋白及AC-FOXO1表達再次上升。證實了SIRT1可調控SIRT1/FOXO1/BCL-2和SIRT1/P53/P21信號通路，改善血管衰老[24]。Chen等[25]在糖尿病小鼠中得出同樣結論，糖尿病小鼠高水平表達P53、P21、PAI-1等衰老標記因子，而經內皮特異性SIRT1轉基因的糖尿病小鼠衰老因子表達下降，進一步驗證SIRT1/P53/P21信號通路介導內皮細胞衰老。此外，SIRT1可抑制高糖誘導的內皮祖細胞(endothelial progenitor cells，EPCs)衰老，促進血管新生，改善血管生成能力[26]。

2.5 SIRT1與內皮細胞凋亡 內皮細胞通過分泌多種細胞因子來維持血管內皮功能，高血糖環境會誘導內皮細胞死亡或凋亡，使內皮細胞從血管壁脫落，直接導致血管內皮功能障礙。其中高糖環境誘導的腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF-α)和ROS可直接調控c-Jun氨基末端激酶(JNK)/絲裂原活化蛋白激酶p38(p38Mito-gen-activatedProteinKinase，p38MAPK)信號通路激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶8和10(caspase-8和caspase-10)，并將procaspase-3活化為caspase-3，激活胞內凋亡程序誘導內皮細胞凋亡[27]。研究顯示，高糖會下調內皮細胞中SIRT1表達并激活JNK信號通路，引起線粒體損傷，并促進內皮細胞的凋亡。而SIRT1可降低胞內ROS水平及JNK信號表達，減少高糖誘導內皮細胞損傷[28]。同時，SIRT1激動劑處理后能夠降低P38/MAPK信號通路表達，部分逆轉高糖對血管內皮細胞生長、凋亡及ROS水平的影響[29]。血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是血管新生的重要介質，也是內皮功能的重要標志物。高糖或低氧條件下，藥物誘導SIRT1、HIF-1α、VEGF高表達，內皮細胞凋亡率明顯下降，提示激活SIRT1/HIF-1α/VEGF信號通路可促進血管內皮細胞生長，改善糖尿病血管內皮功能[30]。

2.6 SIRT1與胰島素抵抗 SIRT1還可通過改善胰島素抵抗、高血糖內環境、線粒體障礙等方面改善糖尿病血管內皮功能障礙[31]。其中，胰島素抵抗(Insulin resistance，IR)是2型糖尿病的關鍵病理過程[32]。研究表明，血管內皮對胰島素敏感，胰島素可促進NO介導的血管舒張，抑制內皮細胞凋亡和炎癥因子水平[33]。在胰島素抵抗條件下，NO依賴性血管內皮舒張功能下降，同時激活內皮細胞中MAPK信號通路，誘導血管細胞黏附因子(vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1)、細胞間黏附分子1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)和PAI-1的表達，加重血管內皮炎癥反應，誘導血管內皮功能障礙的發生。單云等[34]研究小檗堿介導SIRT1改善胰島素抵抗的機制，發現SIRT1通過調控激活AMPK/AKT信號通路及JNK信號通路，降低炎癥因子IL-1β、IL-6、TNF-α等表達，發揮抗炎特性，從而改善小鼠體內的胰島素抵抗。Yoshizaki等[35]提出敲除SIRT1基因后，胰島素介導的葡萄糖攝取與轉運受抑制，同時JNK磷酸化水平升高。當特定的小分子SIRT1激活劑處理細胞后，可抑制JNK信號通路，并改善TNF-α誘導的胰島素抵抗。此外，在高糖條件下白藜蘆醇處理內皮細胞可激活SIRT1表達，增加eNOS轉錄水平，并誘導胰島素分泌NO[36]。從而證實SIRT1可改善高糖環境的胰島素抵抗，恢復胰島素介導的NO依賴性功能，進而改善糖尿病所致血管內皮功能障礙。

3 結論

現階段，糖尿病仍是嚴重威脅人類生活質量的主要因素之一，糖尿病伴隨的慢性并發癥是患者致死致殘的重要因素。研究提示治療糖尿病的最終目的是預防微血管與大血管病變。Sirtuins家族在心血管疾病中具有多方面作用，其中SIRT1在血管并發癥方面發揮重要調節功能。大量研究表明，SIRT1激活劑白藜蘆醇可提高糖尿病患者SIRT1表達，幫助血管內皮調節高血糖引起的炎癥反應、氧化應激和血管衰老等，改善血管內皮功能障礙。同時，SIRT1作為一個分布廣泛的去乙酰化酶，可調控細胞內多種信號通路從而改善血管功能，其具體機制錯綜復雜，有待深入研究。