去乙酰化酶SIRT7在細胞衰老中的研究進展

朱 桐 薛原野 李欣桐 郝方丹 周艷芳

組蛋白是真核細胞染色質(zhì)的主要結構蛋白，組蛋白乙酰化/去乙酰化是基因表達調(diào)控的表觀遺傳機制，由組蛋白乙酰化轉(zhuǎn)移酶(histone acetylases,HAT)和組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)動態(tài)調(diào)控。HDACs按特異性功能分為4類:Ⅰ類HDACs包括HDAC1、HDAC2、HDAC3和HDAC8；Ⅱ類HDACs包括HDAC4、HDAC5、HDAC6、HDAC7、HDAC9和HDAC10；Ⅲ類HDACs又稱沉默信息調(diào)節(jié)因子2(silent information regulator 2, Sir2)-相關酶類(Sir2-related enzymes, Sirtuins)；Ⅳ類HDACs主要是HDAC11。Sirtuins是一類高度保守、依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)的Ⅲ類HDACs。Sirtuins與Sir2同源，Sir2最初在酵母中被發(fā)現(xiàn)，且被證明可以延長酵母的壽命。哺乳動物的Sirtuins有7種亞型：SIRT1～SIRT7，每種亞型都含有一個保守的NAD結合域和核心催化結構域，每一種亞型都有特殊的亞細胞定位和功能。與Sirtuins家族的其他成員不同，SIRT7主要定位于核仁中，是該家族中被研究報道最少的，近年發(fā)現(xiàn)SIRT7不僅參與核糖體RNA(rRNA)的轉(zhuǎn)錄與修飾、細胞代謝、細胞應激以及DNA損傷修復等，并且作為致癌或者抑癌基因參與腫瘤細胞的增殖分化、侵襲轉(zhuǎn)移和凋亡等。SIRT7在大多數(shù)癌癥細胞中表達上調(diào)，包括結直腸癌、胃癌、乳腺癌、膀胱癌、卵巢癌、宮頸癌和肝細胞癌等。近期研究也發(fā)現(xiàn)SIRT7參與了細胞衰老進程。本文從DNA損傷、線粒體功能障礙、氧化應激、表觀遺傳修飾4方面簡述SIRT7與細胞衰老的關系。

1 SIRT7的結構及定位

SIRT7是Sirtuins家族中唯一定位于核仁的蛋白，近期研究發(fā)現(xiàn)，SIRT7也存在于成纖維細胞的胞漿中。SIRT7是位于17號染色體長臂25區(qū)3帶(17q25.3)亞端粒區(qū)域的單拷貝基因，基因組序列跨越6.2 kb區(qū)域，分別與人類SIRT1和酵母Sir2相似度為39%和21%。SIRT7基因編碼10個外顯子和9個內(nèi)含子，經(jīng)過剪接成長度為1.7 kb的信使RNA(messenger RNA, mRNA)，可翻譯為400個氨基酸的蛋白，蛋白分子質(zhì)量約為44.9 kDa，等電點為9.8。SIRT7通過其氨基酸序列中兩個定位信號實現(xiàn)其核仁定位：一個位于61-75氨基酸之間的核定位信號(nuclear localization signal,NLS)和一個位于392-400氨基酸之間的c端核仁定位信號(nucleolus localization signal,NoLS)。

2 SIRT7的催化活性

SIRT7的去乙酰化酶活性在Sirtuins家族中相對較弱，NAD依賴的催化域位于第90和第331氨基酸之間。SIRT7是腫瘤細胞中一種高度特異性的組蛋白H3去乙酰化酶，作用于賴氨酸殘基18位點上，SIRT7與一組特定的基因靶點的啟動子結合，能使H3K18Ac去乙酰化并促進轉(zhuǎn)錄抑制。還有研究證實SIRT7通過與核小體結合對組蛋白H3K36/K37去乙酰化，并提示這種修飾有助于異染色質(zhì)沉默和基因組穩(wěn)定。SIRT7基因敲除小鼠中p53基因的382位賴氨酸殘基乙酰化水平增高，同時p53蛋白表達也增高，提示SIRT7可使p53去乙酰化。同時，在肝癌細胞中，SIRT7與p53相互作用，并在K320和K373位點介導p53去乙酰化。

除了去乙酰化酶活性，SIRT7也是一種NAD依賴的組蛋白去琥珀酰化酶，以DNA修復酶(Poly ADP-ribose Polymerase,PARP)依賴的方式被招募到DNA雙鏈斷裂(double strand break ,DSB)中，并催化其中組蛋白H3K122的脫琥珀酸化，從而促進染色質(zhì)縮合和DSB修復。此外，SIRT7還具有去丁酰化、去丙酰化、去脂酰化和戊二酰化等多種酶活性。

3 SIRT7與細胞衰老

衰老是一種不可逆的長期細胞周期阻滯形式，由過度的細胞內(nèi)或細胞外壓力或損傷引起。細胞周期阻滯的目的是限制受損細胞的增殖，消除累積的有害因素，并阻止?jié)撛诘膼盒约毎D(zhuǎn)化。由于激活了不可逆的增殖停滯，細胞衰老被視為防止腫瘤發(fā)生的有力保障。衰老的特點是生理完整性喪失，更易感染疾病，也更易引起死亡。細胞衰老可由不同刺激誘導，常見原因主要有DNA損傷、氧化應激、化療、線粒體功能障礙、癌基因異常、表觀遺傳和旁分泌誘導等。此外，細胞多次分裂后增殖能力下降，最終導致細胞總數(shù)的下降，也可引起復制性衰老。

3.1 SIRT7與DNA損傷介導的細胞衰老 核糖體DNA(ribosomal DNA,rDNA)不穩(wěn)定性增加是人類常見的衰老相關表型。人體SIRT7主要位于核仁，rDNA基因豐富，可通過維持rDNA基因簇的異染色質(zhì)沉默和基因組的穩(wěn)定性來拮抗細胞衰老。從機制上講，SIRT7 是染色質(zhì)SWI/SNF相關基質(zhì)關聯(lián)肌動蛋白依賴性調(diào)節(jié)因子亞家族A成員5(簡稱Smarca5)與 rDNA序列結合所必需的，Smarca5是核仁重塑復合物(nucleolar remodeling complex,NoRC)的一個組成部分，SIRT7可能是一種穩(wěn)定Smarca5蛋白的支架。研究發(fā)現(xiàn)SIRT7缺陷細胞表現(xiàn)出復制壓力增加和DNA修復受損。SIRT7以PARP依賴的方式招募到DNA損傷位點調(diào)節(jié)H3K18Ac的水平，H3K18Ac反過來影響損傷反應因子p53結合蛋白1(p53-blinding protein 1,53BP1)對DSB的募集，從而影響非同源末端連接(Non-homologous End Joining,NHEJ)的效率。在基因組損傷過程中，SIRT7通過減弱應激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase,SAPK)的活化發(fā)揮保護作用。最近，Bi等發(fā)現(xiàn)SIRT7作為異染質(zhì)穩(wěn)定劑可以拮抗人骨髓間充質(zhì)干細胞(human bone mesenchymal stem cells，hMSCs)的衰老。SIRT7與核層蛋白和異染色質(zhì)蛋白形成復合物，從而維持核周異染色質(zhì)的抑制狀態(tài)。SIRT7的缺失導致異染色質(zhì)丟失、長散布元件1(long interspersed element 1,LINE1)的去抑制，并通過cGAS-STING途徑激活天然免疫信號。SIRT7基因缺陷的骨髓MSC具有較短的復制壽命和加速衰老的表型，包括生長速度減慢、衰老相關β半乳糖苷酶(senescence-associatedβ-galactosidase,SA-β-GAL)陽性細胞百分比升高及衰老標志物表達增高、活性氧(reactive oxygen species,ROS)分泌增高。這些與衰老相關的細胞缺陷可以通過過度表達異染色質(zhì)蛋白或使用LINE1靶向逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑來逆轉(zhuǎn)。但是SIRT7如何與MSC中的異染色質(zhì)結構蛋白相互作用仍有待研究。

3.2 SIRT7與線粒體功能障礙介導的細胞衰老 Wiley等報道稱，線粒體功能障礙也會導致衰老。線粒體功能障礙可產(chǎn)生O和啟動細胞凋亡的蛋白質(zhì)導致細胞損傷，線粒體膜電位的去極化是線粒體功能障礙的標志。Ryu等發(fā)現(xiàn)SIRT7是線粒體穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)因子，小鼠SIRT7缺乏導致多系統(tǒng)線粒體功能障礙，表現(xiàn)為血乳酸水平升高、運動能力降低、心臟功能障礙、肝臟微泡脂肪變性和年齡相關性聽力損失。進一步研究發(fā)現(xiàn)，SIRT7介導核內(nèi)編碼線粒體基因的主要調(diào)節(jié)因子GA結合蛋白(GA binding protein,GABP)β1的去乙酰化，從而促進GABPα復合物的形成和GABPα/GABPβ四聚體的轉(zhuǎn)錄激活來維持線粒體功能，提示增強SIRT7基因表達可能是糾正線粒體功能障礙進而延緩衰老的有效策略。在老年造血干細胞(hematopoietic stem cells,HSCs)中SIRT7表達降低，SIRT7上調(diào)可提高造血干細胞的再生能力。SIRT7與核呼吸因子(nuclear respiratory factor1，NRF1)相互作用參與線粒體未折疊蛋白反應(unfolded protein response in mitochondria, UPR)，調(diào)節(jié)細胞的能量代謝和增殖。SIRT7抑制NRF1活性以減少線粒體翻譯機制的表達，緩解了線粒體蛋白折疊應激(mitochondrial protein folding stress，PFS)，確保HSCs功能的維持；而SIRT7失活則導致HSCs靜息減少，PFS增加，再生能力降低。

3.3 SIRT7與氧化應激介導的細胞衰老 細胞代謝的氧化產(chǎn)物或已知的氧化劑(如過氧化氫)都可能導致衰老。雖然氧化劑部分通過DNA損傷發(fā)揮作用，但其他細胞成分和過程也會受到影響。研究發(fā)現(xiàn)SIRT7可抑制缺氧誘導因子(hypoxia-inducible factor，HIF)1和2轉(zhuǎn)錄因子的活性，降低其蛋白表達水平，調(diào)節(jié)細胞對缺氧應激的適應能力，并且與其去乙酰化酶活性無關，但其具體機制還有待確定。Vakhrusheva等發(fā)現(xiàn)SIRT7可以增強小鼠心肌細胞抗氧化應激能力，預防凋亡和炎癥性心肌病。SIRT7缺陷的原代心肌細胞基礎凋亡增加200%，對氧化應激和遺傳毒性應激的抵抗力顯著降低，提示SIRT7在心臟應激反應和細胞死亡的調(diào)節(jié)中起重要作用。Lewinska等還發(fā)現(xiàn), 血管平滑肌細胞在姜黃素誘導氧化損傷時表現(xiàn)出SIRT7下調(diào)和p53穩(wěn)定性增加。穩(wěn)定的p53基因可以刺激其靶蛋白p21，最終導致細胞周期停滯。

3.4 SIRT7與表觀遺傳修飾介導的細胞衰老 已知的衰老特征包括表觀遺傳學改變和線粒體功能障礙，這兩個變化都會受到去乙酰化過程的影響。SIRT7在不同細胞類型中的多方面活性表明，SIRT7作為調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)去乙酰化的分子開關發(fā)揮作用，從而在調(diào)節(jié)衰老和永生的不同細胞命運中起到細胞控制作用。Karim等發(fā)現(xiàn)SIRT7在端粒維持中發(fā)揮作用：通過去乙酰化作用正向調(diào)節(jié)睪丸孤核受體4(testicular orphan receptor 4,TR4)的蛋白水平，而TR4被證明有利于端粒延長。而SIRT7調(diào)控GABP復合物的形成和活化進而影響HSCs衰老進程也是通過其去乙酰化GABPβ1實現(xiàn)的。同樣SIRT7通過去乙酰化核仁磷蛋白(nucleophosmin,NPM1)在衰老過程中發(fā)揮重要作用。還有研究發(fā)現(xiàn)SIRT7可能與三肽基肽酶Ⅱ(tri-peptidyl peptidase II，TPPⅡ)相互作用調(diào)節(jié)衰老，但其作用機制目前尚不清楚。衰老誘導細胞中過表達SIRT7后，衰老標記物p53和p21的蛋白表達下降，這可能與SIRT7調(diào)節(jié)脂肪和蛋白質(zhì)代謝有關。SIRT7參與調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激和其他代謝途徑都有可能對衰老的進程有一定影響，但其具體機制還需要深入探究。

SIRT7參與RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄、rRNA轉(zhuǎn)錄和修飾、病毒感染、細胞代謝、細胞應激以及維持基因組穩(wěn)定性等多種生理過程，進而維持細胞穩(wěn)態(tài)。與SIRT7功能的多樣性相比，人類對SIRT7在細胞衰老進程中的分子基礎和途徑知之甚少。深入探究SIRT7的下游通路與細胞衰老過程的相互作用機制，對提高干細胞的移植效率，乃至腫瘤及其他疾病的防治都有重要意義。