線粒體SIRT3在腫瘤發生和治療中作用的研究進展

王艷輝，金玉綜述，任麗審校

（天津醫科大學腫瘤醫院檢驗科，國家腫瘤臨床醫學研究中心，天津市“腫瘤防治”重點實驗室，天津市惡性腫瘤臨床醫學研究中心，天津 300060）

在存在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的情況下，Sirtuins（1～7）有多種酶功能。包括ADP-核糖基化、去乙酰化、去丙二酰化、去琥珀酰化、去戊二糖化、去豆蔻酰化和去棕櫚糖基化。SIRT1、SIRT6和SIRT7位于細胞核中，SIRT2主要位于細胞質中，SIRT3、SIRT4和SIRT5主要位于線粒體中[1]。SIRT3是最主要的線粒體去乙酰化酶，定位于線粒體基質，在調節線粒體代謝和氧化應激中起重要作用，包括三羧酸循環、尿素循環、氨基酸代謝、脂肪酸氧化、線粒體電子傳遞鏈/氧化磷酸、活性氧簇（ROS）解毒、線粒體動力學和線粒體折疊蛋白應答[2]。由于線粒體在能量產生、代謝、細胞凋亡和細胞內信號轉導中的關鍵作用，高代謝組織對線粒體功能障礙更為敏感。已證實SIRT3在衰老、神經退行性疾病、肝病、腎病、心臟病和其他代謝性疾病中發揮重要的功能[3]。線粒體功能失調對腫瘤的起始和進展及代謝重編程起著關鍵的作用，近年來靶向線粒體的抗癌藥物的研發也越來越多。作為線粒體關鍵的去乙酰化酶，SIRT3在腫瘤中的作用受到了廣泛的關注。本文就SIRT3的結構與功能、在腫瘤中的雙重作用、在化療藥物耐藥中的作用及其抑制劑的開發和應用等研究現狀和進展進行綜述。

1 SIRT3的結構與功能

全長SIRT3由399個氨基酸殘基組成，被認為是無活性的，在轉移到線粒體的過程中，其N端101位殘基的線粒體靶向序列被線粒體基質加工肽酶（MPP）裂解，從而形成有活性的28 kD的蛋白質。作為典型的沉默調節蛋白，SIRT3具有保守的酶核心區域（aa126~399），以NAD+依賴性方式發揮去乙酰化功能。SIRT3的催化核心區域包含一個較大的Rossmann折疊結構域，提供NAD+結合位點和一個較小的結構域，用于結合鋅原子。這兩個結構域的間隙是乙酰化底物的結合位點。SIRT3不僅去除乙酰基還可以去除巴豆酰基和肉豆蔻酰基，賴氨酸乙酰化是研究最廣泛的修飾[4]。SIRT3可以使多個線粒體蛋白質去乙酰化，從而全面影響線粒體和細胞功能。到目前為止，已確定的SIRT3蛋白質靶標包括長鏈酰基輔酶A脫氫酶（LCAD）、異檸檬酸脫氫酶2（IDH2）、谷氨酸脫氫酶（GDH）、琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶（NDUFA9）、ATP合酶、乙酰基-CoA合成酶2（AceCS2）、鳥氨酸轉氨甲酰酶（OTC）、線粒體核糖體大亞基蛋白10（MRPL10）、親環蛋白D（CypD）、線粒體伴侶Hsp10、線粒體蛋白酶Lon肽酶1（LONP1）。SIRT3可以通過將關鍵轉錄因子叉頭盒O3a（FOXO3a）去乙酰化提高錳超氧化物歧化酶（MnSOD）和過氧化氫酶（CAT）的水平，從而抑制氧化應激[5]。SIRT3在修復線粒體DNA損傷，保持線粒體完整性和抑制氧化應激誘導的細胞凋亡過程中發揮調節作用[6]。SIRT3可以促進X射線修復交叉互補6（XRCC6）與B細胞淋巴瘤相關x蛋白（Bax）之間的相互作用，抑制Bax從細胞質易位到線粒體，進而抑制細胞凋亡[7]。據報道，SIRT3還可以轉運到細胞核中，作為組蛋白去乙酰化酶，在表觀遺傳水平調節多個基因的表達[8]。

2 SIRT3與腫瘤

腫瘤細胞與正常細胞的代謝模式不同。腫瘤細胞代謝重編程的特征是“Warburg效應”，即大多數癌細胞更依賴于有氧糖酵解提供能量。糖酵解不僅提供了快速的能量供應，而且還為腫瘤微環境的發生和發展提供了許多有利因素，例如加速基因組的不穩定性，活化磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）、c-Myc等多種細胞增殖信號[9]。但是，一些特定腫瘤（如膠質母細胞瘤、神經母細胞瘤和急性髓細胞白血病），仍然以OXPHOS作為主要的能量供應方式[10]。不同的腫瘤微環境差異很大，生存壓力使它們選擇最合適的代謝途徑。作為腫瘤代謝的關鍵調節劑，SIRT3參與線粒體的代謝重編程，可以調節ROS的水平以發揮抑癌作用，這是SIRT3的一個顯著特征。但是，最近的一項研究發現，SIRT3轉變為致癌基因，可以促進小鼠中高脂飲食誘導的腫瘤發生[11]。因此，SIRT3在腫瘤中發揮的作用可能與遺傳背景和環境有關。

2.1 SIRT3的抑癌作用SIRT3對腫瘤的抑制作用主要通過阻止腫瘤代謝的變化。研究最多的途徑是SIRT3抑制缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）。HIF-1α可以激活一系列糖酵解的關鍵因子以促進“Warburg效應”。SIRT3可以破壞HIF-1α的穩定性，從而防止其對“Warburg效應”的促進作用。但是，HIF-1α不是SIRT3的直接底物。SIRT3通過脯氨酰羥化酶（PHD）的直接去乙酰化來調節HIF-1α的活性。活化的PHDs羥化HIF-1α，影響其穩定性并抑制其促腫瘤的作用[12]。丙酮酸脫氫酶復合物（PDC）是另一種與糖酵解有關的SIRT3底物。SIRT3是PDC的上游脫乙酰化酶，可將PD去乙酰化并激活PDC，以抑制糖酵解并促進腫瘤細胞的凋亡[13]。SIRT3可以調節線粒體的質量，下調SIRT3促進了腎透明細胞癌的“Warburg效應”[14]。谷氨酸草酰乙酸轉氨酶2（GOT2）是糖酵解過程中的限速酶，在159、185和404處被SIRT3去乙酰化，從而抑制GOT2活性并抑制胰腺癌的生長[15]。因此，在大多數依賴糖酵解的腫瘤中，SIRT3激活對腫瘤患者是有益的。SIRT3通過使底物去乙酰化來調節腫瘤細胞的增殖和遷移，從而抑制腫瘤的進展。Enoyl-CoA水合酶-1（ECHS1）在腫瘤細胞中高度乙酰化，導致活性降低并激活mTOR調控的增殖途徑，SIRT3可抑制這種過度乙酰化以恢復線粒體易位和ECHS1活性[16]。SIRT3可以激活抗氧化系統以降低ROS的水平，SIRT3的缺失會觸發氧化應激，激活ROS介導的信號轉導，從而導致正常細胞的癌變，以及腫瘤細胞的增殖[17]。XIAO等[18]證明了通過SIRT3清除ROS有助于抑制肺腺癌細胞的生長。在慢性淋巴細胞性白血病（CLL）中，SIRT3激活MnSOD2以消除ROS，從而抑制CLL的進展[19]。誘導凋亡是SIRT3抑制腫瘤進展的另一作用機制。SIRT3缺失可促進結直腸癌細胞的凋亡[20]。SIRT3上調MnSOD2和p53活性進一步誘導了Bax和Fas調控的肝細胞癌（HCC）細胞凋亡[21]。SENGUPTA等[22]認為SIRT3在監測腫瘤基因組的穩定性中也發揮作用，SIRT3可以使組蛋白H3在K56處去乙酰化，以增強DNA非同源末端連接修復。

2.2 SIRT3的促癌作用IDH2是三羧酸循環的關鍵酶，為血液系統惡性腫瘤的標志物。SIRT3可以使IDH2去乙酰化，從而增加其促癌活性[23-24]。在彌漫性大B細胞淋巴瘤中，SIRT3可通過增強GDH活性來促進TCA循環，從而促進淋巴瘤的發生[25]。在非小細胞肺癌中，SIRT3促進煙酰胺單核苷酸腺苷酰轉移酶2（NMNAT2）的致癌作用以刺激腫瘤細胞增殖[26]。在宮頸癌細胞中，SIRT3使乙酰輔酶A羧化酶去乙酰化從而促進脂代謝，這種脂肪酸代謝的重編程促進腫瘤細胞的遷移和侵襲[27]。WANG等[28]認為SIRT3可以增加SOD2活性以適當調節ROS的產生，從而防止細胞凋亡。KIM等[29]認為，在卵巢癌中SIRT3會微調SOD2活性以適應細胞應激和anoikis耐藥，從而確保細胞存活。NEELI等[30]研究發現，由SIRT3介導的SOD2激活可以促進三陰性乳腺癌（TNBC）細胞的上皮-間質轉化（EMT）。XIONG等[31]還發現SIRT3使p53在Lys320和382處去乙酰化，以促進其降解，從而阻礙了P53對PTEN缺陷型非小細胞肺癌的抑制作用。因此，在缺乏PTEN的腫瘤中，抑制SIRT3可能是更好的治療策略。最近，一項研究表明，結直腸癌中SIRT3使絲氨酸羥甲基轉移酶2（SHMT2）在Lys95處去乙酰化，并抑制其溶酶體依賴性降解，乙酰化的SHMT2缺乏酶活性抑制癌變，因此SIRT3可以激活SHMT2促進結直腸癌細胞的增殖[32]。綜上所述，SIRT3在不同腫瘤中的雙向作用可能與腫瘤的組織起源相關，在通過調節SIRT3進行腫瘤治療時應該慎重。

2.3 SIRT3與腫瘤耐藥 最近的研究表明，在某些高度惡性的腫瘤中，SIRT3的激活可能是一種治療方法，尤其是對于某些耐藥性腫瘤。例如，索拉非尼是一種公認的臨床批準用于HCC的藥物，但是非常容易產生耐藥性。研究表明，索拉非尼能降低SIRT3的表達，這有助于其降低藥物的敏感性，而SIRT3的上調可以使HCC對索拉非尼治療敏感性增加[33-34]。HOU等[35]也發現，抗凋亡蛋白BCL2的抑制劑ABT737對SIRT3的激活有助于改善卵巢癌對順鉑的耐藥性。SIRT3可以使p53突變體脫乙酰化，從而降低其表達，誘導小細胞肺癌（SCLC）細胞凋亡，并提高SCLC化療敏感性[36]。沉默SIRT3會增加氧化應激并損害抗氧化反應，從而導致乳腺癌細胞對順鉑或他莫昔芬治療敏感[37]。SIRT3的表達與結腸癌的預后有關，它調節抗氧化反應，并且其敲低可提高奧沙利鉑的療效[38]。因此，對SIRT3活性的調節可能是一種克服腫瘤耐藥的方法。

3 針對SIRT3的小分子抑制劑用于腫瘤治療

3.1 底物競爭性SIRT3抑制劑4′-溴白藜蘆醇是2013年發現的ACS2肽底物競爭性抑制劑，后來GEORGE等[39]發現4′-溴白藜蘆醇通過SIRT3介導的線粒體代謝重編程抑制黑色素瘤進展。MANAJAN等[40]發現了一種具有肽底物競爭性的SIRT1/2抑制劑cambinol，對腫瘤的治療具有潛在的作用。隨后，他們設計了一系列cambinol類似物，并發現了SIRT3選擇性抑制劑4-[（2-羥基-6-苯基萘-1-基）甲基]-5-（4-甲基苯基）-2，3-二氫-1H-吡唑-3-酮，具有良好的抗癌潛能。Nε-酰基-賴氨酸是SIRT3重要的底物競爭性抑制劑。Chen等[41]設計了一系列含有Nε-硫代乙酰基-賴氨酸的肽，這些肽對SIRT1/2/3均有抑制作用，其中一種肽可以有效抑制結腸癌細胞HCT116SIRT的活性，但它不是選擇性的SIRT3抑制劑。這表明開發特異性的底物競爭性SIRT3抑制劑，需要選擇特異性SIRT3底物作用位點進行靶向設計。考慮到SIRT3在線粒體中含量豐富，LI等[25]通過用三苯基TP（TPP）線粒體靶向部分取代了芐基甲氨酰基來修飾JH-T4，從而獲得化合物YC8-02，該化合物能較好地滲透到線粒體。YC8-02不僅表現出強大的SIRT3抑制作用，而且還通過選擇性抑制SIRT3從而抑制淋巴瘤的發生。

3.2 煙酰胺競爭性SIRT3抑制劑 煙酰胺是SIRT的內源性抑制劑，但是它對SIRT家族的每個成員都沒有特異性。煙酰胺類似物是SIRT3抑制劑的重要組成部分。煙酰胺類似物3-TYP是一種高度特異性的SIRT3抑制劑。蓖麻油酸酯（ICA）對多種神經毒劑引起的氧化應激具有保護作用，3-TYP可以通過抑制SIRT3消除ICA的細胞保護作用[42]。EX-527是一種選擇性SIRT抑制劑，可通過占據煙酰胺位點和與NAD+相鄰的口袋起作用。EX-527一直被認為是SIRT1抑制劑，但它對SIRT3的活性也有一定抑制作用[43]。EX-527的發現揭示了一種新的SIRT抑制機制，即與NAD+衍生的副產物形成三聚體Sirtuin復合物。

3.3 其他SIRT3抑制劑Tenovin-6是具有生物活性的p53激活劑，也是具有抗腫瘤活性的SIRT3抑制劑。尚不清楚Tenovin-6對SIRT3抑制作用的具體機制，但已證明它起非競爭性抑制劑的作用。LC-0296是具有良好抑制作用的合成SIRT3抑制劑，其作用機制也不清楚。從其結構來看，LC-0296可能是NAD+競爭性抑制劑。通過抑制細胞增殖和促進細胞凋亡，對頭頸部鱗狀細胞癌具有良好的活性[44]。三甲胺-N-氧化物（TMAO）是一種膽堿代謝產物，可通過SIRT3抑制誘導的ROS-NLRP3活化促進血管炎癥[45]。阿苯達唑是具有微管靶向能力的驅蟲藥，Wang等[46]發現阿苯達唑可誘導SIRT3降解以抑制白血病細胞存活。2-甲氧基雌二醇（2-ME）是一種抗癌藥物，已發現它與SIRT3上典型的變構抑制劑結合位點結合，從而抑制了其活性；在抑制SIRT3的情況下，2-ME可以干擾正常的線粒體功能并殺死骨肉瘤細胞[47]。

總體而言，SIRT3是一種重要的線粒體去乙酰化蛋白，在調節蛋白的乙酰化水平，維持線粒體的完整性和能量代謝方面發揮重要的作用。高度乙酰化的修飾在腫瘤中經常發生，這有助于大多數腫瘤的存活。SIRT3通過將這種過度修飾調整至正常狀態來調節腫瘤的進展。除此之外，SIRT3具有代謝重編程的能力，并且對腫瘤的發生、發展起重要作用。但是，SIRT3對腫瘤是一把雙刃劍，在某種程度上增加了SIRT3作為腫瘤治療目標的困難和風險。目前還沒有成功開發出令人滿意的SIRT3激活劑或抑制劑用于腫瘤治療，這使得將SIRT3作為腫瘤的可治療靶標變得更加困難。盡管如此，如果能在個性化治療中更好地調控它，它將是一個非常有前途的腫瘤藥物靶標。