SIRT1在特發(fā)性肺纖維化發(fā)病機制中的研究進展

何遠芬，謝婷婷，閔香玉，楊信容，趙勇

(遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院呼吸與危重癥科，貴州 遵義 563000)

特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一種以細胞外基質(zhì)過度沉積、肺組織結構異常重塑和肺功能進行性減退為特征的慢性致死性的間質(zhì)性肺疾病，其病因不明，預后極差，治愈率低。診斷年齡一般在65歲以上，生存期僅為診斷后3年。目前美國食品藥品管理局批準治療IPF的吡非尼酮和尼達尼布雖有一定療效，但存在價格昂貴、不良反應多及不能逆轉肺功能下降等缺點。肺移植是唯一可延長IPF患者預期壽命的干預措施，但也存在受體手術禁忌、供體肺組織稀缺和術后并發(fā)癥多等不足[1]。IPF的病理變化是成纖維細胞異常增殖和細胞外基質(zhì)積聚，這是由多種促炎和促纖維化介質(zhì)共同作用所致，包括腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6、白細胞介素-1β、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)和結締組織生長因子等。其過程首先是氧化應激、感染和衰老等因素造成肺泡上皮細胞損傷，然后肺成纖維細胞和肌成纖維細胞激活，細胞外基質(zhì)過度沉積，肺組織重塑，并啟動上皮-間充質(zhì)轉化，最終導致氣體交換障礙，甚至發(fā)生呼吸衰竭[2]。IPF的診療成為臨床醫(yī)師和患者面臨的一大難題，進一步研究IPF的發(fā)病機制是解決這一難題的關鍵。沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silent information regulator 1,SIRT1)在機體組織器官的生理及病理修復過程中起重要作用，并參與維持機體代謝平衡及調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)[2-7]。近年來，SIRT1在IPF中的作用受到越來越多的關注。SIRT1可能是一種新發(fā)現(xiàn)的對IPF有益的因子，其保護IPF的作用機制可能與調(diào)節(jié)炎癥反應、纖維化、細胞衰老、自噬調(diào)節(jié)等有關，有望成為IPF的治療靶標。現(xiàn)對SIRT1在IPF發(fā)病機制中的研究進展進行綜述。

1 sirtuins家族

組蛋白去乙酰化酶是組蛋白和非組蛋白的去乙酰化酶。目前已發(fā)現(xiàn)的組蛋白去乙酰化酶分為4組，其中第一組、第二組和第四組均屬于鋅依賴的酶，第三組屬于依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)的酶，由NAD氧化還原狀態(tài)的變化(NAD+/煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)和NAD合成的限速酶煙酰胺磷酸核糖轉移酶的增加來調(diào)節(jié)。sirtuins家族廣泛存在于細菌、古細菌和真核生物三大生命體系中，具有不同長度和翻譯后修飾的無序N端和C端，導致功能和催化活性不同，但它們共享化學和結構保守的催化核心，具有共同的NAD結合位點、整體兩域拓撲結構和催化重要活性位點氨基酸殘基。sirtuins去乙酰化是通過去除蛋白質(zhì)的乙酰基和修飾表面電荷來改變構象及與其他分子的相互作用，參與調(diào)節(jié)轉錄、細胞增殖、細胞分裂、DNA損傷修復和代謝、炎癥反應、細胞凋亡、細胞衰老、氧化應激和線粒體生物發(fā)生等細胞過程[2-7]。sirtuins家族成員包括SIRT1～7。其中，SIRT1是哺乳動物中sirtuins家族研究最多的成員之一。SIRT1主要存在于細胞核，可通過兩個核定位和核出口信號從細胞器轉移至細胞質(zhì)。SIRT1的亞細胞定位根據(jù)細胞類型、組織及對生理和病理刺激的反應而改變，其C端序列能與催化核心相互作用，促進底物結合并導致脫乙酰基酶活性增強。SIRT1活性主要受NAD的代謝活動、蛋白質(zhì)相互作用、轉錄和轉錄后調(diào)控及翻譯后修飾調(diào)節(jié)。SIRT1作為一種細胞代謝傳感器，可將細胞的代謝狀態(tài)與染色質(zhì)結構耦合，參與氧化應激、炎癥反應、代謝調(diào)節(jié)、細胞衰老、纖維化、線粒體功能、自噬調(diào)節(jié)、糖的合成分解、脂肪酸氧化合成、氧化磷酸化、尿素循環(huán)和腫瘤發(fā)生等過程[5-7]。SIRT1的多效性在多種疾病中占有重要地位，有望成為代謝性疾病的治療靶點。

2 SIRT1在IPF中的作用機制

SIRT1在肺部疾病和纖維化疾病中的研究已有相關報道。在慢性阻塞性肺疾病中，SIRT1的mRNA和蛋白水平均下降，并檢測到炎癥細胞的募集，促炎介質(zhì)和氧化應激因子表達增加，激活SIRT1可以抑制上述變化，加入SIRT1抑制劑這種抑制作用減弱[8-9]，由此證明SIRT1可以改善慢性阻塞性肺疾病大鼠的炎癥和氧化應激反應。Han等[10]研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1的表達上調(diào)可使過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α脫乙酰，增加核因子紅系2相關因子2和關鍵抗氧化劑靶基因的表達，進一步說明SIRT1通過介導氧化應激和炎癥反應治療肺損傷。SIRT1的激活通過抑制炎癥因子及纖維因子表達，在皮膚、腎臟、心臟和肝臟纖維化疾病中發(fā)揮抗纖維化作用[11-14]。此外，也有相關研究報道了SIRT1在肺纖維化中的變化。Zeng等[15]在博來霉素誘導的肺纖維化模型、IPF患者的肺部以及纖維化病灶聚集的肺成纖維細胞中均檢測到SIRT1下降。以上證據(jù)表明，SIRT1可能通過介導抗炎、抗氧化應激改善IPF肺組織的炎癥損傷和氧化應激損傷，且在纖維化疾病中發(fā)揮重要作用。炎癥、纖維化均是導致肺纖維化的關鍵機制，說明SIRT1與IPF關系密切，進一步推測SIRT1的下調(diào)可能參與IPF的發(fā)病，SIRT1的上調(diào)可能延緩IPF的進展。

2.1SIRT1抑制IPF炎癥反應 核因子κB(nuclear factor κB,NF-κB)是參與調(diào)節(jié)炎癥反應的重要因子，可通過促進腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6、白細胞介素-1β和一氧化氮等促炎介質(zhì)的轉錄介導炎癥反應[9]。NF-κB主要由異二聚體p65/p50亞基組成。SIRT1能夠脫乙酰p65亞基的賴氨酸310，促進賴氨酸314和315處的甲基化，導致p65/p50復合物與NF-κB抑制劑結合，NF-κB由細胞核轉運至細胞質(zhì)，導致其失活，最終降低促炎基因的表達[5]。SIRT1基因側翼的區(qū)域存在多個NF-κB結合元件，可能是SIRT1調(diào)節(jié)NF-κB活性的結構基礎。SIRT1可能通過抑制NF-κB而下調(diào)下游炎癥因子的表達，從而發(fā)揮有效的抗炎作用。

SIRT1可以減輕包括哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺部感染性疾病和肺纖維化在內(nèi)的炎癥性肺損傷[16]。Chu等[2]研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)性硬化癥相關性肺纖維化患者外周血單個核細胞中SIRT1的表達降低，伴隨著NF-κB信號轉導和p65乙酰化反應增強，而SIRT1激活或過表達后NF-κB下調(diào)，p65乙酰化水平降低；在腫瘤壞死因子-α誘導的人胎肺成纖維細胞中，SIRT1過表達可抑制炎癥因子白細胞介素-6、白細胞介素-1β和基質(zhì)金屬蛋白酶9的表達；在博萊霉素誘導的肺纖維化模型中，白藜蘆醇激活SIRT1可以減輕肺部炎癥。與上述研究一致，Mansour等[17]研究發(fā)現(xiàn)，與空白對照組相比，大鼠肺纖維化模型組纖維化指標、白細胞介素-1β和NF-κB水平升高，SIRT1和AMP活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)水平下降。說明SIRT1在體內(nèi)外動物模型及患者中均參與肺纖維化的炎癥反應，且可能通過調(diào)節(jié)NF-κB/p65信號通路抑制下游靶標來發(fā)揮抗炎作用。

2.2SIRT1抑制IPF纖維化反應 上皮-間充質(zhì)轉化指上皮細胞失去特異性標志物(上皮鈣黏素)而獲得間充質(zhì)細胞或肌成纖維細胞表型的過程。TGF-β是IPF中最主要的促纖維化因子之一。TGF-β通過激活重要下游蛋白使信號從受體傳遞至細胞核，進一步誘導α平滑肌激動蛋白、Ⅰ型膠原A1、Ⅰ型膠原A2和Ⅲ型膠原A1 mRNA等纖維因子的表達。TGF-β介導磷酸化的Smad2和Smad3，與Smad4結合形成異源二聚體，然后易位至細胞核并與DNA作用以調(diào)節(jié)TGF-β靶基因的轉錄。Smad4與Smad3/Snail形成活性復合物，影響上皮鈣黏素和基質(zhì)金屬蛋白酶7的表達[18]。TGF-β可誘導DNA甲基轉移酶的表達和活性以沉默SIRT1的表達[19-20]。在TGF-β誘導的上皮-間充質(zhì)轉化中，表現(xiàn)為細胞形態(tài)改變，內(nèi)皮標志物減少，成纖維細胞標志物增加，遷移和侵襲能力增強。SIRT1在TGF-β誘導的上皮-間充質(zhì)轉化中表達下降，而SIRT1的激活使Smad4脫乙酰基從而抑制TGF-β誘導的上皮-間充質(zhì)轉化，防止纖維化的發(fā)生。

在纖維化疾病(如肝纖維化、腎纖維化)及系統(tǒng)性硬化癥模型中TGF-β和Smad水平升高，SIRT1的表達以TGF-β依賴性方式降低，導致細胞外基質(zhì)積累和上皮-間充質(zhì)轉化。上調(diào)SIRT1可以減輕TGF-β1誘導的上皮-間充質(zhì)轉化和纖維化，SIRT1特異性抑制劑Sirtinol可激活TGF-β1/Smad3通路并增強細胞外基質(zhì)積累[21-23]，表明SIRT1是TGF-β/Smad信號轉導的關鍵調(diào)節(jié)因子，并發(fā)揮抗纖維化作用。在TGF-β誘導的肺成纖維細胞模型和博萊霉素誘導的肺纖維化模型中，膠原生成和肌成纖維細胞分化增加。SIRT1的激活可減弱肺成纖維細胞的分化，并改善肺纖維化樣病理變化和降低實驗性肺纖維化模型小鼠的死亡率，而敲除SIRT1可以增強TGF-β在肺成纖維細胞中的促成纖維作用[15,24]。Yang等[25]研究證實，在二氧化硅誘導的肺纖維化模型中，大黃素可通過靶向調(diào)節(jié)TGF-β1/Smad纖維化信號的SIRT1改善肺功能。Chu等[2]也證實在博來霉素誘導的肺纖維化模型中，激活SIRT1可通過抑制TGF-β/Smad3和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路改善肺纖維化。在肺纖維化中，SIRT1可以通過抑制TGF-β/Smad的激活發(fā)揮抗纖維化保護作用。值得一提的是，SIRT1在博萊霉素誘導的肺纖維化模型中可以降低死亡率，為后續(xù)延長患者預期壽命的研究提供了基礎。

2.3SIRT1抑制IPF細胞衰老 細胞衰老是一種永久性、不可逆的細胞增殖能力抑制及細胞生長停滯的狀態(tài)，其受遺傳和環(huán)境等因素調(diào)節(jié)，包括基因組不穩(wěn)定、端粒磨損縮短和線粒體生物發(fā)生功能障礙等。衰老相關分泌表型包括多種細胞因子，其參與細胞增殖及纖維化等重要的細胞過程。衰老相關標志物主要包括β-半乳糖葡萄糖苷酶和p16INK4A。p16INK4A是細胞周期蛋白依賴激酶4和細胞周期蛋白依賴激酶6的選擇性抑制劑。在細胞衰老過程中NAD及其限速酶煙酰胺磷酸核糖轉移酶的表達下降，細胞周期抑制蛋白p16和p21表達增加，促細胞周期蛋白A和B下調(diào)。NAD作為SIRT1的底物之一，其水平上調(diào)可以延緩細胞衰老。另有研究表明，SIRT1可能改善與年齡相關的損傷及疾病[26-27]。

SIRT1被稱為長壽基因，與衰老和壽命相關，可增加端粒長度和端粒酶逆轉錄酶表達。在與年齡相關的疾病和衰老的器官中，SIRT1表達下降。SIRT1激活可以減輕血管平滑肌細胞衰老和內(nèi)皮細胞衰老[28-29]。衰老相關的分泌表型、端粒磨損、表觀遺傳學變化和線粒體自噬損傷可能介導衰老相關的IPF發(fā)病機制[30]。在肺纖維化模型中，肺上皮細胞凋亡、衰老，線粒體功能障礙，衰老相關標志物β-半乳糖葡萄糖苷酶、p16和p21表達增加，并檢測到調(diào)節(jié)細胞周期的細胞周期蛋白E2和E2F轉錄因子3表達下降，SIRT1活性減弱和表達降低。SIRT1過表達可以改善肺上皮細胞衰老[31-32]，說明SIRT1可以下調(diào)細胞衰老相關表型從而改善老年人肺纖維化模型。有研究報道，IPF患者肺組織中β-半乳糖葡萄糖苷酶、p21、p16陽性上皮細胞增加，肺功能呈水平依賴性下降，提示肺泡上皮細胞衰老程度與IPF嚴重程度相關[33-35]。IPF是一種與年齡相關的肺部疾病，衰老的上皮細胞促進肺成纖維細胞活化，進一步加速纖維化瘢痕的形成，導致肺功能下降等一系列癥狀。SIRT1可以通過抑制衰老標志物的表達，降低細胞衰老水平以下調(diào)纖維化因子的表達并緩解IPF癥狀，從而達到保護IPF的目的。

2.4SIRT1激活IPF自噬調(diào)節(jié) 自噬是一種在衰老或損傷的細胞器和蛋白質(zhì)合成、降解和再循環(huán)之間保持平衡以滿足代謝需求的過程。分離膜(噬菌體)吞噬細胞質(zhì)組分是自噬的第一步，然后延伸和融合，導致雙膜囊泡(自噬體)的形成。隨后，自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體，這對降解衰老或損傷的細胞器和蛋白質(zhì)尤為重要。自噬不僅是一種響應能量需求的氨基酸供應機制，還是細胞應激或病理損傷的一種有益的適應性反應機制，包括饑餓、活性氧類、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激和微生物感染[36-39]。自噬標志物Beclin1和微管相關蛋白輕鏈3(microtubule-associated protein light chain 3,LC3)的表達與自噬水平呈正相關，而p62的表達與自噬水平呈負相關。在自噬體的形成過程中，Beclin1蛋白介導自噬相關蛋白定位于吞噬泡，是自噬過程中必不可少的分子，在肺纖維化模型中表現(xiàn)出下降趨勢。LC3是自噬體形成的重要組成部分，敲除LC3Ⅱ可以誘導成纖維細胞分化。選擇性自噬接頭蛋白sequestosome 1(SQSTM1/p62,p62)上有泛素相關的結合域及與LC3相互作用區(qū)域，p62可以清除帶有泛素標記的胞質(zhì)蛋白，并將LC3與這些蛋白質(zhì)結合，形成自噬體進行降解。p62水平升高提示自噬溶酶體通路功能障礙，從而抑制自噬通量，自噬受損。饑餓和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白等自噬激活劑可以調(diào)節(jié)自噬相關蛋白的表達。

有研究表明，SIRT1可以促進自噬蛋白的表達，且與纖維化疾病相關。Yamai等[36]發(fā)現(xiàn)上調(diào)SIRT1蛋白表達，促進自噬，可以改善肝纖維化，用siRNA敲除SIRT1可抑制自噬活性，加重肝纖維化。SIRT1的激活通過關鍵自噬蛋白上賴氨酸殘基的脫乙酰作用增加軟骨細胞的自噬[40]。自噬在維持肺泡上皮功能方面具有重要作用，可以減少上皮-間充質(zhì)轉化的發(fā)生，是抑制肌成纖維細胞分化的重要過程。在博萊霉素誘導的肺纖維化中，自噬體數(shù)量減少，LC3Ⅱ下降、p62升高；增強自噬體的產(chǎn)生可升高LC3Ⅱ的表達，降低p62的表達，抑制TGF-β的產(chǎn)生，降低肺組織膠原含量，從而對IPF起到保護和治療作用[37,41-42]。AMPK作為機體能量代謝調(diào)節(jié)的關鍵因子，能轉錄激活煙酰胺磷酸核糖轉移酶，上調(diào)NAD/煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，從而調(diào)節(jié)下游分子SIRT1的活性水平，同時伴有LC3Ⅱ的表達升高，p62表達降低。AMPK-SIRT1-自噬通路在糖尿病、脂肪肝、腫瘤和心血管疾病中已有報道[3]。AMPK通過磷酸化其下游靶標(如SIRT1、叉頭框蛋白O3a)減輕包括肺纖維化在內(nèi)的炎癥性肺損傷[16]。SIRT1作為AMPK/自噬通路的下游靶標之一可能介導自噬在IPF的作用。

3 小 結

目前IPF仍是威脅人類生命健康的一大疾病。盡管已有多項針對IPF的國內(nèi)外研究，但結果仍不理想。IPF仍存在診療困難，發(fā)病率、死亡率高的難題。研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1在肺部疾病和纖維化疾病發(fā)揮重要作用，可能通過抗炎、抗纖維化、抗衰老、調(diào)節(jié)自噬等機制改善IPF的纖維化。但SIRT1與IPF的關系尚未完全明確，需要大量的基礎研究及臨床研究進行驗證。隨著研究的深入，SIRT1可能成為新的治療靶標。未來，SIRT1的激活劑可能成為治療IPF的新藥。