sirtuins對心肌能量代謝影響的研究進展*

聶 彤 ， 王 笑 ，2， 倪晶宇

（1天津中醫藥大學，天津 301600；2天津中醫藥大學第一附屬醫院，國家中醫針灸臨床醫學研究中心，天津 300380）

心血管疾病是造成我國居民死亡的主要原因，約占總死亡人數的40%［1］，并且由于我國人口老齡化程度日益加劇，心血管疾病的患病率將會呈現逐年增加的趨勢［2］。隨著對心血管疾病病理機制研究的不斷深入，臨床用于心血管疾病的藥物和方法也逐漸增加，但心血管疾病的發病率和入院率仍然居高不下，因此現階段仍需要更加深入探索心血管疾病的發生發展機制并發展新的治療策略。自2004 年提出心肌能量代謝重構的概念后［3］，改善心肌細胞能量代謝被認為是治療心血管疾病的關鍵環節，領域內研究者對此開展了諸多有益探索。唐斌等［4］對大鼠進行腹主動脈縮窄手術建立心力衰竭模型，給予黃芪甲苷治療，觀察到長鏈脂酰輔酶A 脫氫酶表達增加，而6-磷酸果糖激酶1 表達下降，黃芪甲苷可能從改善心肌能量代謝障礙方面抑制了慢性心力衰竭的進一步惡化。

sirtuins 是酵母沉默交配型信息調節因子2（silent mating type information regulator 2，Sir2）蛋白在哺乳動物中的同源蛋白家族，是生命體中廣泛存在的一類依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的組蛋白脫乙酰酶，經多條途徑直接或間接地參與調節能量代謝［5-6］。近年研究顯示，sirtuins 可通過調節脂肪酸代謝和葡萄糖代謝來響應能量水平的變化，是控制能量穩態網絡的關鍵調節器，并且在多種心血管疾病中觀察到sirtuins 表達降低。本文就sirtuins 對心肌能量代謝的影響進行綜述。

1 sirtuins簡介

1.1 sirtuins 的結構及細胞定位 sirtuins 是生命體中廣泛存在的一類依賴于NAD+的組蛋白脫乙酰酶，其家族成員從原核生物到真核生物高度保守，都具有高度保守的NAD+結合域和核心催化域，以及長度和序列可變的N 端和C 端。通過X 射線晶體學方法對多種來源sirtuins 的三維結構進行分析，結果顯示sirtuins 的三維結構包含一個較大的Rossmann 折疊結構域和一個較小的結構更多樣化的鋅結構域，將兩個域連接起來的輔助因子結合環在大小結構域之間形成一個裂口，NAD+和其它底物結合于裂口中［7］。小結構域的多樣性可能在調節蛋白質相互作用中發揮作用，對底物特異性、酶定位和酶活性的調節都很重要。除催化核心域外，sirtuins 的N 端和C 端在長度、序列和二級結構上均不相同，它們之間的差異也影響著其結合底物、定位和活性。

哺乳動物體內共有7 種sirtuins（即SIRT1～7），分布在不同亞細胞層中，每種sirtuin 蛋白都包含有助于其細胞定位的初級氨基酸信號序列。SIRT1、SIRT6 和SIRT7 的核定位信號使它們主要在細胞核中表達；SIRT3、SIRT4 和 SIRT5 含有 N 端線粒體靶向序列，被認為定位于線粒體基質；SIRT2 主要存在于細胞質，但其亞細胞定位不固定或不在固定表達的位置發揮作用，這可能取決于細胞類型、應激狀態和分子間相互作用［8］（圖1）。

Figure 1. Celluar localization of sirtuins（by Figdraw）. There are 7 isoforms of sirtuins in mammals，SIRT1 to SIRT7.SIRT1，SIRT6 and SIRT7 are mainly expressed in the nucleus. SIRT3，SIRT4 and SIRT5 contain N-terminal mitochondrial targeting sequences，which are located in the mitochondrial matrix. SIRT2 is predominantly found in the cytoplasm. They remove acetyl（Ac）from acetylated proteins.圖1 sirtuins的細胞定位（由Figdraw繪制）

1.2 sirtuins 酶活性 sirtuins 是底物特異性的蛋白質脫乙酰酶，它們通過一種獨特的酶促機制從底物蛋白靶點賴氨酸殘基?-氨基上去除乙?；玫饺ヒ阴；牡鞍桩a物、煙酰胺和2-O-乙酰基-ADP-核糖［8］。哺乳動物sirtuins 中被研究最多的成員是SIRT1，其脫乙酰酶活性較強且蛋白靶點較多，如過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）［9］、叉頭框蛋白 O1（forkhead box protein O1，FoxO1）［10］、叉頭框蛋白 O3（forkhead box protein O3，FoxO3）［11］、p53［12］、核因子 κB（nuclear factor-κB，NF-κB）［13］、缺氧誘導因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF1α）［14］等；SIRT2 和SIRT3 的脫乙酰酶活性也較強，而SIRT4、SIRT5、SIRT6和SIRT7的脫乙酰酶活性較弱或檢測不到，SIRT4主要表現為核糖基轉移酶活性［15］。除脫乙酰酶活性外，SIRT5還具有去甲基化酶活性和去琥珀?；富钚裕琒IRT6 和SIRT7 還具有核糖基轉移酶活性；隨著研究的深入，也檢測到SIRT7的去琥珀?；腿ノ於；富钚裕?6］，但其功能還有待探索。sirtuins通過多種途徑延緩心血管疾病的發展，例如減輕氧化應激［17］、調節線粒體的生物合成［18］、調控轉錄和翻譯［19］等，進而維護心臟的正常功能。

2 sirtuins對心血管疾病能量代謝的影響

心臟能量代謝最顯著的特征是應對各種刺激時表現出的代謝靈活性，即心臟可以利用不同的底物，包括碳水化合物（主要是葡萄糖）、脂肪酸、氨基酸和酮體等，在慢性病理生理條件下，重塑代謝途徑，以保障心肌能量供應和維持收縮功能［20-22］。在正常情況下，心臟所需ATP 主要由線粒體氧化磷酸化提供，其主要代謝底物為脂肪酸［20-21］；當心血管疾病發生時，心肌線粒體動力學劇變和功能障礙［22-26］，導致其氧化代謝能力降低，發生代謝重編程，代謝底物由脂肪酸轉向葡萄糖以及其它代謝底物［22，27］。研究顯示在疾病早期增加糖酵解對心臟具有保護作用，但糖酵解分支代謝途徑也會增多，長此以往，造成氧化還原應激增加，加劇左心室擴張和心功能障礙等［27］。而sirtuins可以調節底物利用，激活多種代謝途徑，改善線粒體功能，從而發揮防治心血管疾病的作用。

2.1 sirtuins 影響心肌底物攝取 心肌細胞攝取代謝底物是心臟能量代謝的第一步，攝取和代謝失衡會導致底物代謝不完全和有害代謝產物堆積，進而造成心肌損傷和收縮功能障礙。因此，影響代謝底物攝取是調控心肌能量代謝的重要環節。心肌細胞攝入游離脂肪酸和外源性葡萄糖需借助相應的轉運蛋白載體，運載游離脂肪酸和葡萄糖進入心肌細胞，因此影響相關轉運蛋白載體的含量或活性可以調控心肌底物攝取，進而影響細胞能量代謝［28-29］。心臟中AMP/ATP 比值增加能激活AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）-SIRT1 信號途徑，使PGC-1α 蛋白乙?；浇档?，進而促進過氧化物酶體增殖物激活受體α（peroxisome proliferatoractivated receptor α，PPARα）進入細胞核，使脂肪酸轉位酶CD36移位到細胞膜，從而促進游離脂肪酸攝?。?0］。用棕櫚酸（palmitic acid，PA）誘導H9c2 心肌細胞脂毒性和能量代謝失衡，CD36 和葡萄糖轉運蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）代謝途徑蛋白表達減少；經白藜蘆醇激活SIRT1，并用蛋白激酶Cζ（protein kinase Cζ，PKCζ）的小干擾RNA（PKCζ 可激活GLUT4運載葡萄糖進入心肌細胞）處理H9c2細胞24 h，結果顯示CD36 代謝途徑相關蛋白表達顯著增加，GLUT4 代謝途徑相關蛋白表達降低，證明了SIRT1可以作為調節代謝通路開關的關鍵點，影響心肌能量代謝重塑，從而達到提高心臟代謝效率的目的［30］（圖 2）。

2.2 sirtuins 對心肌底物利用的影響 心臟對能量的需求極其嚴格，需要源源不斷的ATP 維持其正常功能，一旦缺血缺氧，導致底物和氧氣供應不足，抑制心臟氧化代謝，并激活糖酵解以節省有限氧氣的使用［31］。當心肌缺血再灌注（ischemia reperfusion，I/R）時，缺血導致代謝異常甚至停止，再灌注過程快速激活代謝途徑，從而造成代謝紊亂。缺血45 min 后再灌注6 h［32］，觀察到葡萄糖氧化代謝逐漸活躍，但過量的葡萄糖氧化代謝會導致活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生增加和還原劑NAPDH 減少，引起氧化損傷，導致ATP 供應不足，加重心肌組織損傷［33］；同時，NOD 樣受體蛋白 3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）炎癥小體以ROS 依賴的方式被激活，誘導心肌細胞焦亡，造成心臟功能障礙。SIRT1激動劑可降低丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase，PDH；控制葡萄糖氧化代謝速率的酶）活性，降低葡萄糖氧化代謝能力，減少ROS 和NLRP3 產生，從而保護心臟免受I/R 損傷。由此可見，SIRT1 可以在病理狀態下平衡代謝變化，減少心肌損傷（圖2）。

心臟內外血管的完整性、灌注和功能有賴于不同類型細胞的相互作用，除心肌細胞外，心肌成纖維細胞、炎癥細胞及內皮細胞等非心肌細胞也起到了重要作用。其中內皮細胞是心臟間質細胞中數量最多的細胞類型，在心血管疾病發生發展過程中發揮了重要作用［34］。采用內皮細胞SIRT3敲除小鼠和主動脈縮窄（transverse aortic constriction，TAC）誘導心衰小鼠探究SIRT3 對心臟功能的影響［35］，結果顯示內皮細胞SIRT3缺失會加重心肌肥厚和收縮功能障礙，并導致GLUT1、GLUT4 及糖酵解酶表達減少；在內皮細胞SIRT3缺失的情況下，血管新生功能受到損害，促血管新生因子apelin增加心肌血管生成并緩解心力衰竭的作用被抵消；由此可見，內皮細胞SIRT3表達增加可提高心肌葡萄糖代謝效率，改善心臟功能（圖2）。

2.3 sirtuins 對心肌線粒體功能的影響 線粒體為心臟持續產生ATP 提供了保障，約占心肌細胞總體積的45%［36］。病理狀態下，線粒體結構和功能會出現異常［16-19］：（1）線粒體腫脹、線粒體嵴密度降低等；（2）與呼吸鏈和ATP 合成相關的線粒體功能逐漸下降，例如電子傳遞鏈解偶聯、ROS 產生增加、細胞ATP 池的消耗，以及廣泛的細胞損傷和心肌細胞凋亡；（3）線粒體自噬系統出現故障，導致功能障礙的線粒體積累，促進疾病的發展。因此，維持線粒體系統穩定性，使其氧化代謝功能正常，持續供給心臟ATP，是保障心臟收縮功能正常的必要條件。在脂多糖處理心肌細胞后［37］，降低SIRT3表達能使AMPK失活，線粒體生物發生鈍化，造成線粒體氧化代謝能力降低，線粒體生成ATP 減少，ROS 產生增加，最終導致心肌細胞受損和收縮功能障礙；相反，過表達SIRT3 會增加AMPK 活性，改善線粒體生物發生，從而維持線粒體功能。除此之外，SIRT3作為表達在線粒體中的脫乙酰酶，可通過去乙?；绊懢€粒體DNA修復相關基因的表達，降低心肌I/R期間的線粒體凋亡［38］，阻止線粒體裂變等［39］。SIRT1作為線粒體完整性的主要調節器，它可直接調控PGC-1α［40-41］，與核因子 E2 相關因子 1/2 相互作用［42］，促進線粒體的生物發生。人參皂苷Rc 是SIRT1 的激活因子，可以通過激活SIRT1-PGC-1α 通路，在不增加ROS 生成的情況下，促進線粒體生物合成，進而改善心臟功能［43］（圖2）。

線粒體活性由細胞核DNA 和線粒體DNA 編碼的蛋白質共同控制。線粒體穩態的一個關鍵調節器為SIRT7［44］，它的缺失導致小鼠多系統線粒體功能障礙，表現為血乳酸水平升高、運動能力降低、心功能障礙等。SIRT7 通過去乙酰化核編碼線粒體基因的主要調節因子GA 結合蛋白（GA-binding protein，GABP）β1，促進其與GABPα 形成復合物，進一步激活GABPα/GABPβ 異四聚體轉錄，從而維持線粒體結構和功能的穩定（圖2）。

3 總結與展望

Figure 2. Effects of sirtuins on myocardial energy metabolism（by Figdraw）. SIRT1 regulates metabolic pathway switch，CD36 and glucose transporter 4（GLUT4），to improve myocardial lipotoxicity and energy metabolism imbalance. It protects the heart from ischemia-reperfusion injury by reducing pyruvate dehydrogenase（PDH）activity，glucose oxidative metabolism，and reactive oxygen species（ROS）and NOD-like receptor protein 3（NLRP3）production. SIRT3 increases AMP-activated protein kinase（AMPK）activity and improves mitochondrial biogenesis，thereby maintaining mitochondrial function. Endothelial SIRT3 mediates the increased expression of GLUT1，GLUT4 and glycolytic enzymes，which can improve cardiac efficiency. SIRT1 directly regulates peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α（PGC-1α）and interacts with nuclear factor E2-related factor 1/2（Nrf1/2）to promote mitochondrial biosynthesis without increasing ROS production.SIRT7 deacetylates GA-binding protein β1（GABPβ1）to promote its complex formation with GABPα，further activates GABPα/GABPβ heterotetramer transcription，and maintains the stability of mitochondrial structure and function.圖2 sirtuins對心肌能量代謝的影響（由Figdraw繪制）

sirtuins 的結構現已清晰，其細胞定位也隨著研究的深入被確定，但仍存在一定的爭議，例如SIRT7被普遍認定為表達于核仁，但在細胞質中也可以檢測到其存在。sirtuins 因其延緩衰老的作用而被重視，而心血管疾病又多發于老年群體中，這推動著科研工作者對sirtuins 在心血管疾病方面作用的探索，并觀察到：（1）sirtuins可以通過改善心肌能量代謝延緩心血管疾病的發展；（2）能夠減輕心臟氧化應激帶來的不良反應［45-46］（包括ROS 產生增加和抗氧化劑減少）；（3）降低蛋白乙?；?，增強它們與DNA結合的能力，誘導抗氧化劑基因表達［47］；（4）可通過維持轉化生長因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）信號通路促進心肌組織修復［48］。sirtuins 雖被觀察到具有調節心肌能量代謝的作用，但相關研究有待進一步深入。此外，sirtuins具有多種酶活性，在心臟組織當中的表達也大不相同，為檢測工作增加了一些復雜性，但隨著科技的進步，這些困難也將迎刃而解。

綜上所述，sirtuins 影響心肌能量代謝的多個環節，維持線粒體系統穩定性，并減輕心血管疾病發生發展過程中帶來的其它不良影響，揭示了其家族調節心肌能量代謝的潛力。