線粒體SIRT3功能及其在中樞神經系統疾病中的作用研究進展

鄒 鵬，羅 鵬，楊二萬，張昊阜，劉 劍，蔣曉帆，Takashi H(日本)

(1.空軍軍醫大學西京醫院神經外科,陜西 西安 710032；2.日本札幌中央區札幌醫科大學醫學院藥學系，日本 札幌 063-0000)

1979年，學者kelar首次發現了一種可以減緩酵母中釀酒酵母物種老化的蛋白質，并將這一大類蛋白質統稱為沉默信息調節因子家族蛋白質，這些蛋白質具有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)依賴性脫乙酰酶，又被稱為腺苷二磷酸核糖轉移酶[1]。哺乳動物沉默信息調節因子家族蛋白包括七個成員，是一種高度保守的蛋白質，從細菌到人類，具有不同的細胞內定位、底物、酶活性和結構功能。其中線粒體內還有沉默信息調節因子同源蛋白3(Silent information regulator homolog 3，SIRT3)、沉默信息調節因子同源蛋白4(Silent information regulator homolog 4，SIRT4)和沉默信息調節因子同源蛋白5(Silent information regulator homolog 5，SIRT5)。這些蛋白參與轉錄調節、細胞存活、能量代謝、DNA修復、緩解炎癥和晝夜節律調節，在調節各種疾病的病理生理過程中發揮重要作用。只有了解SIRT3是如何調節各種病理生理過程的，才能知道如何擴大SIRT3的保護作用，改善病理代謝過程和生物衰老等。近年來，越來越多的證據表明SIRT3與中樞神經系統疾病的關系越來越密切，表明SIRT3是一個潛在的治療靶點。因此，重點綜述線粒體SIRT3的功能及其在中樞神經系統疾病中的最新研究進展，以期在未來的藥物發現中確認其潛在的治療效果，并為臨床提供科學指導[2]。

1 SIRT3 概述

人源SIRT3基因，由將近400個氨基酸編碼，主要位于染色體11的短臂上，其全長相對分子量約為44 kDa，成熟型為28 kDa，兩種亞型均具有較強的去乙?；钚?，細胞核、細胞質和線粒體都可存在這兩種類型。在高代謝率、高耗氧率和高線粒體組織中，如大腦、心臟、肌肉和肝臟中，兩種類型表達增高，但是在低耗能的組織中表達較少[3]。分子量為44 kDa的長鏈蛋白多分布于細胞質和細胞核中，當線粒體受到反應性應激時，如活性氧(Reactive oxygen species，ROS)增加和DNA損傷，大量SIRT3被切割成分子量為28 kDa的短鏈，并在SIRT3的N端被25個氨基酸殘基形成的線粒體定位信號肽的作用下單獨只轉運至線粒體內，完成乙酰化底物蛋白過程。簡單地說，乙?；孜锏鞍资紫燃せ钚纬擅撘阴；钚宰饔命c，底物蛋白乙?；梢宰饔糜赟IRT3上殘存氨基酸，最終使乙?；孜锏鞍兹コ阴；?，而反應后SIRT3再與NAD+結合形成煙酰胺，就在此過程中起到重要的生物學作用[4]。

SIRT3存在于線粒體的內膜中，是唯一具有穩定線粒體脫乙酰化活性的酶，在線粒體中不同蛋白質的不同部位發揮脫乙酰功能。這種乙?；揎検蔷€粒體翻譯后再修飾的重要形式之一。NAD+水平的增加將觸發激活SIRT3的調節途徑，并導致特定的去乙?；鶊F。通過修飾組織中細胞器中的蛋白質來調節線粒體功能，參與某些異?；瘜W反應群的水解，調節ATP生成、能量代謝、氧化應激、線粒體穩態、線粒體生物發生、細胞內環境穩態、凋亡、自噬、衰老、長壽信號通路、基因轉錄和蛋白質修飾，然后通過信號級聯影響相關疾病的發生[5]。

2 SIRT3與氧化應激、能量代謝

線粒體不僅消耗細胞內85%～90%的氧氣并產生三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)，而且在細胞內產生90%以上的活性氧。呼吸鏈中分子氧的不完全還原和電子泄漏可能導致氧衍生自由基的產生，過量ROS會對細胞器產生應激損傷，其中最嚴重的就是損傷線粒體通透性轉換孔(Mitochondrial permeability transition pore，mPTP)、增加細胞基質鈣超載負荷、激活損傷因子細胞色素C、損傷線粒體、導致細胞凋亡和壞死?；钚匝醯脑黾蛹せ铋_放的mPTP，進一步增加活性氧的產生，形成惡性循環。線粒體膜電位的喪失是mPTP開放的重要因素。一旦mPTP被打開，線粒體被重新磷酸化，氧化磷酸化變得不耦合，并發生大量腫脹，導致線粒體膜電位崩潰和生物能失效，ATP水平降低，然后發生不可逆的細胞死亡[6]。

SIRT3參與細胞質和線粒體中ROS產生的調節。早在2010年國內蛋白質組學實驗證實有關三羧酸循環、脂肪酸氧化、酮生成、尿素循環和電子傳遞鏈等參與呼吸氧化代謝的蛋白質都可以參與乙?；揎?。在氧化應激下，20%的線粒體蛋白質可被去乙?；?，包括氧化磷酸化復合物亞單位、乙酰輔酶A合酶2、氧化應激還原酶、異檸檬酸脫氫酶2(Isocitrate dehydrogenase 2，IDH2)、超氧化物歧化酶2(Superoxide dismutase 2，SOD2)等抗氧化反應系統蛋白質，還包括ATP合酶，琥珀酸脫氫酶和呼吸鏈的其他重要成分。SIRT3可通過多種酶抑制活性氧的積累，發揮抗氧化保護作用，最重要的是，產生煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)，NADPH最終通過還原谷胱甘肽清除活性氧。SOD2是SIRT3的下游介質，是一種關鍵的抗氧化蛋白，可抵抗細胞內ROS的過度形成，保護細胞核和線粒體DNA及其他細胞大分子免受ROS相關損傷，是線粒體重控制系統的重要組成部分。SIRT3缺失可能導致線粒體蛋白質乙?；疆惓?、線粒體呼吸受損、ROS水平升高、基因組不穩定性、細胞內代謝紊亂、糖酵解增加、氧化磷酸化降低以及小鼠對寒冷環境的耐受性。恢復SIRT3的表達可以使ATP恢復到正常水平[7]。

能量平衡的調節主要是調節細胞的能量工廠線粒體，調節線粒體和影響能量消耗的關鍵就是調節線粒體生物合成的轉錄因子——過氧化物酶體增殖物激活受體1共激活子(Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1，PGC-1)，上調PGC-1可促使線粒體生物合成。不僅如此，調控PGC-1的上游因子是細胞能量傳感器，腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)。高水平的AMP代表能量應激，線粒體SIRT3改善此應激的重要過程就是激活AMPK，重新調控ATP動態生成和消耗平衡，并且促進ATP水平的恢復。調控的機制可能是動態乙酰化和磷酸化AMPK上游肝激酶B1(Liver kinase B1，LKB1)，使乙?；土姿峄教幱谄胶怆A段，其中磷酸化LKB1可調控下游通路AMPK，使細胞內ATP濃度維持在合理范圍內[8]。

研究已證實SIRT3是能量調節的中心，為AMPK-PGC-1信號的下游靶點，它促進線粒體生物合成和線粒體抗氧化酶的脫乙酰化，并決定線粒體的質量和功能。當需要大量能量時，如禁食、運動和寒冷時，很容易誘發PGC-1生成。它調節氧化代謝、自噬、細胞呼吸功能，并改善棕色脂肪的產熱效應。在肝細胞中，PGC-1誘導SIRT3和SIRT5的表達，而不是其他形式的同源家族性蛋白質。SIRT3另外一條上調PGC-1的途徑就是利用信號通路正反饋機制，磷酸化反應元件和轉錄因子，也可激活PGC-1上調[9]。

3 SIRT3與新陳代謝、衰老

生物代謝需要在適當的時間和地點使用重要的分子，以滿足身體的需要并維持內部環境的穩態。它一般分為兩個過程：合成代謝和分解代謝。這兩個過程通過協同作用完成體內的代謝平衡。SIRT3可以調節這兩個過程之間的微妙平衡，并嚴格控制多種途徑，如磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(Phosphoinositide 3-kinase，PI3K)、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin，mTOR)、AMPK。降低SIRT3活性會增加代謝綜合征的風險。此外，在心肌肥厚模型中，SIRT3去乙?；D錄因子(Transcription factor Forkhead box O3，FOXO3)，刺激FOXO3向細胞核的遷移和抗氧化酶的表達，穿梭在細胞核、線粒體及其他細胞器之間，共同參與細胞代謝、蛋白調控、廢物再利用，不僅細胞器與細胞器之間有聯系作用，而且細胞與細胞之間也相互作用。FOXO3轉錄因子可能參與各種細胞內大部分生理過程，如其在細胞抵抗氧化應激和正常代謝過程中發揮了重要作用。在相關研究中，由線粒體蛋白質錯誤折疊引起的應激導致SIRT3水平升高及其在線粒體基質中的激活，導致FOXO3脫乙?；掠蔚目寡趸磻?，并影響細胞代謝過程[10]。

越來越多的證據表明，隨著年齡的增長，線粒體功能下降，導致線粒體酶功能紊亂，線粒體DNA(Mitochondrial DNA，mtDNA)突變激增，氧化應激增加。相反，線粒體功能障礙通過代謝顯著受損導致衰老。SIRT3是否會積極影響人類衰老機制尚不清楚，目前認為可能的機制主要有兩方面：一方面脫乙?；撠焟tDNA修復的酶，8-氧胍-DNA糖苷酶1(8-Oxoguanine-DNA glycosylase 1，OGG1)，使mtDNA盡快較大程度修復；另外一方面主要是減少ROS，SIRT3使線粒體SOD2和IDH2脫乙酰化，這有助于產生抗氧化作用[11]。相應地，SIRT3激活谷氨酸脫氫酶(Glutamate dehydrogenase，GDH)，還原型谷氨酰胺分解增加，抗氧化物生成，極大程度緩解細胞的氧化能力?？偟膩碚f，這些發現表明SIRT3可以有效地減輕氧化應激，從而減少細胞衰老。許多證據表明，SIRT3在長壽人群中高度表達，其基因表達或酶活性的增加可以延長人類壽命。還有研究表明NAD+水平隨著生物體老化而降低，導致SIRT3活性降低。

4 SIRT3與自噬、凋亡

自噬是一個持續自我吞噬的過程。在正常生理條件下，受損細胞廢物適度降解并自噬不僅促進新陳代謝，還可以保持內環境穩態。然而，當出現營養和能量物質缺乏等應激狀態時，此時細胞當中受損不太嚴重的蛋白質及細胞器也會發生降解并自噬，這對于細胞自身來說，極有可能出現過渡自噬，導致細胞死亡。越來越多的研究證實神經細胞應激損傷的保護作用是通過SIRT3介導調控的，目前雖然機制尚不夠完善，但是可能與FOXO3調控線粒體自噬相關分子有關。研究表明在應激條件下的骨骼肌細胞，FOXO3上調自噬標志性分子LC3表達，而調控細胞發生線粒體自噬。體外血管內皮細胞培養試驗表明SIRT3過表達可上調自噬水平，抑制凋亡，改善血管內皮細胞功能。SIRT3可以激活自噬，這是一種顯著的細胞自我保護機制。SIRT3可以去乙?；疞KB1，激活AMPK-mTOR自噬通路。有趣的是，去乙?；腇OXO3可以激活自噬相關基因(Autophagy-related gene，ATG)等各種自噬基因的表達，以保護細胞免于凋亡[12]。

為了維護線粒體數量和質量，線粒體自噬和生物合成處于動態平衡。當一個器官無法修復功能失調的線粒體時，迅速被識別并發生自噬，有助于新陳代謝需求，并促進線粒體更新。SIRT3誘導經典線粒體吞噬途徑的啟動和激活，以抑制細胞死亡。自噬的誘導是神經退行性疾病治療的新熱點。因此，SIRT3和自噬激活劑(如雷帕霉素)將成為治療這些疾病的一種新的候選方法。SIRT3可去乙酰化重要呼吸調節蛋白和線粒體電子傳遞鏈中的重要組成成分，進一步調控ROS的產生，調控自噬水平，對細胞產生保護作用[13]。

凋亡和自噬類似，正常條件下適度凋亡普遍存在，病理應激狀態下，線粒體外層膜通透性被嚴重損傷，不僅可以釋放凋亡因子和改變caspase酶活性，而且線粒體內外層膜上的凋亡受體被大量激活，使抗凋亡和促凋亡處于動態平衡中。Bcl-2，一種存在于線粒體外層膜重要的抗凋亡蛋白，不僅可以抵抗促凋亡因子Bax的活性，還可以顯著影響其他促凋亡蛋白的活性。相反，Bax蛋白在凋亡信號的驅使下極易移動到線粒體的外膜，并在線粒體外膜上形成一條通道，促進其通透性，發揮凋亡作用[14]。

SIRT3作為線粒體的主要調節因子，可以通過多種途徑抑制線粒體過度凋亡。P53是促凋亡因子，細胞質中的P53通過移位到線粒體介導線粒體凋亡，主要的影響作用就是導致線粒體ROS大量產生，進一步釋放促凋亡因子。P53易位到線粒體后，可與SOD2相互作用，抑制SOD2活性和ROS清除，使ROS在線粒體內激增，引起細胞凋亡。SIRT3可通過使P53和SOD2去乙酰化，抑制P53向線粒體的移位，降低P53活性，減少P53介導的線粒體凋亡。研究發現，高水平的SIRT3和SOD2通過抑制NLRP3/caspase-1信號通路抑制細胞凋亡，并通過上調磷酸化AKT的表達水平調節caspase-3、Bax和Bcl-2的表達水平，最終調控凋亡過程。

5 SIRT3與其他調控通路

SIRT3不僅可以利用其去乙酰化功能調節下游底物的動態平衡，而且還受到上游相關酶介導的翻譯后修飾的影響，改善蛋白質的活性和酶的穩定性。SIRT3的酶活性和蛋白質穩定性受蛋白質翻譯后修飾的調節。有學者發現SIRT3不僅參與乙?；揎棧€參與泛素化修飾，這主要是第288位賴氨酸介導的，并且受泛素化修飾的SIRT3的催化活性受到抑制。在缺乏泛素化修飾的情況下，線粒體中的蛋白質脫乙?；椭舅嵫趸皆黾?。小鼠在禁食期間發生SIRT3泛素化修飾，缺乏泛素化修飾可以通過增加脂肪氧化磷酸化和能量消耗來對抗高脂飲食誘導的肥胖。SIRT3作為一種去乙?；?，也可以乙?；?。結果發現，在衰老和肥胖小鼠中，SIRT3的57位賴氨酸被乙?；?，乙酰化的SIRT3的酶活性和蛋白質穩定性降低。乙?；毕菪蚐IRT3可降低長鏈乙酰輔酶A的乙?；?，改善小鼠脂肪酸氧化、肝脂肪變性和葡萄糖耐量。還發現SIRT1可以調節SIRT3的乙?；?，以調節相關的代謝活動[15]。

6 SIRT3與神經系統疾病

6.1 SIRT3與缺血性腦卒中 缺血在灌注損傷模型中，細胞處于自噬、凋亡、壞死和神經元保護機制的動態平衡中，其目的為維持神經元內環境穩定。腦缺血再灌注模型的研究表明，腦缺血后細胞損傷涉及多種與能量代謝和線粒體功能障礙相關的因素，包括HIF1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)的激活、ROS的產生、基質金屬蛋白酶-9(Matrix metalloprotein，MMP-9)表達上調、谷氨酸轉運體-1(Glutamate transporter-1，GLT-1)表達下調。臨床試驗表明，腦缺血再灌注損傷后的神經元發生自噬、凋亡、壞死等一系列病理過程，影響神經元的結構和功能。線粒體中產生的NAD+是凋亡途徑中的關鍵分子，凋亡和NAD+的減少密切相關[16]。

SIRT3還可以通過維持血腦屏障的完整性以及抑制HIF1及其下游分子的激活來保護神經元和血管內皮細胞。SIRT3可通過抑制ROS的產生進一步抑制HIF-1的激活，ROS和HIF-1是腦缺血再灌注損傷的重要因素。研究表明SIRT3表達上調可抑制血管內皮細胞凋亡，SIRT3促進缺血性中風中小膠質細胞的遷移，并促進神經血管的功能恢復[17]。

6.2 SIRT3與中樞神經系統腫瘤 腫瘤細胞的代謝模式不同于正常細胞，大多數癌細胞更多地依賴有氧糖酵解獲得能量。糖酵解不僅提供了快速的能量供應，而且為腫瘤微環境的發生和發展提供了許多有利因素，如加速基因組不穩定性、激活PI3K等細胞增殖信號。然而，氧化磷酸化仍然是一些膠質母細胞瘤的主要能量供應方式。不同腫瘤的微環境差異很大，生存壓力使其選擇最合適的代謝途徑。SIRT3作為腫瘤代謝的關鍵調節因子，參與線粒體的代謝重編程，調節ROS水平發揮抗癌作用，這是SIRT3的一個重要特征。近年來，越來越多的研究表明SIRT3在中樞神經系統腫瘤的生物學和進化中起著重要作用。SIRT3功能的喪失與致癌表型的發生有關，其機制可能是線粒體蛋白過度乙酰化，線粒體功能出現障礙，細胞處于高氧化應激狀態，促進腫瘤發生。在某些類型的癌癥中，SIRT3充當腫瘤啟動子，因為它將活性氧水平維持在適應細胞存活和增殖的特定閾值以下[18]。

6.3 SIRT3與顱腦外傷 創傷性腦損傷(Traumatic brain injury，TBI)通常有發病機制復雜和不可逆轉的機械損傷的特點，雖然TBI的臨床治療有了很大的發展，但目前尚無確切療效的藥物，可能由于藥物阻斷機制單一，無法滿足腦保護要求。研究表明，TBI后自噬增強，激活的自噬在TBI后發揮腦保護作用，但其在TBI中的作用仍存在爭議。在TBI動物模型中，小鼠神經元自噬功能上調，神經功能明顯恢復。在小鼠TBI早期，自噬發揮的是損傷神經細胞的作用，而不是保護神經作用，在抑制自噬后，小鼠的神經元活性增加，行為功能喪失得到改善。后來有學者證實發生此種情況的原因可能和試驗條件、建模方式不同有關?？梢钥闯觯琓BI可以誘導自噬激活，但自噬到底在TBI病理過程中發揮的是正作用還是負作用，目前尚無統一結論。研究表明在TBI模型中，SIRT3誘導自噬抵抗神經元損傷，發揮神經保護作用，可能和經典自噬通路AMPK-mTOR有關[19]。最近的研究表明，在高原低氧暴露環境下，線粒體SIRT3的含量與低氧暴露時間和海拔高度嚴格呈時間依賴性分布，并且過表達和下調SIRT3分別會表現出顱腦外傷的神經保護作用和損傷作用。

6.4 SIRT3與阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD) 通過對活性氧產生的氧化生物分子的分析，發現氧化應激損傷在阿爾茨海默病中很常見，氧化應激損傷與線粒體功能障礙之間存在螺旋式相互作用。因此，ROS的產生已成為AD等多種神經退行性疾病的主要威脅因素。最近的病理學研究表明，在人類患者和小鼠AD模型中均可檢測到SIRT3表達增加。載脂蛋白E4(Apolipoprotein E4，APOE4)是遲發性AD的主要遺傳因素。在APOE4患者中，SIRT3在額葉皮質的表達明顯低于非攜帶者。因此，SIRT3水平分析可能有助于AD的診斷。此外，由于ROS合成增加，SIRT3的表達水平可能相應增加。在體外培養的原代神經元中，SIRT3的上調可能與AD中氧化應激引起的線粒體反應性增加有關[20]。

7 小 結

隨著人們對SIRT3的重視，SIRT3在神經系統疾病中的作用日益突出，被稱為線粒體的守護者。SIRT3就像一個紐帶，與自噬、凋亡、腫瘤免疫、腫瘤微環境和腫瘤細胞能量代謝的相關機制聯系起來，在維持線粒體功能和完整性方面非常重要，但本綜述內容仍有不足，因為現存的研究觀點仍然存在分歧，如SIRT3在中樞神經系統疾病中發揮的作用不一，而且不同階段分別起到促進和抑制作用，到底是SIRT3的單一作用還是作用于其他信號通路，許多疑問有待進一步研究證實，無法做到統一，這些問題將促使我們更深層次的對《》SIRT3進行研究。因此，更好地了解線粒體SIRT3的功能及其在中樞神經系統疾病中的最新研究進展，為預防和治療神經系統相關疾病提供新的治療思路，并可能最終成為理想的治療靶點。