沉默信息調節因子2相關酶1抗氧化應激作用在抗動脈粥樣硬化中的作用機制研究進展

吳奇東，章怡祎

(上海中醫藥大學附屬龍華醫院ICU,上海 200032)

動脈粥樣硬化(atherosclerosis,AS)是一種以脂質條紋、纖維斑塊和粥樣斑塊為主要病理改變的慢性炎癥性疾病。動脈粥樣硬化導致的心血管疾病目前仍是全世界最主要的死亡原因[1]。目前,動脈粥樣硬化的發病機制尚未明確,內皮損傷、脂質浸潤及炎癥反應在動脈粥樣硬化的發生發展過程中發揮重要作用[2]。動脈粥樣硬化的形成過程主要為血管內皮細胞損傷導致內皮細胞功能下降,早期脂質條紋和富含脂質的壞死核心的動脈粥樣硬化斑塊形成,纖維組織增生和鈣鹽沉積導致血管狹窄或堵塞,隨著動脈粥樣硬化斑塊纖維帽的降解、變薄和不穩定,導致斑塊破裂形成血栓[3]。

沉默信息調節因子2相關酶1(silent mating type information regulation 2 homolog 1,SIRT1)是Sirtuins蛋白家族成員,可通過調節多種蛋白靶點,促進一氧化氮(nitric oxide,NO)的生成,抑制氧化應激、增強內皮依賴性血管舒張,從而抑制平滑肌細胞遷移和增殖;同時可通過抑制炎癥反應,減少泡沫細胞的形成,減輕血管損傷和改善血管僵硬度,發揮抗動脈粥樣硬化作用[4]。SIRT1誘導的抗氧化應激在動脈粥樣硬化的發生發展過程中起著重要作用。現對SIRT1誘導的抗氧化應激在改善動脈粥樣硬化中的作用機制進行綜述。

1 氧化應激與動脈粥樣硬化

氧化應激是指機體受到刺激后,體內活性氧(reactive oxygen species,ROS)增多,導致氧化與抗氧化系統失衡,從而損傷組織細胞的一種病理過程。ROS包括超氧化物、過氧化氫、羥基自由基、過氧自由基、單線態氧和臭氧等[5]。血管壁中存在多個ROS酶生成系統,包括還原型輔酶Ⅱ(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶(NAPPH oxidase,NOX)、黃嘌呤氧化酶、線粒體呼吸鏈酶和脫偶聯的內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric synthase,eNOS)[6]。中等濃度的ROS在生理條件下具有重要的信號傳導作用,當氧化系統超過抗氧化防御系統時,產生過量的ROS會導致氧化應激反應[6]。ROS的增加會促進低密度脂蛋白氧化修飾成氧化型低密度脂蛋白,導致內皮功能障礙,激活炎癥因子并促進炎癥因子如單核細胞趨化蛋白-1、細胞間黏附分子-1和白細胞介素-1的表達,造成血管內皮損傷、血管平滑肌細胞增殖和遷移、巨噬細胞泡沫化和炎癥反應,上述因素往往又會進一步誘導ROS的產生,造成惡性循環,這在動脈粥樣硬化的發生發展中起重要作用[7]。而SIRT1可以降低氧化應激以及氧化應激誘導的內皮損傷,從而達到抗動脈粥樣硬化作用[8]。

2 SIRT1的結構和特性

SIRT1是一種高度保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性組蛋白去乙酰化酶[9]。SIRT1主要位于細胞核中以及部分細胞質中,在特定條件下可發生核質穿梭[10],高表達于內皮細胞、平滑肌細胞和血管周圍脂肪組織中[11]。SIRT1可使組蛋白(H1、H3、H4)和叉頭框蛋白(forkhead box protein,FOX)、p53、核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)、信號傳導與轉錄激活因子、高遷移率族蛋白B1、過氧化物酶體增殖物激活受體-γ和過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γ co-activator-1α,PGC-1α)等多種非組蛋白去乙酰化[12-13],此外,SIRT1還可促進DNA損傷修復蛋白Ku70去乙酰化[14]。SIRT1通過對組蛋白和非組蛋白去乙酰化來調節對炎癥、氧化應激、細胞存活、細胞凋亡、細胞生長、細胞衰老和能量代謝等至關重要的細胞生物學過程[15-16]。SIRT1缺乏會促進炎癥、氧化應激及泡沫細胞形成,抑制NO的產生和自噬,從而促進血管老化和動脈粥樣硬化的形成[17]。

3 SIRT1抗氧化應激作用機制

3.1 促進eNOS表達

在生理條件下,內源性NO具有抗動脈粥樣硬化作用,能改善血管張力,減少單核細胞黏附和血小板聚集,抑制平滑肌細胞增殖和遷移,減少炎癥細胞浸潤和脂質攝取,起到保護血管內皮和抗動脈粥樣硬化的作用[18]。eNOS是誘導產生NO的關鍵酶,其活性高低直接影響NO的生成。當發生氧化應激時,eNOS可能出現功能失調,導致eNOS解偶聯并催化產生超氧陰離子(O2-)[19-20]。因此,可以通過增強eNOS表達,防止eNOS解偶聯,產生NO和抑制O2-生成,發揮抗氧化應激作用。目前已有許多藥物如白藜蘆醇等被證明可以逆轉eNOS解偶聯,并刺激eNOS活性,增加NO水平,從而減少氧化應激反應[21]。

SIRT1可通過介導eNOS的表達,抑制內皮細胞凋亡,改善血管內皮功能,從而發揮抗動脈粥樣硬化作用[22]。SIRT1在內皮細胞中高度表達,可通過對eNOS鈣調節結合蛋白功能區的賴氨酸496和506去乙酰化來激活eNOS,促進NO生成,NO的增加會促進內皮依賴性血管舒張,相反,抑制內皮中的SIRT1會抑制內皮依賴性血管舒張并減少內源性NO的產生[23]。此外,SIRT1在eNOS磷酸化中也發揮重要作用,SIRT1可通過激活磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B /eNOS信號通路,上調磷酸化eNOS蛋白表達水平,促進NO的生成[24]。DONATO等[25]研究也證實,抑制SIRT1蛋白的表達和酶活性,可以降低eNOS的表達和磷酸化。

3.2 調控叉頭框蛋白O(forkhead box protein O,FOXO)

FOX家族是一類重要的轉錄因子,由19個不同的亞家族組成,其中亞家族O包括FOXO1、FOXO3a、FOXO4和FOXO6[26]。FOXO轉錄因子是抗氧化應激的關鍵因子,參與許多重要生物過程,包括抗氧化應激、代謝、凋亡、細胞增殖、自噬和DNA修復等[27]。SIRT1通過對FOXO1、FOXO3a和FOXO4轉錄因子的去乙酰化,誘導內皮細胞中的錳超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase,MnSOD)、過氧化氫酶、過氧化物酶3和5、硫氧還蛋白、硫氧還蛋白還原酶2和解偶聯蛋白2等抗氧化基因的表達,減少ROS的生成,從而發揮抗氧化應激作用[28-29]。此外,SIRT1還可與FOXO3a直接結合,降低其乙酰化水平,提高其泛素化水平,從而抑制FOXO3a的蛋白表達和轉錄活性,并拮抗氧化應激誘導的內皮祖細胞凋亡[30]。有研究發現,抑制SIRT1、FOXO1和FOXO3表達會減弱白藜蘆醇對eNOS的活性,導致eNOS蛋白表達和NO生成減少,說明eNOS可能并非SIRT1的直接靶點,SIRT1/FOXO軸才是導致eNOS升高的原因,說明SIRT1也可以通過促進FOXO轉錄因子的表達和活性上調eNOS和NO水平[31]。

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)是一種能夠清除ROS的金屬酶,具有抗氧化應激作用[32]。已有研究證明,SIRT1可通過去乙酰化作用激活FOXO3a,從而上調MnSOD基因的表達及促進其轉錄活性,并通過SIRT1/FOXO3a/MnSOD軸抑制氧化應激和ROS的生成,保護血管內皮,改善心臟功能[33]。另有研究發現,白藜蘆醇可以增加MnSOD蛋白的表達水平和活性,從而發揮抗氧化應激作用,并抑制心肌細胞肥大,而這種保護作用機制可能與SIRT1通過其去乙酰化作用下調乙酰化FOXO1的表達,上調MnSOD基因的表達,從而調節FOXO1/MnSOD 信號通路有關[34]。

3.3 抑制NF-κB表達

NF-κB是一種重要的轉錄因子,其活性與ROS的產生密切相關,主要是通過增加抗氧化蛋白的表達來降低ROS水平[35]。SIRT1可使p65去乙酰化,并促進SIRT1與其去乙酰化底物NF-κB p65結合,從而抑制NF-κB轉錄[36],表明SIRT1可通過抑制NF-κB的表達,降低ROS水平來發揮抗氧化作用。SIRT1還可通過激活腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK),抑制NF-κB的表達,從而抑制ROS的產生。ZHANG等[37]研究發現,上調SIRT1的表達可激活AMPK,抑制NF-κB的表達,即可通過調節AMPK/SIRT1/NF-κB信號通路抑制氧化應激和炎癥反應,從而改善動脈粥樣硬化疾病進展。此外,有研究證明,長期的熱量限制能夠激活SIRT1/AMPK/PGC-1α通路,即上調SIRT1的表達可激活AMPK,提高SIRT1對PGC-1α的去乙酰化作用,促進PGC-1α的轉錄活性,從而發揮抗氧化應激作用,保護血管內皮[38]。

3.4 抑制NOX表達及活性

NOX是一種氧化還原酶,也是體內ROS的主要來源。SIRT1可以減少NOX的產生,并在抑制NOX活性及超氧化物的產生中起重要作用[39]。有研究已經證實,抑制SIRT1會導致NOX活性增強及其亞基p22phox和NOX4的表達上調,而激活SIRT1可抑制NOX活性,并抑制ROS產生和NO失活[40]。此外,有研究顯示,槲皮素誘導的SIRT1上調可以增強AMPK活性,減少NADPH的產生,并降低NOX2和NOX4的活性,促進eNOS表達,從而減少ROS的生成,發揮抗氧化應激作用[41]。因此,SIRT1可以通過SIRT1/AMPK/NADPH和SIRT1/AMPK/eNOS 2條通路,參與抗氧化應激反應。此外,缺氧可誘導NOX4上調SIRT1,促進活性核因子紅細胞2相關因子2(active NF-E2-related factor,Nrf2)和激活轉錄因子(activating transcription factor,ATF)蛋白表達,即調控SIRT1/Nrf2/ATF信號通路可改善氧化應激導致的心臟損傷[42]。

3.5 抑制p53活性及表達

p53是一種腫瘤抑制蛋白,也是一種氧化應激轉錄因子,除了調節細胞凋亡、細胞周期、自噬和DNA修復,在氧化應激方面也發揮著重要的作用[43]。SIRT1可以通過促進p53去乙酰化來抑制p53活性,發揮抗氧化應激作用,并防止細胞凋亡和保護血管內皮[44]。下調SIRT1可促進p53 mRNA和蛋白質的表達,從而促進細胞凋亡及氧化應激,參與動脈粥樣硬化進展[45]。

3.6 抑制p66Shc表達

p53可通過調節不同靶蛋白促進氧化應激損傷,誘導細胞凋亡,p66Shc是其中一種靶蛋白,也是一種銜接蛋白,具有氧化還原酶活性,可刺激線粒體產生ROS[46]。MARTIN-PADURA等[47]研究發現,與正常小鼠比較,p66Shc缺陷小鼠的抗氧化應激能力較高,可明顯延緩動脈粥樣硬化的發生發展。ZHOU等[48]研究發現,SIRT1可將p66Shc啟動子區結合的組蛋白H3去乙酰化,從而抑制p66Shc的轉錄和表達,減少ROS的生成,進而發揮抗氧化應激作用,改善內皮功能。SIRT1下調會導致p66Shc基因啟動子的去乙酰化減少,促進p66Shc轉錄和表達,激活NOX,抑制抗氧化酶表達,促進ROS的生成,從而導致細胞氧化應激損傷[49]。

4 結論

氧化應激反應是一個機制復雜的病理過程,SIRT1可通過不同信號通路抗氧化應激損傷,各信號通路相互影響相互關聯,是一個復雜的信號網絡,涉及SIRT1/eNOS、SIRT1/FOXO、SIRT1/NF-κB、SIRT1/NOX、SIRT1/p53等。SIRT1通過對組蛋白和非組蛋白去乙酰化調控eNOS、FOXO、NF-κB、PGC-1α、NOX、p53、p66Shc活性或表達,來對抗氧化應激誘導的內皮損傷,從而起到抗動脈粥樣硬化作用。SIRT1除了抗氧化應激作用外,還能通過促進NO產生,抑制平滑肌細胞遷移和增殖,抑制炎癥和泡沫細胞的形成,減輕內皮損傷和改善血管僵硬度,從而發揮抗動脈粥樣硬化作用。目前已知的能夠激活并調控SIRT1活性和表達的化合物較少。因此,未來應該深入研究SIRT1抗氧化應激損傷的機制,研發靶向調控SIRT1活性和表達的藥物,這將為動脈粥樣硬化的治療提供新的思路和方法。