沉默信息調節因子5在心血管疾病中的作用研究進展

于達云,許錦文,凌 霜

(上海中醫藥大學交叉科學研究院,上海 201203)

心血管疾病(cardiovascuar diseases,CVDs)是一系列涉及心臟、血管等循環系統的疾病,具有高患病率、高致殘率、高復發率和高病死率的特點。CVDs是全球死亡率的最主要原因,在中國CVDs死亡人數也占總死亡人數的 40%[1]。目前我國城市居民冠心病(coronary heart disease,CHD)、急性心肌梗死、肥厚型心肌病發病率明顯增加,表明CVDs已經成為現代人生命健康安全的重要威脅,并且CVDs龐大的患病人群為我國的醫療體系帶來了嚴重的負擔,成為現代社會的重大公共醫療衛生問題。

沉默信息調節因子5 (silent information regulator 5,SIRT5)是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)依賴性脫酰基酶,可催化從蛋白質中脫除乙酰基、琥珀酰基、丙二酰基和戊二酰基。由于SIRT5的活性位點存在兩個帶正電荷的氨基酸Tyr102和Arg105,因此它偏好帶負電荷的酰基(如琥珀酰賴氨酸)[2]。SIRT5對線粒體蛋白的翻譯后修飾(protein post-translational modifications)和活性調節起重要作用,可以調控線粒體的代謝途徑,如氧化磷酸化、活性氧(reactive oxygen species,ROS)合成、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)合成與代謝、酮體生成等。氨甲酰磷酸合成酶1(carbamoyl phosphate synthetase I,CPS1)作為尿素循環的第一步的限速酶,SIRT5還可以將CPS1去乙酰化,從而調控尿素循環。

SIRT5在心肌細胞中廣泛分布,在CVDs中發揮著重要的作用。本文將對SIRT5的病理生理學作用及其與CVDs研究新進展作一綜述,為CVDs的發病機制和臨床防治提供新的研究思路。

1 SIRT5的病理生理學作用

SIRT5在心肌細胞內能夠調控細胞能量代謝、改善細胞ROS生成和抑制炎癥反應。這些作用對于改善心肌細胞的功能、防治CVDs是有益的。

1.1 SIRT5調控能量代謝成年哺乳動物的心臟需要大量能量來維持收縮功能。鑒于心肌細胞的能量存儲有限,必須通過持續氧化來連續產生ATP,維持心臟正常功能[3]。SIRT5功能涉及到線粒體代謝的方方面面。SIRT5可以通過脫乙酰基、脫琥珀酰基、脫丙二酰基和脫戊二酰基的作用,調節心磷脂的親和力和改善丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase)、琥珀酸脫氫酶(succinate dehydrogenase,SDH)、醛縮酶、3-磷酸甘油醛脫氫酶(glyceral-dehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)、M2-型丙酮酸激酶(M2 isoform of pyruvate kinase,PKM2)、線粒體三功能蛋白α-亞基(mitochondrial trifunctional protein-α)和3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合酶2 (3-hydroxy-3-methylglytaryl-CoA synthetase 2,HMGCS2)等酶的活性,參與呼吸鏈、三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)、糖酵解、脂肪酸β-氧化(fatty acid β-oxidation,FAO)和酮體生成等過程。因此,SIRT5缺乏或活性降低會減少心臟線粒體的能量供應。SIRT5過表達則可逆轉線粒體功能障礙和能量代謝損害,如線粒體DNA編碼基因表達增多,線粒體膜電位增加,ATP生成增加等,從而減少心肌細胞線粒體功能障礙和代謝損傷。FAO是心肌細胞ATP的主要來源,FAO的減少導致心肌細胞ATP合成降低,心肌細胞就會處于能量匱乏狀態,從而影響心臟的正常功能。

1.2 SIRT5調控炎癥反應GAPDH和PKM2是與炎癥密切相關的代謝酶。近年研究揭示,在靜息巨噬細胞中,腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α) mRNA被GAPDH與3′UTR結合后轉錄抑制,當糖酵解由于葡萄糖或內毒素耐受性有限而下調時,GAPDH在更大程度上結合TNF-α mRNA。這種結合抑制了轉錄本的翻譯,從而限制了TNF細胞因子的產生[4],而細胞響應脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)后,GAPDH則出現丙二酰化,傳遞炎癥信號。SIRT5的缺失同樣增加GAPDH的丙二酰化,從而參與炎癥反應。在LPS激活的巨噬細胞中,PKM2與缺氧誘導因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α)復合物在促炎因子白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)啟動子處形成,IL-1β增加[5]。此外,PKM2 或真核細胞翻譯起始因子2AK2(eukaryotic translation initiation factors 2AK2) 的藥理和遺傳抑制減弱了Nod樣受體蛋白3(Nod-like receptor protein 3)和黑色素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2)炎癥小體的活化,從而抑制了巨噬細胞釋放 IL-1β、IL-18 和高遷移率族蛋白B1(highmobilitygroupbox-1)。SIRT5缺陷導致PKM2高度琥珀酰化,促進IL-1β產生,炎癥反應增強[6]。

1.3 SIRT5調控氧化應激SIRT5降低氧化應激能力體現在多個方面。SDH,也稱為線粒體復合物Ⅱ,連接三羧酸循環和氧化磷酸化兩個基本的能量產生過程。作為SDH的脫琥珀酰基酶,SIRT5缺失顯示出SDH驅動的呼吸鏈活性下降,ATP合酶的酶活性也顯著降低,并且SIRT5的沉默可導致SDHA的琥珀酰化和再激活。SIRT5的這種具有逆轉線粒體呼吸鏈紊亂的能力,可以削弱缺血/再灌注引起的心肌細胞損傷。SIRT5也分別使異檸檬酸脫氫酶2 (isocitrate dehydrogenase 2,IDH2)和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 (glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency) 脫琥珀酰化和脫戊二酰化,激活這兩種酶生產NADPH。而SIRT5的敲除可降低谷胱甘肽(glutathione)水平,細胞清除ROS的能力降低和增加細胞對氧化應激的敏感性[7]。SIRT5在線粒體外亦有分布。SIRT5可對過氧化物酶體酰基輔酶A氧化酶1(acyl-Co A oxidase 1,ACOX1)脫琥珀酰化且抑制其活性,可以防止氧化損傷,這是因為ACOX1是過氧化物酶體中H2O2的主要生產者和FAO的第一個限速酶[8]。銅鋅超氧化物歧化酶(copper-zinc superoxide dismutase,SOD1)的琥珀酰化會降低其活性,而SIRT5與SOD1的結合和脫琥珀酰化可以激活其活性,降低ROS的水平[9]。

2 SIRT5在心臟疾病中的作用

SIRT5在心臟表達豐富。許多研究揭示了SIRT5功能與CVDs有著密切的關聯,如心肌梗塞、心臟肥大、心律失常、心力衰竭等。

2.1 SIRT5在心肌梗塞和缺血/再灌注中的作用CHD通常發生在心肌梗塞和繼發性的急性心肌缺血/再灌注損傷。對患有急性ST段抬高型心肌梗塞(ST-segment elevation myocardial infarction)的溶栓治療或要經皮冠狀動脈介入治療往往引起急性心肌缺血/再灌注損傷。SIRT5因為在線粒體中具有抗氧化作用,因此在CHD中扮演重要角色。心肌血流供應不足會引起心肌細胞內一系列突然的生化改變和代謝變化,TCA cycle、電子傳遞鏈和脂肪酸氧化酶表達減少,糖酵解增加,乳酸積累,伴隨心肌收縮功能受到抑制。在心肌缺血/再灌注期間,線粒體復合物I是病理性ROS產生的核心,線粒體內ROS是導致缺血/再灌注損傷機制的特定驅動因素,包括誘導線粒體通透性轉變,這是心臟缺血/再灌注損傷的基礎[10]。

臨床實驗和動物實驗表明,急性心梗患者和大鼠的血清中有大量的丙二酰化、琥珀酰化和戊二酰化蛋白。急性心梗患者的SIRT5基因啟動子上存在11個DNA序列變異(DNA sequence variation,DSV)和單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphism,SNP),這些DSV 和 SNP降低了心肌細胞SIRT5基因啟動子的轉錄活性。Jennifer等[11]研究發現,SIRT5敲除小鼠與WT組小鼠相比,在缺血20 min和再灌注90 min后,SIRT5敲除小鼠的心臟梗死面積相對于WT組小鼠增加。該研究揭示在SIRT5敲除小鼠的心臟中,被琥珀酸高度修飾的46種獨特蛋白質參與了代謝過程。進一步研究發現, SIRT5敲除小鼠心臟的缺血/再灌注損傷可通過對SDH競爭性抑制劑丙二酸二甲酯(dimethyl malonate)進行預處理恢復到WT水平,表明SDH活性的改變是心肌損傷的原因。此外,也有研究發現,外源NAD給藥可促進SIRT5介導的SDHA脫琥珀酸化,降低SDHA的活性,從而減少缺血時琥珀酸的積累和再灌注時琥珀酸的消耗速率,最終減少活性氧的產生[12]。另有研究表明,小鼠肝細胞特異性過表達SIRT5能降低其實驗性心肌梗塞面積和心肌纖維化,改善心臟功能,提升肝細胞特異性SIRT5過表達小鼠血液和心肌中的成纖維細胞生長因子21(fibroblast growth factor)水平,質譜顯示小鼠肝臟線粒體的TCA cycle、氧化磷酸化和FAO途徑的蛋白質水平升高[13]。

2.2 SIRT5在心肌肥大中的作用心臟是體內最大的耗氧器官。ATP可為心臟提供促進心肌收縮功能的化學能,為了維持正常的收縮和舒張功能,心臟需要較高的ATP合成速率。線粒體電子運輸鏈的損傷和氧化磷酸化的下降是心臟肥大發展的重要步驟。SIRT5敲除可減弱小鼠橫向主動脈縮窄術(transverse aortic constriction,TAC)誘導的小鼠心肌肥厚和心功能障礙,SIRT5敲除后線粒體NADH增加、ATP生成受到抑制,AMP/ATP比值增加,導致在能量應激情況下小鼠心臟腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophos‐phate-activated protein kinase,AMPK)激活增強。脂肪酸是維持心臟收縮功能的主要能量來源,因此脂肪酸代謝的減少可能導致心臟功能障礙。研究發現SIRT5敲除小鼠隨著年齡的增長,參與線粒體脂肪酸氧化的ECHA活性降低、長鏈酰基輔酶A增加、心臟ATP生成減少、心臟重量相對于體質量比值增加、縮短分數和射血分數減少,發展成為肥厚性心肌病[2]。TAC引起小鼠死亡率增加與病理性肥大增加以及心臟功能和心室順應性的關鍵異常有關。另一研究也證實SIRT5具有在壓力超負荷下維持心臟氧化代謝以確保生存的關鍵作用。SIRT5敲除小鼠加劇了線粒體代謝異常,如脂肪酸氧化和葡萄糖氧化的明顯減少,以及線粒體NAD+/NADH減少。

2.3 SIRT5在心律失常中的可能作用心房顫動是最常見的心律失常,與猝死和心力衰竭密切相關。心臟有很高的能量需求,然而心房顫動患者的心肌細胞的能量合成受損。有臨床研究證實心房顫動患者的氧化磷酸化功能降低、TCA cycle異常和氧化應激增加[14]。基于心臟的琥珀酰輔酶A濃度比任何其他器官都要高得多的情況,有研究觀察了心房顫動患者的蛋白質琥珀酰化狀況。經由蛋白質-蛋白質相互作用網絡分析表明,表現出心房顫動狀態的心臟中賴氨酸琥珀酰化蛋白質在能量代謝、細胞外基質相關和細胞結構相關蛋白質中高度富集[15],而在能量代謝方面,蛋白質琥珀酰化主要富集在氧化磷酸化、三羧酸循環和脂肪酸代謝。由此可見,在心房顫動過程中,蛋白質琥珀酰化和SIRT5的脫琥珀酰化是心臟能量代謝的一種潛在調節環節。

2.4 SIRT5在動脈粥樣硬化中的作用在正常生理條件下,機體的組織損傷后會形成血栓,但是會被纖溶系統清除。但在病理條件下,血管內皮損傷后,纖溶酶原激活物抑制劑1(plasminogen activator inhibitor 1,PAI-1)局部釋放到循環中,損害纖維蛋白溶解,促進急性動脈的血栓形成。研究表明,AMPK可以抑制核因子κB(nuclear factor kappa B)介導的PAI-1的表達[16]。SIRT5缺乏抑制線粒體ATP產生,導致AMP/ATP比率上升,AMPK被活化。因此,在SIRT5敲除小鼠中,動脈血栓形成減弱,組織型酶原和尿激酶原表達增加,促進纖溶系統激活,纖維蛋白溶解增加,降低血栓穩定性并促進其溶解[16],提示在動脈粥樣硬化血栓事件的背景下,抑制SIRT5活性可以作為一個潛力治療靶點。

2.5 SIRT5在心力衰竭中的作用代謝調節與心臟功能密不可分。心力衰竭的“能量耗竭”假說表明,ATP供應不足是心力衰竭中存在的收縮功能障礙的基礎。能量代謝維持了正常心臟的收縮功能,長期以來一直認為能量代謝受損在心力衰竭中起著核心作用。在晚期心力衰竭中,脂肪酸利用率顯著降低的同時,酮體利用明顯增加,酮體是心臟ATP的主要燃料來源。SIRT5在體內和體外調節限速生酮酶 HMGCS2的琥珀酰化[17]。

特別在老年人中,心臟纖維化是導致心力衰竭負擔日益加重的主要驅動因素,亦是一個心力衰竭病理學的核心,無論是對缺血性心臟病還是對非缺血性心臟病的預后都有重要意義。除了已知的轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)和血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ)等多種促纖維化因子激活肌成纖維細胞的增殖和生長以外,心臟成纖維細胞的線粒體代謝異常也與心臟纖維化有關。IDH2表達降低導致α-酮戊二酸(alpha-ketoglutarate)水平下降可引起TGF-β非依賴性的纖維化。SIRT5可使IDH2的脫琥珀酰化,激活該酶生產NADPH,減少ROS。甚至肝臟過表達SIRT5的小鼠也縮小了實驗性心肌梗死面積,抑制了心肌纖維化和提高了心臟功能[13]。槲皮素處理TAC誘導的心力衰竭小鼠,可以提高SIRT5表達和促進IDH2的脫琥珀酰化,抑制炎癥反應和氧化應激損傷,抑制心肌纖維化和改善小鼠心臟功能[18]。

心力衰竭的機制還涉及心臟微循環的內皮功能障礙,心力衰竭患者心臟的毛細血管密度和循環內皮祖細胞(endothelial progenitor cells,EPCs)減少。EPCs是來源于骨髓的細胞,在生理或病理刺激下,能夠分化成功能性內皮細胞,參與內皮表面修復。在血管損傷的內皮修復過程中,內皮祖細胞的趨化因子受體4(chemokine receptor 4,CXCR4)是基質細胞衍生因子1(stromal cell-derived factor 1)的受體,是EPC歸巢至受損血管和再內皮化的關鍵調節者,CXCR4 基因轉移增強的EPC體外功能和體內再內皮化能力被針對 CXCR4 或/和酪氨酸蛋白激酶2(Janus kinase 2)抑制劑AG490的中和抗體消除。高血壓患者中EPCs的SIRT5表達顯著降低,這與線粒體功能障礙有關。CXCR4基因轉移增強了SIRT5表達,改善了線粒體功能并增強了EPCs的血管修復和再內皮化能力[19],提示SIRT5對EPCs介導的血管修復的再內皮化是有益的(Fig 1)。

Fig 1 Protective mechanisms of SIRT5-mediated heart failure

3 SIRT5的激活劑和抑制劑

最新進展刺激了線粒體SIRT5的研究和藥物開發。如前所述槲皮素可通過提高SIRT5表達,促進IDH2去琥珀酰化,維持線粒體穩態,保護炎癥狀態下的小鼠心肌細胞,改善心肌纖維化[18]。白藜蘆醇是可以刺激SIRT5活性的[9]。另有報道指出,白藜蘆醇給藥能阻止2型糖尿病大鼠心臟中SIRT5的改變[20]。此外白藜蘆醇通過提高SIRT5活性,激活伴隨著線粒體代謝的恢復和早期腦損傷的減輕以及脫琥珀酰檸檬酸合酶和ATP合酶,起到保護小鼠蛛網膜下腔出血[21]。最近研究報道,抗高血壓藥物肼屈嗪通過靶向cAMP依賴性蛋白激酶(protein kinase)可以增加SIRT5活性,改善線粒體功能和代謝穩態,從而抗氧化應激和延長壽命[22]。還有,新近美國公開專利顯示偕二氟煙酰胺核苷(gem-diF-NR,gem-difluoronicotinamide riboside)具有激活SIRT5活性的能力[23]。

相對于SIRT5激活劑的研究,抑制劑研究有著很大進展,已有多種化合物在酶學上展示出良好的SIRT5抑制效果(Tab 1)。這意味著SIRT5在防治動脈血栓形成以及其他疾病顯示有潛力的應用[24]。

Tab 1 SIRT5 desuccinylase activity inhibitor

4 總結與展望

SIRT5介導SDHA脫琥珀酰化,降低SDHA的活性,通過減少ROS的產生,改善心功能;SIRT5敲除后線粒體NADH增加、ATP生成受到抑制,AMP/ATP增加,小鼠AMPK激活增強;此外SIRT5敲除小鼠加劇了線粒體代謝異常,如脂肪酸氧化和葡萄糖氧化的明顯減少,以及線粒體NAD+/NADH減少;SIRT5缺乏通過抑制線粒體ATP產生,活化AMPK,還可以抑制PAI-1,使動脈血栓形成減弱,纖溶系統激活,降低血栓穩定性并促進其溶解,說明抑制SIRT5活性可以作為治療動脈粥樣硬化血栓的一個潛在治療靶點;SIRT5參與酮體生成和氧化應激,還通過改善線粒體功能并增強EPCs 的血管修復和再內皮化能力,從而改善心衰。

綜上所述,SIRT5通過脫琥珀酰化、丙二酰化和戊二酰化,調控能量代謝、炎癥反應、氧化應激等病理生理學機制,參與心肌梗塞、心肌肥大、心律失常、動脈粥樣硬化以及心衰等CVDs的發病機制,其活性或表達異常參與心肌梗塞、心肌肥大、心力衰竭等CVDs的發生發展密切相關。

此外SIRT5的抑制劑在治療動脈血栓形成方面具有很大的研發前景,SIRT5對心臟功能的影響還需后續的研究來挖掘,從而為CVDs的發病機制研究和臨床防治提供新的研究思路。