沉默信息調(diào)節(jié)因子5在心血管疾病中的作用研究進(jìn)展

于達(dá)云,許錦文,凌 霜

(上海中醫(yī)藥大學(xué)交叉科學(xué)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(huán)系統(tǒng)的疾病,具有高患病率、高致殘率、高復(fù)發(fā)率和高病死率的特點(diǎn)。CVDs是全球死亡率的最主要原因,在中國CVDs死亡人數(shù)也占總死亡人數(shù)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(fā)病率明顯增加,表明CVDs已經(jīng)成為現(xiàn)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(yī)療體系帶來了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān),成為現(xiàn)代社會(huì)的重大公共醫(yī)療衛(wèi)生問題。

沉默信息調(diào)節(jié)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(zhì)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(diǎn)存在兩個(gè)帶正電荷的氨基酸Tyr102和Arg105,因此它偏好帶負(fù)電荷的酰基(如琥珀酰賴氨酸)[2]。SIRT5對(duì)線粒體蛋白的翻譯后修飾(protein post-translational modifications)和活性調(diào)節(jié)起重要作用,可以調(diào)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(huán)的第一步的限速酶,SIRT5還可以將CPS1去乙酰化,從而調(diào)控尿素循環(huán)。

SIRT5在心肌細(xì)胞中廣泛分布,在CVDs中發(fā)揮著重要的作用。本文將對(duì)SIRT5的病理生理學(xué)作用及其與CVDs研究新進(jìn)展作一綜述,為CVDs的發(fā)病機(jī)制和臨床防治提供新的研究思路。

1 SIRT5的病理生理學(xué)作用

SIRT5在心肌細(xì)胞內(nèi)能夠調(diào)控細(xì)胞能量代謝、改善細(xì)胞ROS生成和抑制炎癥反應(yīng)。這些作用對(duì)于改善心肌細(xì)胞的功能、防治CVDs是有益的。

1.1 SIRT5調(diào)控能量代謝成年哺乳動(dòng)物的心臟需要大量能量來維持收縮功能。鑒于心肌細(xì)胞的能量存儲(chǔ)有限,必須通過持續(xù)氧化來連續(xù)產(chǎn)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(diào)節(jié)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(huán)(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(huì)減少心臟線粒體的能量供應(yīng)。SIRT5過表達(dá)則可逆轉(zhuǎn)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(dá)增多,線粒體膜電位增加,ATP生成增加等,從而減少心肌細(xì)胞線粒體功能障礙和代謝損傷。FAO是心肌細(xì)胞ATP的主要來源,FAO的減少導(dǎo)致心肌細(xì)胞ATP合成降低,心肌細(xì)胞就會(huì)處于能量匱乏狀態(tài),從而影響心臟的正常功能。

1.2 SIRT5調(diào)控炎癥反應(yīng)GAPDH和PKM2是與炎癥密切相關(guān)的代謝酶。近年研究揭示,在靜息巨噬細(xì)胞中,腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α) mRNA被GAPDH與3′UTR結(jié)合后轉(zhuǎn)錄抑制,當(dāng)糖酵解由于葡萄糖或內(nèi)毒素耐受性有限而下調(diào)時(shí),GAPDH在更大程度上結(jié)合TNF-α mRNA。這種結(jié)合抑制了轉(zhuǎn)錄本的翻譯,從而限制了TNF細(xì)胞因子的產(chǎn)生[4],而細(xì)胞響應(yīng)脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)后,GAPDH則出現(xiàn)丙二酰化,傳遞炎癥信號(hào)。SIRT5的缺失同樣增加GAPDH的丙二酰化,從而參與炎癥反應(yīng)。在LPS激活的巨噬細(xì)胞中,PKM2與缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α)復(fù)合物在促炎因子白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)啟動(dòng)子處形成,IL-1β增加[5]。此外,PKM2 或真核細(xì)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(xì)胞釋放 IL-1β、IL-18 和高遷移率族蛋白B1(highmobilitygroupbox-1)。SIRT5缺陷導(dǎo)致PKM2高度琥珀酰化,促進(jìn)IL-1β產(chǎn)生,炎癥反應(yīng)增強(qiáng)[6]。

1.3 SIRT5調(diào)控氧化應(yīng)激SIRT5降低氧化應(yīng)激能力體現(xiàn)在多個(gè)方面。SDH,也稱為線粒體復(fù)合物Ⅱ,連接三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化兩個(gè)基本的能量產(chǎn)生過程。作為SDH的脫琥珀酰基酶,SIRT5缺失顯示出SDH驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致SDHA的琥珀酰化和再激活。SIRT5的這種具有逆轉(zhuǎn)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(xì)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(chǎn)NADPH。而SIRT5的敲除可降低谷胱甘肽(glutathione)水平,細(xì)胞清除ROS的能力降低和增加細(xì)胞對(duì)氧化應(yīng)激的敏感性[7]。SIRT5在線粒體外亦有分布。SIRT5可對(duì)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?yàn)锳COX1是過氧化物酶體中H2O2的主要生產(chǎn)者和FAO的第一個(gè)限速酶[8]。銅鋅超氧化物歧化酶(copper-zinc superoxide dismutase,SOD1)的琥珀酰化會(huì)降低其活性,而SIRT5與SOD1的結(jié)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(dá)豐富。許多研究揭示了SIRT5功能與CVDs有著密切的關(guān)聯(lián),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(fā)生在心肌梗塞和繼發(fā)性的急性心肌缺血/再灌注損傷。對(duì)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(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療往往引起急性心肌缺血/再灌注損傷。SIRT5因?yàn)樵诰€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(yīng)不足會(huì)引起心肌細(xì)胞內(nèi)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(dá)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(fù)合物I是病理性ROS產(chǎn)生的核心,線粒體內(nèi)ROS是導(dǎo)致缺血/再灌注損傷機(jī)制的特定驅(qū)動(dòng)因素,包括誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)變,這是心臟缺血/再灌注損傷的基礎(chǔ)[10]。

臨床實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(dòng)子上存在11個(gè)DNA序列變異(DNA sequence variation,DSV)和單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP),這些DSV 和 SNP降低了心肌細(xì)胞SIRT5基因啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄活性。Jennifer等[11]研究發(fā)現(xiàn),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(duì)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(dú)特蛋白質(zhì)參與了代謝過程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), SIRT5敲除小鼠心臟的缺血/再灌注損傷可通過對(duì)SDH競爭性抑制劑丙二酸二甲酯(dimethyl malonate)進(jìn)行預(yù)處理恢復(fù)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(fā)現(xiàn),外源NAD給藥可促進(jìn)SIRT5介導(dǎo)的SDHA脫琥珀酸化,降低SDHA的活性,從而減少缺血時(shí)琥珀酸的積累和再灌注時(shí)琥珀酸的消耗速率,最終減少活性氧的產(chǎn)生[12]。另有研究表明,小鼠肝細(xì)胞特異性過表達(dá)SIRT5能降低其實(shí)驗(yàn)性心肌梗塞面積和心肌纖維化,改善心臟功能,提升肝細(xì)胞特異性SIRT5過表達(dá)小鼠血液和心肌中的成纖維細(xì)胞生長因子21(fibroblast growth factor)水平,質(zhì)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(zhì)水平升高[13]。

2.2 SIRT5在心肌肥大中的作用心臟是體內(nèi)最大的耗氧器官。ATP可為心臟提供促進(jìn)心肌收縮功能的化學(xué)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(yùn)輸鏈的損傷和氧化磷酸化的下降是心臟肥大發(fā)展的重要步驟。SIRT5敲除可減弱小鼠橫向主動(dòng)脈縮窄術(shù)(transverse aortic constriction,TAC)誘導(dǎo)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(dǎo)致在能量應(yīng)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(qiáng)。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(dǎo)致心臟功能障礙。研究發(fā)現(xiàn)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(duì)于體質(zhì)量比值增加、縮短分?jǐn)?shù)和射血分?jǐn)?shù)減少,發(fā)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(yīng)性的關(guān)鍵異常有關(guān)。另一研究也證實(shí)SIRT5具有在壓力超負(fù)荷下維持心臟氧化代謝以確保生存的關(guān)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(dòng)是最常見的心律失常,與猝死和心力衰竭密切相關(guān)。心臟有很高的能量需求,然而心房顫動(dòng)患者的心肌細(xì)胞的能量合成受損。有臨床研究證實(shí)心房顫動(dòng)患者的氧化磷酸化功能降低、TCA cycle異常和氧化應(yīng)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(dòng)患者的蛋白質(zhì)琥珀酰化狀況。經(jīng)由蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)分析表明,表現(xiàn)出心房顫動(dòng)狀態(tài)的心臟中賴氨酸琥珀酰化蛋白質(zhì)在能量代謝、細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)相關(guān)蛋白質(zhì)中高度富集[15],而在能量代謝方面,蛋白質(zhì)琥珀酰化主要富集在氧化磷酸化、三羧酸循環(huán)和脂肪酸代謝。由此可見,在心房顫動(dòng)過程中,蛋白質(zhì)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(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。

2.4 SIRT5在動(dòng)脈粥樣硬化中的作用在正常生理?xiàng)l件下,機(jī)體的組織損傷后會(huì)形成血栓,但是會(huì)被纖溶系統(tǒng)清除。但在病理?xiàng)l件下,血管內(nèi)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(huán)中,損害纖維蛋白溶解,促進(jìn)急性動(dòng)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(dǎo)的PAI-1的表達(dá)[16]。SIRT5缺乏抑制線粒體ATP產(chǎn)生,導(dǎo)致AMP/ATP比率上升,AMPK被活化。因此,在SIRT5敲除小鼠中,動(dòng)脈血栓形成減弱,組織型酶原和尿激酶原表達(dá)增加,促進(jìn)纖溶系統(tǒng)激活,纖維蛋白溶解增加,降低血栓穩(wěn)定性并促進(jìn)其溶解[16],提示在動(dòng)脈粥樣硬化血栓事件的背景下,抑制SIRT5活性可以作為一個(gè)潛力治療靶點(diǎn)。

2.5 SIRT5在心力衰竭中的作用代謝調(diào)節(jié)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(yīng)不足是心力衰竭中存在的收縮功能障礙的基礎(chǔ)。能量代謝維持了正常心臟的收縮功能,長期以來一直認(rèn)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(shí),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(nèi)和體外調(diào)節(jié)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(dǎo)致心力衰竭負(fù)擔(dān)日益加重的主要驅(qū)動(dòng)因素,亦是一個(gè)心力衰竭病理學(xué)的核心,無論是對(duì)缺血性心臟病還是對(duì)非缺血性心臟病的預(yù)后都有重要意義。除了已知的轉(zhuǎn)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(xì)胞的增殖和生長以外,心臟成纖維細(xì)胞的線粒體代謝異常也與心臟纖維化有關(guān)。IDH2表達(dá)降低導(dǎo)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(chǎn)NADPH,減少ROS。甚至肝臟過表達(dá)SIRT5的小鼠也縮小了實(shí)驗(yàn)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(dǎo)的心力衰竭小鼠,可以提高SIRT5表達(dá)和促進(jìn)IDH2的脫琥珀酰化,抑制炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)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(jī)制還涉及心臟微循環(huán)的內(nèi)皮功能障礙,心力衰竭患者心臟的毛細(xì)血管密度和循環(huán)內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cells,EPCs)減少。EPCs是來源于骨髓的細(xì)胞,在生理或病理刺激下,能夠分化成功能性內(nèi)皮細(xì)胞,參與內(nèi)皮表面修復(fù)。在血管損傷的內(nèi)皮修復(fù)過程中,內(nèi)皮祖細(xì)胞的趨化因子受體4(chemokine receptor 4,CXCR4)是基質(zhì)細(xì)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(nèi)皮化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)者,CXCR4 基因轉(zhuǎn)移增強(qiáng)的EPC體外功能和體內(nèi)再內(nèi)皮化能力被針對(duì) 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(dá)顯著降低,這與線粒體功能障礙有關(guān)。CXCR4基因轉(zhuǎn)移增強(qiáng)了SIRT5表達(dá),改善了線粒體功能并增強(qiáng)了EPCs的血管修復(fù)和再內(nèi)皮化能力[19],提示SIRT5對(duì)EPCs介導(dǎo)的血管修復(fù)的再內(nèi)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(jìn)展刺激了線粒體SIRT5的研究和藥物開發(fā)。如前所述槲皮素可通過提高SIRT5表達(dá),促進(jìn)IDH2去琥珀酰化,維持線粒體穩(wěn)態(tài),保護(hù)炎癥狀態(tài)下的小鼠心肌細(xì)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(bào)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(fù)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(hù)小鼠蛛網(wǎng)膜下腔出血[21]。最近研究報(bào)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(wěn)態(tài),從而抗氧化應(yīng)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(duì)于SIRT5激活劑的研究,抑制劑研究有著很大進(jìn)展,已有多種化合物在酶學(xué)上展示出良好的SIRT5抑制效果(Tab 1)。這意味著SIRT5在防治動(dòng)脈血栓形成以及其他疾病顯示有潛力的應(yīng)用[24]。

Tab 1 SIRT5 desuccinylase activity inhibitor

4 總結(jié)與展望

SIRT5介導(dǎo)SDHA脫琥珀酰化,降低SDHA的活性,通過減少ROS的產(chǎn)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(qiáng);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(chǎn)生,活化AMPK,還可以抑制PAI-1,使動(dòng)脈血栓形成減弱,纖溶系統(tǒng)激活,降低血栓穩(wěn)定性并促進(jìn)其溶解,說明抑制SIRT5活性可以作為治療動(dòng)脈粥樣硬化血栓的一個(gè)潛在治療靶點(diǎn);SIRT5參與酮體生成和氧化應(yīng)激,還通過改善線粒體功能并增強(qiáng)EPCs 的血管修復(fù)和再內(nèi)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(diào)控能量代謝、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等病理生理學(xué)機(jī)制,參與心肌梗塞、心肌肥大、心律失常、動(dòng)脈粥樣硬化以及心衰等CVDs的發(fā)病機(jī)制,其活性或表達(dá)異常參與心肌梗塞、心肌肥大、心力衰竭等CVDs的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

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