SIRT1的研究概况
杜文婷，刘戟
（四川大学华西基础医学与法医学院，成都 610041）
摘要：沉默信息调节因子2 相关酶1(sirtuin 1, Sirt1)是哺乳动物中与沉默信息调节蛋白2(silencing information regulator2，Sir2）高度同源的蛋白质，它是一种依赖NAD+的Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶（HDAC Ⅲ），在细胞分化、衰老、凋亡、DNA损伤修复、能量及内分泌代谢调节中起重要作用，同时在基因沉默、表观遗传学修饰、转录调控及信号转导调节中发挥重要的生物学功能，本文对其近年的研究进展做一概述。
关键词：DNA损伤修复；Sirt1；衰老；miRNA
中图分类号：R34；Q291
The summary of research on SIRT1
Du Wenting, Liu Ji
(Huaxi school of basic and forensic medicine, Sichuan university, ChengDu 610041) Abstract: Sirt1, the mammalian homolog of Sir2, is a NAD-dependent class III histone deacetylase (HDAC). It plays an important role in cell differentiation, aging, apoptosis, DNA damage repair, energy and endocrine metabolism as well as in the control of many biological processes, such as gene silencing, epigenetic modification, transcriptional regulation, signal transduction. This review will mainly summarize the progressions of recent research on sirt1.
Keywords:DNA damage repair; human sirt1; aging; miRNA
从最早在酵母细胞中发现Sir2参与rDNA沉默和细胞寿命的延长，到现在有关沉默信息调节因子2 相关酶1(sirtuin 1, Sirt1)网络调控的报道，也不过短短十来年时间。近年来有关Sirt1研究的文献报道急剧增加，科学家们对它的功能认识更加广泛深刻。从最初报道它以依赖NAD+的Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶的作用参与细胞寿命延长、降低能量代谢率、抵抗胰岛素耐受及内分泌调节、钝化炎症反应及氧化损伤，到增强DNA损伤修复、神经分化发育和促进肿瘤发生发展，再到最近报道它参与细胞免疫调节、表观遗传学修饰、microRNA以及生物体周期节律调控等，无不形象的展示它的重要作用。本文对其近年的研究进展做一概况。
1 Sirt1的发现及结构
沉默信息调节因子2 (silencing information regulator2, Sir2）是最早被发现的Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶，它也是在酿酒酵母 ( Saccharomyces cerevisiae)中被最先发现的长寿基因。在酵母、线虫、果蝇中Sir2的表达随着生命的进程逐渐降低，其高表达能不同程度地延长寿命[1]。后来，在哺乳动物中发现与Sir2基因家族高度同源的有7个成员（Sirt1—Sirt7），其中Sirt1是与Sir2同源性最高的同源物[2]。人类Sirt1基因位于染色体10q21.3,cDNA序列含2.4kb的ORF，有9个外显子，基因组序列约为33kb，编码747个氨基酸，Sirt1蛋白质相对分子量约120kDa。
Sirt1有一个保守性较高的大的结构域，主要由Rossmann折叠，一个小的结构域，包含一个锌带结构和一个螺旋构件，其保守性较低。在大小结构域之间形成一个裂隙，底物就结
基金项目：教育部博士点基金新教师项目（编号：2007061024）；教育部留学回国人员启动基金项目（编号：2008890-19-11）
作者简介：杜文婷（1986-），女，硕士研究生，主要研究方向：DNA损伤修复与衰老肿瘤机制研究
通信联系人：刘戟（1968-），男，副教授，主要研究方向：DNA损伤修复与衰老肿瘤机制研究. E-mail: liuji6103@https://www.doczj.com/doc/1e4218737.html,
合在此处并发生催化反应，其中Sirt1的等363位的组氨酸是去乙酰化活性的必需氨基酸。Sirt1是一种核蛋白，可通过与不同的非组蛋白相互作用参与细胞分化、衰老、凋亡、DNA 损伤修复、能量代谢、表观遗传学等多种细胞活性功能的调节。
2 Sirt1与能量代谢
Sirt1可参与物质能量代谢调节，表现为对糖、脂代谢效率、线粒体生物功能活性、激素代谢水平等的调控。Sirt1通过抑制过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator- activated receptor-γ, PPAR-γ)、脂肪酸结合蛋白(fatty acid binding protein, FABP)、核受体辅助抑制因子(Nuclear receptor corepressor, NcoR)的转录，促进脂肪酸分解代谢和抑制脂肪生成。研究表明，在限制热量摄入或脑、肝脏、脂肪组织、肾脏和肌肉处于禁食状态下，Sirt1表达增加，对人类能量限制（calorie restriction, CR）最重要的影响是它能延缓衰老从而减少很多疾病。利用Sirt1 天然激动剂白藜芦醇(resveratrol，Res)喂养的野生型小鼠表现出寿命延长并且能够预防代谢性疾病的发生。Gnanapragasam等也最新研究表明由于吸烟或过氧化引起血管一氧化氮合成酶(eNOS)功能紊乱，白藜芦醇激活Sirt1从而逆转eNOS功能缺陷[3]。Gerhart-Hines等报道Sirt1活化PPAR-γ辅激活因子1α（PGC-1α）后，调控脂肪酸代谢相关基因CPT1, MCAD, PDK4和线粒体氧化磷酸化生物活性相关基因IDH3a, cytocrome C转录，增强脂肪酸氧化，提高线粒体生物活性[4]。最近研究表明Sirt1可以保护小鼠免受高脂饮食副作用，同时也为治疗肥胖及相关疾病提供重要的靶点，临床上采用一些药物激活Sirt1可能是一个治疗代谢相关疾病的重要手段[5]。Bor Luen 等报道Sirt1对衰老性相关的代谢紊乱性疾病积极作用，特别是神经退行性疾病[6]。UCP2是线粒体内膜的一种蛋白，它具有解离呼吸链氧化磷酸化耦联的功能，降低细胞ATP的产率而增加细胞热能释
图1 Sirt1参与多种组织能量代谢[8]
放，影响细胞的生理代谢活动功能。研究发现胰岛β细胞中过表达Sirt1，经糖刺激后其胰岛素分泌功能明显增强，提示Sirt1可通过抑制UCP2活性发挥胰岛素分泌功能及糖代谢调节作用[7]。如图1所示Sirt1能以多种方式参与哺乳动物的多种组织能量代谢调节[8]。目前自体吞噬现象与细胞及生物体衰老关系的研究受到重视。Sirt1可通过Sirt1-P53信号通路、Sirt1-FOXO途径及Sirt1-AMPK-mTOR（mammalian target of rapamycin）信号轴参与细胞自体吞噬调节[9]，其信号调节网络如图2所示，提示Sirt1在能量代谢方面重要作用[10]。
图2 Sirt1参与细胞自体吞噬[10]
3 Sirt1与衰老
最早发现在酵母和线虫中过表达Sir2可以延长寿命[1]，科学家们联想到其哺乳类动物同源物Sirt1可能有类似功能。2001年Vaziri发现Sirt1可以将P53中Lys382残基去乙酰化，降低P53活性，增强细胞的氧化应激和抗凋亡能力，参与细胞寿命的延长。Westerheide等发现细胞应激时，Sirt1去乙酰化热休克因子1(hot shocking factor-1, HSF-1)，稳定HSF-1与热休克蛋白(hot shocking protein, HSP)启动子结合，促进HSP表达，参与细胞活性功能及寿命的调控[11]。Sirt1可使胰岛素信号通路中的人胰岛素受体底物2( insulin receptor substrate-2, IRS-2)去乙酰化，调节内分泌代谢和延缓生物体衰老。多数研究提示Sirt1可以延缓和逆转衰老症状，它可增强衰老生物体β胰岛细胞活性，减少神经退行性变性发生等[12]。最近一篇综述介绍Sirt1-p53信号通路以及有关Sirt1在肿瘤作用不同看法，同时在衰老进程中Sirt1扮演角色[13]。这些研究提示Sirt1是参与细胞及个体衰老调节的重要蛋白，对它生物学功能进一步研究为衰老学研究提供新方向。
4 Sirt1与DNA损伤修复
细胞DNA损伤后，发生DNA修复应答，若DNA修复缺陷，细胞会发生不可逆的复制性衰老或者凋亡。Miriam等最新报道在衰老和肿瘤病变中，Sirt同源重组功能对维持基因稳定性有重要意义[14]。Jeong等发现Sirt1能和KU70结合，去乙酰化其特异位的氨基酸残基，增强DNA修复能力[15]。Kahyo等发现在HEK293T细胞中发现，Sirt1可去乙酰化并稳定信号分子WRN，增强DNA修复能力[16]。Wei Fan等最新发现Sirt1通过去乙酰化DNA修复基因着色性干皮病A组基因修复紫外引起的DNA损伤[17]。
5 Sirt1与肿瘤
近年来报道Sirt1在肿瘤的发生发展过程中起重要作用。研究发现Sirt1在结肠癌中高表达，这与它去乙酰化细胞增殖相关蛋白促进细胞增殖有关。Sirt1能结合并去乙酰化雄性激素(androgen, AR)，降低AR活性，抑制AR信号介导的前列腺癌细胞增殖[18]，一些研究表明Sirt1在肺癌、前列腺癌和淋巴瘤中高表达。但Firestein等发现Sirt1可去乙酰化β连蛋白(β-catenin)，抑制原癌基因蛋白功能进而抑制结肠多发性息肉腺瘤的增殖[19]，也有报道Sirt1能降低凋亡抑制蛋白Survivin表达，抑制乳腺癌的发生、发展。Sirt1具有多种生物学功能，它在不同的组织和条件下发挥不同甚至相反的功能，因此Sirt1促癌或抑癌作用不能简单定论，其机制需要更进一步探索。
6 Sirt1与表观遗传
表观遗传学调控是指不改变基因的序列，但影响或改变基因表达的调节方式，包括对染色体局部空间结构、DNA和组蛋白的修饰，进而影响基因表达。Sirt1可以直接去乙酰化修饰组蛋白N末端，改变染色体结构及活性，发挥表观遗传学调控功能。Heather构建定点诱导的DNA双链断裂(DNA double-Strand breaks, DSBs)模型，采用ChIP及免疫荧光技术发现Sirt1定位到DSB侧区CpG岛，使该区组蛋白的高度甲基化，发生染色质沉默修饰[20]。有报道指出Sirt1可通过表观遗传修饰沉默多个基因，参与结直肠癌的发生发展，也可以通过表观遗传调控参与细胞及生物体寿命延长。这些研究提示Sirt1发挥多种生理功能及病理作用可能与其表观遗传调控密切相关。
7 Sirt1与micoRNA
microRNA是一类高度保守，长度一般为19-25nt的单链型非编码 RNA ( ncRNA)。miRNA与细胞中靶mRNA的 3’UTR碱基配对，抑制 mRNA的翻译或直接使mRNA降解, 发挥基因转录后沉默效应，广泛参与动植物多种生命活动调控。最近有文献报道microRNA 与 Sirt1、组蛋白乙酰转移酶90 (histone acetyltransferase 90, HAT90)相互作用，对基因组进行表观遗传学调控，参与细胞多种生理功能及肿瘤发生的调节[21]。Menghini等发现 miR-217与Sirt1作用，调节衰老和血管生成[22]。Yamakuchi等报道miR-34a可以抑制Sirt1表达，调控miR-34-Sirt1- p53信号途径，调节细胞周期、凋亡及衰老[23]。Saito等用DNA脱甲基和组蛋白脱乙酰剂干预人T24膀胱癌细胞，发现约5%的 miRNA会上调超过3倍[24]。研究人员发现Sirt1能增强突触强度和记忆形成。这些依赖于Sirt1的效应是通过一种转录后机制调控的，该机制涉及CREB激发和miR-134生成。Sirt1激活、miR-134水平和突触蛋白之间的这种互动构成弹性调控的一个以前未被识别出的机制[25]。以上研究提示具有HDACⅢ功能的Sirt1能和miRNA相互作用参与细胞的病理生理活动调节。
8 Sirt1与神经系统
Sirt1在神经分化发育、损伤修复、神经保护方面其重要作用，Ramadori等用ISHH方法检测到Sirt1在哺乳动物脑组织中高表达，在不同的神经组织结构和生理状态下，其表达水平不一致，提示Sirt1参与神经功能活动调节[26]。Sirt1在神经分化发育、损伤修复、神经保护方面起重要作用，Sirt1能抵抗背根神经节轴突华勒（氏）变性，抑制神经元细胞的Rho 激酶表达，增加α分泌酶活性，促进淀粉样蛋白前体降解，在鼠的CR模型中也发现高表达的Sirt1能降低β淀粉样蛋白，缓解AD症状。Della-Morte D用RPC(先Res处理)和IPC（先缺血处理）模型分析Sirt1对神经组织缺血损伤的保护作用，他们检测海马组织细胞线粒体的UCP-2、膜电位、氧化呼吸功能、ATP合成效率等指标，认为Sirt1可以通过Sirt- UCP-2通路发挥神经损伤保护作用[27]。Hisahara,S等报道在胚鼠和成年鼠的神经前体细胞中，Sirt1部分分布于胞浆，当其调节NPCs分化时，其短暂的进入细胞核抑制Notch1-Hes1信号通路，促进NPCs向神经元分化并向皮质层迁移，该作用可被N-CoR蛋白协同增强[28]。Toshiya等研究报道，在PC12 细胞中，胞质中Sirt1有助于神经增长因子引起的轴突的增殖[29]。Jae-Suk 等报道白藜芦醇通过调节Sirt1活性抑制朊蛋白导致神经细胞变性及死亡[30]。
9 Sirt1与心血管系统
Sirt1可作为心肌细胞内源性的抗凋亡因子抑制其凋亡发生。Chen,C等用缺血和低氧模
型研究Sirt1对H9c2心肌细胞凋亡的影响，发现Sirt1通过Sirt1-FOXO1通路发挥抗心肌细胞低氧诱导凋亡作用，激活的FOXO1增强细胞周期阻滞作用从而延长损伤修复时间，抑制FOXO1下游凋亡因子的表达，从而发挥心肌细胞保护功能[31]。Zhang,QJ等在内皮组织细胞中过表达Sirt1，发现它增强内皮细胞的活性，能较好地防止动脉硬化的发生[32]。研究发现Sirt1可以上调心肌细胞中的锰超氧化物歧化酶(Mn superoxide dismutase, Mn-SOD)表达量，抑制心肌细胞氧化应激凋亡和心衰的发生。09年重庆科技协会召开的脂质代谢与器官损害国际学术研讨会的论文集就论述了赖氨大黄酸能够部分通过Sirt1途径延缓血管内皮细胞衰老。第九届全国生物力学学术会议有学者报告Sirt1调控周期性张应变诱导血管平滑肌细胞表型转化。Virginia等最新报道指出，Sirt1最为一种代谢传感器整合能量与氧气在血管形成及在功能重塑中有积极作用[33]。这些研究提示Sirt1对心血管系统生理病理功能的调节与Sirt1表达水平及下游信号调节方式密切相关。
10 结论与展望
Sirt1一种是依赖NAD+的Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶，它不仅调节组蛋白去乙酰化，而且多种非蛋白质相互作用，参与细胞多种功能活动调节：基因沉默、细胞衰老、寿命延长、肿瘤发生、抗氧化应激、能量代谢调节等。美国研究人员有关Sirt1基因的激活能增强突触强度和记忆形成，表明它在治疗认知障碍疾病时具有作为靶向的潜力，为开发治疗阿尔茨海默氏症及其他神经退行性疾病的药物提供了方向。Sirt1与LKB1/AMPK通路的协同激活，调节内皮细胞增殖分化[34]，也可介导多酚减少肝细胞脂肪生成的作用，有望成为代谢性疾病或衰老肝细胞脂代谢紊乱的治疗新靶点。我们可以通过药理学和现代基因工程技术干预Sirt1的活性，预防和靶向治疗与Sirt1功能密切相关的疾病。这需要我们对Sirt1发挥作用的分子机制进行更全面和更深入的研究。
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