SIRT1去乙酰化酶在代謝和抗衰老中的作用機制

何琪楊

人口老齡化已經成為世界性的難題,根據(jù)國家老齡委的最新統(tǒng)計,到 2009年10月,我國≥60歲老年人的總數(shù)為 1.69億,每年以 1000萬的速度遞增。由于我國是在經濟欠發(fā)達的情況下進入老齡化的,應對老齡化的挑戰(zhàn)更為艱難;無論是醫(yī)療費用的開支,還是老年人的福利方面,均存在嚴重的問題。伴隨著人體的老化,許多慢性疾病如糖尿病、心腦血管疾病、腫瘤和老年癡呆癥的發(fā)病率明顯地增加,對老年人的健康構成了巨大的危險。因此,結合國內外抗衰老研究的最新成果,包括中國傳統(tǒng)醫(yī)學的成就,積極地干預衰老的進程,實現(xiàn)健康老齡化,無疑是正確可行的醫(yī)學路徑。近年來,對 SIRT1去乙?；?SIRT1 deacetylase)的功能及其調節(jié)藥物的深入研究,如發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇(resveratrol,RES)是十分有效的SIRT1激活劑[1],使我們看到了一些曙光。

SIRT1去乙?；笇儆?sirtuins家族的成員,在人體中共有 7種相似的蛋白,SIRT1是其中之一。在生化分類上,SIRT1屬于Ⅲ型組蛋白去乙?；?依賴能量物質 NAD的激活才具有活性,這種特性使表觀遺傳調節(jié)基因表達與代謝緊密地聯(lián)系在一起。SIRT1是進化上十分保守的蛋白,在低等生物如酵母、線蟲、果蠅中均存在同源蛋白。SIRT1蛋白主要分布在細胞核中,與常染色質結合在一起,參與多種基因的表觀遺傳調節(jié)。除了使組蛋白去乙酰化,參與染色質動態(tài)調節(jié)之外,SIRT1還調節(jié)多種生理功能,如抑制細胞凋亡、調節(jié)糖類和脂類代謝、抗衰老等作用[2]。嚴格來說,SIRT1不僅僅是組蛋白特異的去乙?；?所以稱為 SIRT1去乙?；副容^確切。

對中老年人健康的主要危險是,高血壓、高血糖、高血脂的“三高癥”明顯增加,這些過程涉及多個基因和蛋白參與作用。而 SIRT1的廣泛調節(jié)作用,無疑是理想的干預分子,可以作為藥物靶標,發(fā)展作用更為特異的新藥。

糖尿病的一個嚴重問題是血液中葡萄糖的明顯增加而導致的并發(fā)癥。在人體中,葡萄糖代謝的過程受激素和營養(yǎng)的嚴格調節(jié)。當給小鼠禁食后,SIRT1和過氧化物酶體增殖物激活受體 γ協(xié)同刺激因子1α(PGC-1α)的表達明顯升高,SIRT1通過與 PGC-1α形成復合體,使后者去乙酰化而促進糖原異生作用,從而完成禁食后的信號傳遞過程[3]。SIRT1激活劑 RES,在體內通過調節(jié) PGC-1α的功能,有效地激活線粒體的活性。小鼠給 RES后,其運動時間和肌纖維氧消耗量增加,并且能夠對抗飲食導致的肥胖和胰島素耐受[4]。

在胰腺 β細胞中,SIRT1可以調節(jié)葡萄糖刺激的胰島素分泌,該作用通過解偶聯(lián)蛋白 2(UCP2)實現(xiàn)。UCP2位于線粒體內膜,使氧化呼吸鏈產生的 ATP解偶聯(lián)。SIRT1抑制 UCP2的功能,提高跨膜線粒體的質子梯度,促進 ATP的生成[5]。此外,SIRT1能改善外周組織胰島素抵抗作用,在染色質水平抑制蛋白酪氨酸磷酸酶的轉錄,增加外周組織對胰島素的敏感性[6];它還能去乙?；葝u素受體底物-2,進而增強胰島素對該底物酪氨酸磷酸化的誘導,激活下游胰島素信號通路,提高組織對胰島素的敏感性。

不過,SIRT1在不同的疾病狀態(tài)下作用特點完全相反,從而有可能抵消其有益作用。例如,在部分腫瘤細胞中,SIRT1的表達增加有利于腫瘤細胞的存活。用糖尿病大鼠模型研究表明:使用 SIRT1siRNA使肝中的 SIRT1蛋白表達降低,葡萄糖的產生明顯地降低,對胰島素的敏感性增加了 25%。此過程可以檢測到人叉頭框蛋白 O1(FOXO1)、信號轉導與轉錄激活因子 3(STAT3)PGC-1α的乙?；矫黠@提高,SIRT1控制的與糖異生相關的基因丙酮酸羧基酶激酶(PEPCK)、果糖 1,6-二磷酸酶和葡萄糖磷酸酶的活性降低。說明抑制肝中的 SIRT1活性,可以減輕糖尿病的癥狀[7]。

脂類代謝紊亂也是導致代謝綜合征的原因之一,SIRT1參與脂類的代謝調控。用藥物誘導小鼠3T3-L1成纖維細胞分化時,SIRT1的表達明顯增高,其作用通過募集N-CoR,抑制脂肪調節(jié)分子過氧化物酶體增殖物激活受體-γ(PPAR-γ)的活性 。在 sirt1基因雜合的小鼠中,脂肪酸的動員能力明顯降低[8]。給小鼠喂養(yǎng)高脂肪的食物,比較野生型小鼠和轉染 sirt1基因小鼠代謝狀態(tài)的變化,可以觀察到較低水平的脂類引起的炎癥,以及對葡萄糖的較好耐受性,其機制是增加抗氧化蛋白超氧化物歧化酶(SOD)和核呼吸因子 1(Nrf1)的活性,降低炎性因子如腫瘤壞死因子 -α(TNF-α)和白介素-6(IL-6)的活化,說明 SIRT1對高脂食物具有明顯的調節(jié)作用[9]。過度飲酒引起脂肪代謝異常,導致脂肪肝的出現(xiàn)。用乙醇處理大鼠肝細胞和小鼠,均可以檢測到固醇調節(jié)因子結合蛋白(SREBP-1)的表達增加,乙?；缴?而增加 SIRT1表達或用 RES處理,可以使 SREBP-1去乙酰化而減緩脂肪肝的出現(xiàn)[10]。

熱量限制法(calorie restriction,CR)又譯為卡路里限制法,是目前唯一經過廣泛的科學實驗驗證,抗衰老有效的方法。該方法的關鍵是減少熱量的攝入,但需要提供足夠量的蛋白質和維生素,而不是簡單地限食。自從 1935年McCay發(fā)現(xiàn)減少食物的供給能顯著延長大鼠的壽命以來,已經在多種生物,如酵母、線蟲、果蠅、小鼠、獼猴等證明CR的抗衰老作用,最高可以延長50%的壽命。熱量限制法的作用機制是改善代謝特性,增加對胰島素的敏感性,增強抗氧化能力。雖然該方法未在人類中進行嚴格的大規(guī)模實驗研究,但根據(jù)在“生物圈 2號”生活的人員檢測,以及自愿進行 CR多年的志愿者的身體狀態(tài)分析,表明 CR對人體減少慢性疾病的發(fā)生、抗衰老有明顯的作用。除了作用 IGF-1/AKT/FOXO3a信號通路之外,該療法的作用機制與調節(jié) SIRT1的活性有關。檢測熱量限制法飼養(yǎng)的小鼠,其肝、腎、腦和脂肪組織中的 SIRT1含量明顯升高。用熱量限制法飼養(yǎng)的小鼠其活動能力明顯地提高,但 sirt1基因被敲除的小鼠,其活動能力沒有變化[11]。

從分子網絡上看,SIRT1通過影響如 p53、FOXO3a、Ku70等分子的活性,減少不可再生細胞如神經細胞的凋亡,而具有抗氧化應激和抗衰老作用。最先研究確認 SIRT1的功能是使 p53蛋白去乙?；?。使用免疫沉淀法,在體內和體外均能檢測到 SIRT1和 p53形成蛋白復合體,高效液相色潽法(HPLC)檢測到 p53 K382位點被去乙?；Ｓ?00μmol/L H2O2處理人正常成纖維 IMR-90細胞 24 h后,80%的細胞發(fā)生凋亡,而轉染 sirt1基因的細胞,同樣處理條件下,70%的細胞仍能存活[12-13]。過度表達早幼粒細胞白血病蛋白(promyelocytic leukemia protein,PML),引起原代培養(yǎng)的小鼠胚胎成纖維細胞出現(xiàn)衰老表型,p53蛋白被乙?；?轉染 sirt1基因能拮抗 PML的致衰老作用,間接免疫熒光法檢測到 SIRT1和 p53共定位在 PML核體中[14]。這些研究充分表明 SIRT1在抗氧化應激和DNA損傷中的重要作用。

SIRT1除了影響 p53的功能外,抑制凋亡作用還通過其他途徑,如調節(jié) Ku70、FOXO3a的活性。在細胞凋亡時,修復蛋白 Ku70的K331、K539、K542被乙酰化 ,導致與其結合的 Bax釋放出來,移位到線粒體中啟動凋亡通路,SIRT1使Ku70去乙?；?明顯地減少凋亡的細胞[15]。FOXO3a的一個功能是引起細胞凋亡,用 H2O2處理 293T細胞后,可檢測到 FOXO3a明顯地乙酰化,SIRT1和FOXO3a形成蛋白復合體,使凋亡的細胞數(shù)減少1倍。實際上 SIRT1的功能調節(jié)是復雜的反饋調節(jié)過程。用瞬時轉染法比較FOXO3a啟動子活性,p300乙酰化酶,SIRT1以及其信號通路的調節(jié)關系,SIRT1通過乙?；种?FOXO3a的轉錄因子活性,降低FOXO3a的表達[16]。反過來,SIRT1的表達又受FOXO3a的調解,sirt1的啟動子含有2個 p53結合元件,FOXO3a與 p53結合成蛋白復合體,驅動 sirt1基因的表達[17]。

近年來發(fā)現(xiàn),炎性因子的活化與衰老明顯相關,這些作用與轉錄因子核因子 -κB(NF-κB)的活化緊密相連。SIRT1能與 NF-κB的 Rel/p65亞基結合,使 K 310去乙?；种?NF-κB的轉錄活性;使用SIRT1激活劑 RES處理后,明顯增強 TNF引起的 HEK293細胞凋亡[18]。

值得指出的是,除了 SIRT1外,其他蛋白如 SIRT6也與衰老有一定的關系。SIRT6通過影響基因的修復功能,而干預衰老的進程[19]。

由于 SIRT1在老年性疾病和抗衰老中作用顯著,篩選調節(jié)其活性的藥物成為了重要的研究方向。使用酵母的模型體系,發(fā)現(xiàn)多種天然的植物多酚具有明顯的激活 SIRT1的活性作用,尤其是 RES最為顯著。RES的作用機制廣泛,不僅可以預防腫瘤的發(fā)生,還具有抗心腦血管疾病、抗氧化損傷、預防神經退行性疾病等作用。利用乙?；膒53深入研究 RES活化 SIRT1的分子機制,SIRT1分子帶有熒光基團,熒光基團阻礙肽鍵與酶的緊密結合;加入 RES后誘導 SIRT1發(fā)生構象改變,使 SIRT1與肽底物中的熒光基團緊密結合而被活化[20]。利用改良的高通量體外熒光偏振分析法,篩選了大量的小分子化合物庫,篩選出強活性化合物 SRT1720,激活 SIRT1去乙?；富钚允?RES的 3.3倍,而效價是 RES的 1000倍,并且具有較高的特異性;對多種胰島素抵抗及糖尿病動物模型具有明顯的改善作用[21]。說明以SIRT1作為藥物靶標,可以發(fā)現(xiàn)作用機制新穎的藥物。

不過,在整體動物中,增加SIRT1的表達并沒有顯示出十分明顯的抗衰老作用,說明體內調節(jié)機制的復雜性。檢測長壽老人的基因和代謝的生化指標,也沒有發(fā)現(xiàn)單一基因在起決定性的作用,提示抗衰老是由多個基因、多種因素共同作用的結果。鑒于人體調控體系的復雜性,逐個深入研究衰老相關蛋白,然后整合形成衰老和抗衰老的普遍規(guī)律,是研究的必由之路。這些研究成果可用于指導人體的抗衰老實踐,實現(xiàn)健康老齡化的目標。

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