Sirt1與骨質(zhì)疏松癥的研究進(jìn)展

劉 波，謝 珍，徐 彭

(江西中醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院藥理學(xué)科組，江西南昌 330004)

Sirt1是哺乳動(dòng)物沉默信息調(diào)節(jié)因子2(silent information regulator 2，Sir2)同源蛋白(Sirt1～7)中與酵母菌Sir2同源性最高的［1］，也是第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)的Sirtuin蛋白家族成員。據(jù)報(bào)道［2-3］，Sir2相關(guān)酶類是基因高度保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴的第Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶，參與組蛋白和非組蛋白賴氨酸殘基的脫乙?；?，通過對(duì)p53、FOXO(class O subfamily of forkhead box)、NF-κB 等轉(zhuǎn)錄因子去乙?；揎?，調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、新陳代謝等，對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞代謝及腫瘤發(fā)病等過程發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。近年來研究發(fā)現(xiàn)，Sirt1在骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病、防治中同樣發(fā)揮重要作用。

1 Sirt1的分子生物學(xué)特征

Sirt1是1999年首先在人體發(fā)現(xiàn)［4］，基因定位于染色體10q21.3，基因全長33 kb，包含9個(gè)外顯子和8個(gè)內(nèi)含子。Sirt1蛋白包括500個(gè)氨基酸殘基，從結(jié)構(gòu)上來看，包含一個(gè)保守性較高，由Rossmann折疊構(gòu)成的大結(jié)構(gòu)域和一個(gè)由鋅帶結(jié)構(gòu)和螺旋構(gòu)件組成的保守性相對(duì)低的小結(jié)構(gòu)域，通過大、小結(jié)構(gòu)域形成的裂隙是底物與Sirt1結(jié)合并發(fā)生催化反應(yīng)的場(chǎng)所。研究表明，Sirt1在胚胎早期和生殖細(xì)胞等成熟組織中均有表達(dá)，參與包括DNA轉(zhuǎn)錄和損傷修復(fù)、代謝調(diào)控等一系列的細(xì)胞活動(dòng)［5］。

蛋白乙?；揎検强赡娴牡鞍坠矁r(jià)修飾形式，由組蛋白乙?；负腿ヒ阴；腹餐{(diào)控，使蛋白功能處于動(dòng)態(tài)平衡，是蛋白功能變化的主要表現(xiàn)方式，參與機(jī)體大多生理、病理過程。僅采用蛋白質(zhì)組學(xué)的方法，在133個(gè)小鼠線粒體蛋白就發(fā)現(xiàn)存在277個(gè)乙酰化位點(diǎn)［6］，在1750個(gè)蛋白同樣發(fā)現(xiàn)3600個(gè)乙?；稽c(diǎn)，表明蛋白的乙?；?去乙?；{(diào)控過程影響細(xì)胞的分子信號(hào)傳導(dǎo)途徑［7］。Sirt1將蛋白底物中賴氨酸的乙酰基轉(zhuǎn)移到煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)的ADP核糖上，產(chǎn)生去乙?；牡鞍?，煙酰胺(NAM)和2'-O-乙?；?ADP 核糖［8］。這一過程可使 PGC1s、FOXO1、NF-κB、LXRs等蛋白去乙?；?，參與炎癥、腫瘤、代謝等眾多病理過程，表明Sirt1在機(jī)體中起著復(fù)雜的調(diào)控作用。

2 Sirt1與骨質(zhì)疏松癥

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis)是一種常見的慢性進(jìn)行性疾病，以骨量減少，骨微結(jié)構(gòu)破壞，骨強(qiáng)度降低等為特征。近年來，骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率不斷提升，據(jù)估計(jì)2020年美國骨量減少或骨質(zhì)疏松癥患者將達(dá)6 100萬，而2006年我國50歲以上的骨質(zhì)疏松癥患者就達(dá)6 944萬。從目前研究來看，骨質(zhì)疏松癥的本質(zhì)主要是骨組織吸收和形成失衡，骨礦物質(zhì)及其基質(zhì)等比減少，表現(xiàn)為骨量減少、骨骼微細(xì)結(jié)構(gòu)破壞，以及骨脆性增高，骨載荷、彎曲應(yīng)力等生物力學(xué)強(qiáng)度下降等，易發(fā)生微細(xì)骨折或完全骨折。

Sirt1與骨代謝、骨量關(guān)系密切，組蛋白的去乙?；揎椏梢种乒切纬?，降低成骨細(xì)胞中骨鈣素和堿性磷酸酶的表達(dá)，減少成骨細(xì)胞的增殖、分化［9］。Cohen-Kfir等［10］采用Sirt1缺陷的小鼠(Sirt1胚系突變的129/Sv小鼠)考察骨骼表性特征，發(fā)現(xiàn)與野生型(Sirt+/+)小鼠相比，Sirt1單倍體(Sirt1+/-)小鼠骨量、骨小梁數(shù)目、股骨體積分?jǐn)?shù)、第4腰椎骨礦物質(zhì)含量顯著減少，雌性小鼠表現(xiàn)尤為突出，但小鼠骨小梁厚度并沒有明顯變化。此外，應(yīng)用動(dòng)態(tài)骨組織形態(tài)學(xué)分析對(duì)小鼠的股骨遠(yuǎn)端干骺端進(jìn)行骨形成和骨吸收評(píng)價(jià)，顯示Sirt1+/-比Sirt1+/+骨形成明顯減少，礦化沉積率和骨形成率降低［10］。在去卵巢小鼠的骨髓中，還發(fā)現(xiàn)Sirt1蛋白水平的降低伴隨著骨髓脂肪細(xì)胞的增加［11］。就個(gè)體而言，骨質(zhì)疏松癥與肥胖沒有明顯關(guān)聯(lián)，而瘦素可直接或者間接的調(diào)節(jié)骨細(xì)胞，骨量和脂肪的維持需要脂肪細(xì)胞和成骨細(xì)胞數(shù)量間保持動(dòng)態(tài)平衡。

2.1 Sirt1與成骨細(xì)胞/骨形成 成骨細(xì)胞(osteoblast)是骨發(fā)生、骨形成的功能細(xì)胞，成骨細(xì)胞數(shù)量的增加、功能增強(qiáng)能促進(jìn)骨形成，防止骨質(zhì)疏松癥的產(chǎn)生主要策略［12］。目前的防治骨質(zhì)疏松癥藥物，特別是中藥大多是促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化［13］。Sirt1在成骨細(xì)胞的大量表達(dá)與提高老齡鼠骨密度有重要意義，研究發(fā)現(xiàn)Sirt1的激活劑白藜蘆醇促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化，減少骨髓脂肪細(xì)胞的形成和破骨細(xì)胞的數(shù)量［14-16］。白藜蘆醇在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)向成骨細(xì)胞分化中能促進(jìn)Sirt1與PPAR-γ(主要的成脂轉(zhuǎn)錄因子)結(jié)合，抑制PPAR-γ的活性，阻礙MSCs向脂肪細(xì)胞分化，促進(jìn)骨形成［17］。PPAR-γ還可抑制Runx2 mRNA的轉(zhuǎn)錄活性及成骨信號(hào)通路，包括Wnt和轉(zhuǎn)化生長因子β/BMP等［18-］。Tseng等［19］發(fā)現(xiàn)Sirt1可與FOXO3A的C-末端結(jié)構(gòu)域結(jié)合，并使Sirt1/FOXO3A復(fù)合物增加，增強(qiáng)FOXO3A的轉(zhuǎn)錄活性。FOXO3A控制成骨細(xì)胞的凋亡信號(hào)通路［20］，并在Wnt3a誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞分化中調(diào)控對(duì)氧化應(yīng)激的拮抗作用［21-23］。Sirt1雖然能增加FOXO3A蛋白質(zhì)的表達(dá)及Sirt1與FOXO3A復(fù)合物的形成，但Sirt1特異性抑制劑sirtinol并不能扭轉(zhuǎn)這種現(xiàn)象，說明Sirt1與FOXO3A間的調(diào)節(jié)存在復(fù)雜關(guān)系，特別是氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松癥，F(xiàn)OXO家族起著抗骨質(zhì)疏松癥的功能［24］。Runx2是啟動(dòng)成骨轉(zhuǎn)錄程序的早期主要的轉(zhuǎn)錄因子，可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞特異性基因的表達(dá)，如骨橋蛋白、骨鈣素和堿性磷酸酶等。Sirt1/FOXO3A的過表達(dá)或沉默都影響著Runx2啟動(dòng)子的活性，沉默F(xiàn)OXO1也可降低Runx2的表達(dá)［25］，并損害骨形成。研究表明，MC3T3-E1細(xì)胞轉(zhuǎn)染Sirt1過表達(dá)后，可抑制TNF-α誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，提高ALP活性，增加Runx2和骨鈣素mRNA的表達(dá)，此外還能明顯抑制腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)誘導(dǎo)的 NF-κB激活，減少iNOS，NO的表達(dá)可被Sirt1的抑制劑EX-527所逆轉(zhuǎn)［26］。由此可見，Sirt1蛋白參與骨形成過程，PPAR-γ、FOXO3A、FOXO1等蛋白發(fā)揮了重要作用，而Runx2蛋白是最終的調(diào)節(jié)目標(biāo)，由此可見Sirt1/Runx2信號(hào)通路可能是未來研究防治骨質(zhì)疏松癥產(chǎn)生的重要研究方向。

另外，Sirt1與成骨轉(zhuǎn)錄因子Cbfa1激活還可形成Sirt1-Cbfa1復(fù)合物，促進(jìn)骨形成。Sost編碼的sclerostin是骨形態(tài)發(fā)生蛋白的抑制物，通過與骨形成蛋白(BMP)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，下調(diào)BMP活性而抑制骨形成［27］。Sirt1通過Sost啟動(dòng)子的組蛋白3的第9個(gè)賴氨酸乙酰化能直接抑制Sost基因的表達(dá)，或通過siRNA和sclerostin中和抗體使Sost下調(diào)，可恢復(fù)骨鈣素、骨涎蛋白基因的表達(dá)及礦化結(jié)節(jié)的形成?？傊琒irt1在成骨細(xì)胞增殖、分化及功能調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。

2.2 Sirt1與破骨細(xì)胞/骨吸收 破骨細(xì)胞(osteoclast)源于造血干細(xì)胞，是由分化的單核-巨噬細(xì)胞融合形成的多核細(xì)胞，是骨吸收的功能細(xì)胞，主要標(biāo)志物有抗酒石酸酸性磷酸酶和組織蛋白酶K。包括NF-κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-κB ligand，RANKL)、TNF-α、白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)、巨噬細(xì)胞集落刺激因子在內(nèi)的眾多因素都可引起破骨細(xì)胞活化。其中RANKL是TNF超家族的一員，由成骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生，其受體RANK表達(dá)在前破骨細(xì)胞的表面，二者結(jié)合后參與破骨細(xì)胞的分化。骨保護(hù)素是RANKL的另一種受體，與RANK競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合RANKL，能特異性阻斷破骨細(xì)胞的分化、活化及成熟［28］。

Shakibaei等［15］發(fā)現(xiàn)RANKL可誘導(dǎo)抗酒石酸酸性磷酸酶陽性多核細(xì)胞的形成，而未經(jīng)處理的骨源性細(xì)胞產(chǎn)生良好的骨樣結(jié)構(gòu)和骨特異性基質(zhì)。RANKL可激活NF-κB，并上調(diào)P300的表達(dá)從而促進(jìn)NF-κB的乙?；?。但經(jīng)白藜蘆醇預(yù)處理后可完全抑制NF-κB的激活，并抑制IκBα酶的激活及其磷酸化、降解，阻斷RANKL誘導(dǎo)的乙?；鸵詴r(shí)間、濃度依賴性方式進(jìn)行的 NF-κB 的核易位［17］。當(dāng)然，Sirt1與P300在骨源性前破骨細(xì)胞結(jié)合，同樣可導(dǎo)致NF-κB的去乙?；种芅F-κB的轉(zhuǎn)錄活性，抑制破骨細(xì)胞的形成。NF-κB 對(duì)破骨細(xì)胞的形成是極其重要的［29］，在 NF-κB p50-/-和p52-/-雙敲除的小鼠中，因不能形成破骨細(xì)胞而引起嚴(yán)重的骨硬化癥［30］，說明 NF-κB p50和 p52的表達(dá)是前破骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞前體分化成抗酒石酸酸性磷酸酶陽性破骨細(xì)胞所必須的。

總之，在破骨細(xì)胞中，Sirt1 與 RANKL、NF-κB、TNF-α、IL1-β等破骨細(xì)胞相關(guān)的細(xì)胞因子密切相聯(lián)，能調(diào)節(jié)骨吸收，對(duì)維持骨量平衡發(fā)揮重要作用。

3 結(jié)語與展望

成骨細(xì)胞(骨形成)和破骨細(xì)胞(骨吸收)的共同作用，是維持人體骨骼終生不停地進(jìn)行“換舊更新”的保證。綜合上述發(fā)現(xiàn)，Sirt1在調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞活性的平衡上，起著舉足輕重的作用，但還有一些問題沒有得到闡明:首先Sirt1調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞增殖、活化及功能的相關(guān)因子，但各因子間的信號(hào)傳遞過程并不清楚;其次白藜蘆醇雖是Sirt1的激活劑，但其分子作用機(jī)制也不明確;另外，Sirt1誘導(dǎo)的骨生成分子機(jī)制在動(dòng)物模型上還沒有進(jìn)一步證實(shí)等?？傊?，研究Sirt1與骨質(zhì)疏松癥的相關(guān)性，進(jìn)一步明確Sirt1在骨質(zhì)疏松癥發(fā)病、防治過程中的分子作用機(jī)制，可為臨床上開發(fā)抗骨質(zhì)疏松癥新藥提供新的研究靶點(diǎn)，也將為今后進(jìn)一步探究骨質(zhì)疏松癥治療方法提供新的思路。

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