沉默交配型信息調(diào)節(jié)因子2同源蛋白1與骨和軟骨代謝的關(guān)系

胥欣　王艷民　白丁

口腔疾病研究國家重點實驗室　華西口腔醫(yī)院正畸科（四川大學(xué)）成都 610041

沉默交配型信息調(diào)節(jié)因子2同源蛋白1與骨和軟骨代謝的關(guān)系

胥欣王艷民白丁

口腔疾病研究國家重點實驗室華西口腔醫(yī)院正畸科（四川大學(xué)）成都 610041

沉默交配型信息調(diào)節(jié)因子2同源蛋白（SIRT）1 是一種依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的第3類去乙?；?，在骨與軟骨的代謝中發(fā)揮著重要的作用。SIRT1通過促進(jìn)成骨細(xì)胞生成、骨量增長、抑制破骨細(xì)胞生成，調(diào)節(jié)骨的發(fā)育和重建。此外，SIRT1還可促進(jìn)骨髓間質(zhì)干細(xì)胞的成骨向分化。在軟骨代謝過程中，SIRT1對于軟骨的改建必不可少。SIRT1在骨與軟骨過程中的作用與無翅型小鼠乳房腫瘤病毒整合位點家族信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、核因子-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、叉頭轉(zhuǎn)錄因子O和甲狀旁腺素密切相關(guān)。本文就沉默信息調(diào)節(jié)因子SIRT1在骨與軟骨代謝中的作用、SIRT1調(diào)節(jié)骨代謝的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等研究進(jìn)展作一綜述。

沉默交配型信息調(diào)節(jié)因子2同源蛋白1；骨代謝；細(xì)胞分化；信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

This study was supported by the Project in the Science and Technology Pillar Program of Sichuan Province（2015FZ0074）.

［Abstract］Silent mating type information regulation 2 homolog（SIRT）1 is a nicotinamide adenine dinucleotide-positivedependent class 3 histone deacetylase that regulates bone and cartilage metabolism. SIRT1 influences bone development and reconstruction by potentiating osteoblast formation and bone growth and by inhibiting osteoclastogenesis. SIRT1 also activates mesenchymal stem cells to differentiate into osteoblasts. In cartilage homeostasis，SIRT1 is necessary to maintain normal cartilage remodeling. These functions of SIRT1 are related to wingless-type mouse mammary tumor virus integration site family signal transduction pathway，nuclear factor-κB signaling pathway，forkhead box O transcription factors，and parathyroid hormone. This review summarizes the function and mechanism of SIRT1 in the regulation of bone and cartilage metabolism. This review also describes the potential clinical applications of SIRT1.

［Key words］silent mating type information regulation 2 homolog 1；bone metabolism；cell differentiation；signal transduction pathway

沉默交配型信息調(diào)節(jié)因子2同源蛋白（silent mating type information regulation 2 homolog，SIRT）1 作為一種依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的第3類去乙酰化酶，參與了眾多的生物學(xué)過程，包括DNA修復(fù)、能量代謝、腫瘤抑制和線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)等，成為近年來的研究熱點［1］。近5年內(nèi)，越來越多的研究聚焦于SIRT1在骨發(fā)育和骨改建中的作用。本文就SIRT1在骨與軟骨代謝中的作用及其參與作用的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，臨床應(yīng)用前景等研究進(jìn)展作一綜述。

1　沉默信息調(diào)節(jié)因子

沉默信息調(diào)節(jié)因子（silent information regula-tor，SIR）2是一類最先從酵母中分離出來的依賴于NAD+的第3類組蛋白去乙?；浮Ｔ诓溉閯游矬w內(nèi)，有7個SIR2的同源物，構(gòu)成了Sirtuin家族，分別為SIRT1～7，其功能涉及細(xì)胞壽命、代謝調(diào)節(jié)、炎癥反應(yīng)以及腫瘤的發(fā)生發(fā)展等過程。其中，SIRT1、2、3、5具有去乙酰化酶活性。SIRT4和6具有腺苷二磷酸-核糖基轉(zhuǎn)移酶活性，SIRT7則通過與RNA聚合酶1的相互作用參與激活rRNA的轉(zhuǎn)錄活性［2］。

2　SIRT1在骨與軟骨代謝中的作用

骨質(zhì)疏松癥是骨骼系統(tǒng)的一種多基因參與的復(fù)雜性疾病，是一種以骨量減少，骨的微觀結(jié)構(gòu)退化，骨的脆性增加為特征，易發(fā)生骨折的全身性骨骼疾病。有學(xué)者［3］觀察到，在骨質(zhì)疏松患者外周血單核細(xì)胞的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，SIRT1基因的表達(dá)均增加；且SIRT1基因的表達(dá)變化與一些炎性因子有一定的相關(guān)性。

特異性地敲除小鼠前成骨細(xì)胞中的Sirt1基因，雌性小鼠骨密質(zhì)的厚度下降，而骨松質(zhì)的厚度則沒有明顯的變化。SIRT1蛋白促進(jìn)了前成骨細(xì)胞的增殖、分化和存活，從而促進(jìn)成骨活動，這些現(xiàn)象與無翅型小鼠乳房腫瘤病毒整合位點家族（wingless-type mice mammary tumour virus integration site family，WNT）/β-肌動蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相關(guān)［4］。研究［5-7］還證實：特性地敲除前成骨細(xì)胞中的SIRT1基因，不會對骨松質(zhì)的體積有明顯的影響；特性地敲除成熟的成骨細(xì)胞中的SIRT1基因，則會明顯地減小骨松質(zhì)的體積；相反的，激活或者過表達(dá)SIRT1基因，會明顯地減少因增齡而產(chǎn)生的骨質(zhì)喪失。

SIRT1在破骨過程中也有明顯的作用。在骨髓來源的巨噬細(xì)胞中，SRT2183和SRT3025等SIRT1激動劑抑制了核因子（nuclear factor，NF）-κB受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）介導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化，分散及再吸收的能力，從而抑制了破骨細(xì)胞生成，抑制破骨作用［8］。

SIRT1與軟骨的代謝密切相關(guān)。在敲除了Sirt 1基因的小鼠中，可以觀察關(guān)節(jié)軟骨量減少，軟骨細(xì)胞程序性死亡增加，伴隨2型膠原纖維、聚集蛋白聚糖和黏聚糖水平的下降［9］。在小鼠模型的關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射白藜蘆醇（SIRT1激動劑），可抑制其骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。研究顯示，抑制SIRT1基因的表達(dá)阻止了白藜蘆醇介導(dǎo)的低氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）-2及P65（NF-κB亞單位）的下調(diào)。其機(jī)制是白藜蘆醇激動了SIRT1，抑制了代謝因子HIF-2及P65在軟骨中的表達(dá)，從而阻止了骨關(guān)節(jié)炎中軟骨的破壞［10］。

間質(zhì)干細(xì)胞是具有多向分化能力的細(xì)胞，可以分化為成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、軟骨細(xì)胞及肌細(xì)胞，其分化能力隨宿主年齡的增長而減弱［11］。特異性地敲除小鼠間質(zhì)細(xì)胞中的Sirt1基因，小鼠的多種組織出現(xiàn)發(fā)育異常，包括皮下脂肪、骨密質(zhì)厚度及骨小梁體積減少。體外試驗［5］也證實，敲除SIRT1基因，可抑制間質(zhì)干細(xì)胞的成骨向和成軟骨向分化。也有學(xué)者［12］發(fā)現(xiàn)，使用SIRT1激動劑白藜蘆醇處理間質(zhì)干細(xì)胞會促進(jìn)細(xì)胞的成骨向分化并且抑制其成脂向分化。這些皆證明在一定程度上，SIRT1與核心結(jié)合因子-α1（core binding factor α1，CBFA1）結(jié)合并使CBFA1脫乙酰化。

3　SIRT1調(diào)節(jié)骨代謝的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

3.1SIRT1與叉頭轉(zhuǎn)錄因子O

叉頭轉(zhuǎn)錄因子（forkead box，F(xiàn)OX）O族是機(jī)體對活性氧族（reactive oxygen species，ROS）進(jìn)行氧化防御的核心，哺乳動物中的FOXO家族包含F(xiàn)OXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6四個亞型。FOXO1、3、4 分布廣泛，在骨組織內(nèi)表達(dá)，而FOXO6 主要在腦組織內(nèi)表達(dá)［13］。

FOXO在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)以乙?；问酱嬖冢谕饨绱碳さ淖饔孟罗D(zhuǎn)入核內(nèi)后，F(xiàn)OXO介導(dǎo)的基因表達(dá)有兩個方向：1）乙酰化的FOXO主要介導(dǎo)促細(xì)胞程序性死亡和自噬基因的表達(dá)，為細(xì)胞對外界環(huán)境的一種主動適應(yīng)表現(xiàn)；2）通過SIRT1的去乙?；饔?，SIRT1與FOXO結(jié)合并介導(dǎo)抗氧化相關(guān)基因的表達(dá)，包括促進(jìn)超氧化物歧化酶和過氧化氫酶等抗氧化酶的表達(dá)，清除過多的ROS；同時參與細(xì)胞周期調(diào)控和DNA修復(fù)等過程。不同強(qiáng)度的外界刺激，可以差異性地調(diào)控FOXO介導(dǎo)基因的轉(zhuǎn)錄［14］。

研究表明，SIRT1可以通過FOXO抑制破骨細(xì)胞的分化。在敲除了FOXO1、FOXO3和FOXO4基因的細(xì)胞中，SIRT1對破骨細(xì)胞生成的抑制作用被消除了。敲除了SIRT1后，F(xiàn)OXO基因的乙酰化作用加強(qiáng)，破骨細(xì)胞分化相關(guān)細(xì)胞因子表達(dá)增加；而抑制了FOXO基因的乙?；螅現(xiàn)OXO介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄過程增強(qiáng)，抑制破骨細(xì)胞生成。

Kim等［15］認(rèn)為，SIRT1基因通過去乙?；疐OXO基因增強(qiáng)FOXO基因介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄，從而抑制破骨細(xì)胞的生成。在成骨過程中，SIRT1通過去乙酰化FOXO基因，調(diào)節(jié)WNT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的信號傳導(dǎo)，從而調(diào)節(jié)成骨轉(zhuǎn)錄。

3.2SIRT1與WNT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

WNT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在胚胎發(fā)育、骨重塑和腫瘤發(fā)生等生理病理過程中起重要的調(diào)控作用，主要有經(jīng)典WNT/β-肌動蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、WNT/ Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、WNT/平行極性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路三種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式。經(jīng)典WNT/β-肌動蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是調(diào)節(jié)骨代謝的重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路［16］。在前成骨細(xì)胞中，乙?；腇OXO轉(zhuǎn)錄因子通過與β-肌動蛋白的相互結(jié)合，減少了β-肌動蛋白在細(xì)胞核內(nèi)的積累，抑制β-肌動蛋白/轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的成骨轉(zhuǎn)錄［17］。在經(jīng)典WNT/β-肌動蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路SIRT1可通過與FOXO結(jié)合（去乙?；┫抡{(diào)FOXO3；抑制上述過程，可保護(hù)WNT/β-肌動蛋白信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，促進(jìn)其介導(dǎo)的成骨轉(zhuǎn)錄。

硬化蛋白（sclerostin，SOST）主要由骨細(xì)胞特異性表達(dá)，既是骨形成的負(fù)性調(diào)節(jié)因子，亦是WNT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的胞外抑制劑。Sirrt1+/-基因缺陷小鼠成骨量減少，Sost基因表達(dá)增加14倍；過表達(dá)Sirt1基因，可下調(diào)SOST，促進(jìn)成骨。免疫共沉淀試驗揭示，SOST是SIRT1蛋白的靶基因，SIRT1蛋白能通過SOST基因啟動子H3K9的去乙?；饔秘?fù)調(diào)控SOST基因的表達(dá)［18］。有研究［19］表明，SIRT1激動劑SRT3025可以通過下調(diào)SOST，恢復(fù)小鼠卵巢切除術(shù)引起的骨質(zhì)喪失及生物力學(xué)性能減退。

3.3SIRT1與NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

在成骨與破骨細(xì)胞中，SIRT1可抑制NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)信號，而這個過程對于骨重建是必不可少的，而且可能與宿主年齡相關(guān)的骨喪失有一定聯(lián)系。特異性地敲除小鼠成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞中的Sirt1基因，會導(dǎo)致小鼠骨質(zhì)喪失。在體外，特異性地敲除小鼠破骨細(xì)胞中的Sirt1基因，會增加破骨細(xì)胞生成并激動NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)信號，而藥物性地抑制NF-κB則會阻斷這一過程。在成骨細(xì)胞中敲除SIRT1基因，會減少成骨細(xì)胞的分化；同樣的，抑制NF-κB信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)信號會阻斷這個反應(yīng)［6］。

3.4SIRT1與甲狀旁腺素

間歇性地給予骨質(zhì)疏松癥患者甲狀旁腺激素（parathyroid hormone，PTH），可取得十分明顯的療效。SIRT1蛋白是基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metallopro-teinase，MMP）13的負(fù)性調(diào)節(jié)劑。在成骨細(xì)胞中，SIRT1激動劑抑制PTH介導(dǎo)的MMP-13的表達(dá)。這個調(diào)節(jié)作用是通過SIRT1與MMP13啟動子中AP-1位點的c-Jun結(jié)合（通過去乙?；痗-jun）產(chǎn)生的［20］。SIRT1可以通過PTH調(diào)節(jié)骨與軟骨代謝。

4　小結(jié)

SIRT1可促進(jìn)成骨，抑制破骨，促進(jìn)間質(zhì)干細(xì)胞的成骨向分化，調(diào)節(jié)骨代謝。在骨組織中，SIRT1及其配體NAD+的活性隨著宿主年齡的增加而下降［21-22］，這與隨著宿主年齡的增長而導(dǎo)致的成骨細(xì)胞數(shù)量下降及骨喪失密切相關(guān)［23］。激活或過表達(dá)SIRT1基因會明顯地減少因宿主年齡增長而產(chǎn)生的骨質(zhì)喪失［7］；因此，用藥理學(xué)的方法激動SIRT1基因可能成為預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松的一種全新的途徑。

［1］Michan S，Sinclair D. Sirtuins in mammals： insights into their biological function［J］. Biochem J，2007，404（1）：1-13.

［2］Yamamoto H，Schoonjans K，Auwerx J. Sirtuin functions in health and disease［J］. Mol Endocrinol，2007，21（8）：1745-1755.

［3］Godfrin-Valnet M，Khan KA，Guillot X，et al. Sirtuin 1 activity in peripheral blood mononuclear cells of patients with osteoporosis［J］. Med Sci Monit Basic Res，2014，20：142-145.

［4］Iyer S，Han L，Bartell S，et al. Sirtuin1（Sirt1） promotes cortical bone formation by preventing β-catenin sequestration by FoxO transcription factors in osteoblast progenitors［J］. J Biol Chem，2014（35）：24069-24078.

［5］Simic P，Zainabadi K，Bell E，et al. SIRT1 regulates differentiation of mesenchymal stem cells by deacetylating β-catenin［J］. EMBO Mol Med，2013，5 （3）：430-440.

［6］Edwards JR，Perrien DS，F(xiàn)leming N，et al. Silentinformation regulator（Sir）T1 inhibits NF-κB signaling to maintain normal skeletal remodeling［J］. J Bone Miner Res，2013，28（4）：960-969.

［7］Mercken EM，Mitchell SJ，Martin-Montalvo A，et al. SRT2104 extends survival of male mice on a standard diet and preserves bone and muscle mass［J］. Aging Cell，2014，13（5）：787-796.

［8］Irina G，Hanna A，Einav CK，et al. The Sirt1 activators SRT2183 and SRT3025 inhibit rankl-induced osteoclastogenesis in bone marrow-derived macrophages and down-regulate Sirt3 in Sirt1 null cells［J］. PloS One，2015（7）：e0134391.

［9］Gabay O，Zaal KJ，Sanchez C，et al. Sirt1-deficient mice exhibit an altered cartilage phenotype［J］. Joint Bone Spine，2013，80（6）：613-620.

［10］Li W，Cai L，Zhang Y，et al. Intra-articular resveratrol injection prevents osteoarthritis progression in a mouse model by activating SIRT1 and thereby silencing HIF-2α［J］. J Orthop Res，2015，33（7）：1061-1070.

［11］Antonio U，Lorenzo M，Vito P. Mesenchymal stem cells in health and disease［J］. Nat Rev Immunol，2008，8（9）：726-736.

［12］Shakibaei M，Shayan P，Busch F，et al. Resveratrol mediated modulation of Sirt-1/Runx2 promotes osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells：potential role of Runx2 deacetylation［J］. PloS One，2012（4）：e35712.

［13］Hori YS，Kuno A，Hosoda R，et al. Regulation of FOXOs and p53 by SIRT1 modulators under oxidative stress［J］. PLoS One，2013，8（9）：e73875.

［14］Kousteni S. FoxOs： unifying links between oxidative stress and skeletal homeostasis［J］. Curr Osteoporos Rep，2011，9（2）：60-66.

［15］Kim HN，Han L，Iyer S，et al. Sirtuin1 suppresses osteoclastogenesis by deacetylating FoxOs［J］. Mol Endocrinol，2015，29（10）：1498-1509.

［16］Monroe DG，McGee-Lawrence ME，Oursler MJ，et al. Update on Wnt signaling in bone cell biology and bone disease［J］. Gene，2012，492（1）：1-18.

［17］Iyer S，Ambrogini E，Bartell SM，et al. FOXOs attenuate bone formation by suppressing Wnt signaling ［J］. J Clin Invest，2013，123（8）：3409-3419.

［18］Cohen-Kfir E，Artsi H，Levin A，et al. Sirt1 is a regulator of bone mass and a repressor of Sost encoding for sclerostin，a bone formation inhibitor［J］. Endocrinology，2011，152（12）：4514-4524.

［19］Artsi H，Cohen-Kfir E，Gurt I，et al. The Sirtuin1 activator SRT3025 down-regulates sclerostin and rescues ovariectomy-induced bone loss and biomechanical deterioration in female mice［J］. Endocrinology，2014，155（9）：3508-3515.

［20］Fei Y，Shimizu E，McBurney MW，et al. Sirtuin 1 is a negative regulator of parathyroid hormone stimulation of matrix metalloproteinase 13 expression in osteoblastic cells： role of sirtuin 1 in the action of PTH on osteoblasts［J］. J Biol Chem，2015，290（13）：8373-8382.

［21］Gomes AP，Price NL，Ling AJ，et al. Declining NAD+induces a pseudohypoxic state disrupting nuclearmitochondrial communication during aging［J］. Cell，2013，155（7）：1624-1638.

［22］Mercken EM，Mitchell SJ，Martin-Montalvo A，et al. SRT2104 extends survival of male mice on a standard diet and preserves bone and muscle mass［J］. Aging Cell，2014，13（5）：787-796.

［23］Elbaz A，Rivas D，Duque G. Effect of estrogens on bone marrow adipogenesis and Sirt1 in aging C57BL/ 6J mice［J］. Biogerontology，2009，10（6）：747-755.

（本文采編王晴）

Silent mating type information regulation 2 homolog 1 in bone and cartilage homeostasis

Xu Xin，Wang Yanmin，Bai Ding. （State Key Laboratory of Oral Diseases，Dept. of Orthodontics，West China Hospital of Stomatology，Sichuan University，Chengdu 610041，China）

Q 55

A

10.7518/gjkq.2016.05.017

2015-12-03；［修回日期］2016-03-21

四川省科技支撐計劃（2015FZ0074）

胥欣，碩士，Email：xuxinmy68@163.com

白丁，教授，博士，Email：baiding@scu.edu.cn