Sestrins調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

劉佳秋，韓薇

作者單位：1 150001 哈爾濱,哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院

Sestrins（Sesn）屬于應(yīng)激反應(yīng)蛋白家族，在應(yīng)激的情況下表達(dá)上調(diào)，具有多種生物學(xué)功能[1,2]。Sesn包含三個(gè)家族成員，即Sesn1、Sesn2和Sesn3，它們具有特定的蛋白質(zhì)編碼基因，共用了近50%相同的氨基酸序列[1,3]。Sesn1，是一種生長(zhǎng)抑制DNA損傷誘導(dǎo)基因（GADD），也稱(chēng)p53調(diào)控蛋白26（PA26），是由腫瘤抑制蛋白（p53）調(diào)節(jié)[3]。Sesn2，是一種PA26同源體，也稱(chēng)為缺氧誘導(dǎo)基因95（Hi95），在缺氧條件下被誘發(fā)[3-5]。Sesn3，是一種新型的PA26結(jié)構(gòu)相關(guān)基因，被轉(zhuǎn)錄因子Forkhead box O（FoxO）家族誘導(dǎo)[6]。

1 調(diào)節(jié)Sestrin的上游途徑及機(jī)制

1.1 氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激發(fā)生在活性氧（ROS）和活性氮（RNS）產(chǎn)生及清除機(jī)制不平衡的過(guò)程中。Sestrin家族蛋白是抗氧化防御機(jī)制的一種，主要在氧化應(yīng)激條件下被激活，其他傷害性刺激也可誘導(dǎo)Sesn。高水平的ROS主要通過(guò)激活抗氧化反應(yīng)元件（AREs）來(lái)刺激一系列抗氧化基因表達(dá)[7]。NF-E2相關(guān)因子2（Nrf2）是一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，來(lái)自基本堿性亮氨酸拉鏈（bZIP）蛋白家族，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中廣泛表達(dá)，Nrf2通過(guò)與AREs結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)各種抗氧化基因的表達(dá)，在嚴(yán)重應(yīng)激條件下對(duì)細(xì)胞保護(hù)起重要作用[7,8]。正常情況下，Nrf2與其阻遏者kelch樣ECH相關(guān)蛋白1（Keap1）定位于細(xì)胞質(zhì)，通過(guò)Cul3-based E3連接酶進(jìn)行泛素化和蛋白酶體降解，氧化應(yīng)激使Keap1從Nrf2中分離，并促使Nrf2核轉(zhuǎn)位，使其與AREs結(jié)合和激活[8]。Nrf2在Sesn2表達(dá)調(diào)控中起核心作用，研究表明Nrf2活化劑如叔丁基對(duì)苯二酚和蘿卜硫素以劑量和時(shí)間依賴(lài)性上調(diào)Sesn2 mRNA的表達(dá)[7]。Sesn2通過(guò)p62依賴(lài)自噬和繼發(fā)的Nrf2活化，由Keap1降解介導(dǎo)其抗氧化作用[8]。

氧化應(yīng)激和補(bǔ)充ROS有利于癌細(xì)胞增殖和突變，最終導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性。除了高ROS水平，大多數(shù)的腫瘤都與Sesn2下調(diào)有關(guān)[4,9,10]。相反，在多種癌細(xì)胞中，Sesn2誘導(dǎo)抑制氧化應(yīng)激并減緩腫瘤的發(fā)生[3,4,11]。研究結(jié)果表明，Sens2的抗氧化作用對(duì)細(xì)胞起到保護(hù)作用，防止器官損傷，并消除腫瘤的發(fā)生。

1.2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 在不良生理?xiàng)l件下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊蛋白積聚導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。三個(gè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜酶：蛋白激酶RNA樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（PERK），肌醇需要酶1（IRE1），和轉(zhuǎn)錄激活因子6（ATF6），共同監(jiān)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的健康，通過(guò)觸發(fā)未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）修復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，為維護(hù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)發(fā)揮了重要作用[12]。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激條件下Sens2表達(dá)上調(diào)，然而其確切機(jī)制知之甚少。研究表明，在肝細(xì)胞中，棕櫚酸誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)，Sesn2通過(guò)PERK-c/EBPβ介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制激活[13]。在癌細(xì)胞中Sesn2通過(guò)激活轉(zhuǎn)錄因子4（ATF4）依賴(lài)于PERK進(jìn)行誘導(dǎo)[14]。最近研究發(fā)現(xiàn)，缺乏PERK或x-box-binding蛋白-1（XBP1，一個(gè)IRE1下游標(biāo)記）的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（MEFs）不能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下誘導(dǎo)Sesn2表達(dá)[15]。同樣，在毒胡蘿卜素和氨甲喋呤介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中，癌細(xì)胞系XBP1（HCC1806和MCF7）沉默抑制了Sesn2誘導(dǎo)。在葡萄糖饑餓誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激下，ATF4和Nrf2兩種轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)UPR的PERK通路得到刺激，直接綁定到Sesn2啟動(dòng)子使其表達(dá)上調(diào)，這種發(fā)生機(jī)制獨(dú)立于p53[12]。綜合來(lái)看，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激導(dǎo)致Sesn2上調(diào)依賴(lài)于PERK和IRE1/XBP1轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，Sesn2激活發(fā)生是通過(guò)兩種機(jī)制：一種是通過(guò)p53回應(yīng)DNA損傷；另一種是通過(guò)UPR介導(dǎo)ATF4和Nrf2激活。

1.3 缺氧 低氧或缺氧刺激能顯著激活Sesn2表達(dá)。癌細(xì)胞在缺氧條件下上調(diào)Sesn1和Sesn2，然而與Sesn1不同，Sesn2主要由于能源匱乏繼發(fā)缺氧而激活，并獨(dú)立于p53[1,5]。Sesn2可以依賴(lài)或獨(dú)立于缺氧誘導(dǎo)因子（HIF-1）激活[16]，至于是哪種化學(xué)物質(zhì)通過(guò)何種機(jī)制刺激缺氧，激活Sesn2，目前尚未可知。

關(guān)于新生大鼠的研究數(shù)據(jù)表明，與中度腦缺血缺氧（HI）損傷相比，重度HI損傷下Sesn2通過(guò)HIF-1α在神經(jīng)元上表達(dá)明顯上調(diào)。此外，新生大鼠受到重型HI損傷后，由神經(jīng)元HIF-1α介導(dǎo)的Sesn2激活通過(guò)抑制血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）減弱了血腦屏障（BBB）的滲透[17]。另一研究發(fā)現(xiàn)，缺氧介導(dǎo)的Sesn2上調(diào)阻礙了細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生，缺氧和一氧化氮（NO）以一種依賴(lài)HIF-1α的方式上調(diào)Sesn2，活化的Sesn2通過(guò)防止過(guò)氧化物酶家族亞磺化，增強(qiáng)過(guò)氧化物防御[18]。因此，Sesn2不僅作為一個(gè)分子來(lái)結(jié)合缺氧和氧化應(yīng)激信號(hào)，也作為一種防御機(jī)制對(duì)抗細(xì)胞的缺氧應(yīng)激。

2 Sestrin調(diào)節(jié)的下游途徑及機(jī)制

2.1 AMP激活蛋白激酶（AMPK）活化和mTORC1抑制 哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一種絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶，最初發(fā)現(xiàn)于酵母突變體中，它對(duì)雷帕霉素的生長(zhǎng)抑制作用具有抵抗力。mTOR包含兩個(gè)不同的多蛋白復(fù)合物：雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1（mTORC1），對(duì)雷帕霉素敏感；以及mTORC2，對(duì)雷帕霉素不敏感。mTORC1蛋白激酶作為“主調(diào)節(jié)器”，回應(yīng)于不同的刺激，包括生長(zhǎng)因子、氧化應(yīng)激和能量水平改變[19,20]。持續(xù)的mTOR刺激與多種疾病相關(guān)，如糖尿病、肥胖癥、心血管疾病、癌癥和自身免疫性疾病等[20]。

AMPK是能量不足條件下激活的一種酶，是細(xì)胞內(nèi)mTOR的主要負(fù)調(diào)控因子。研究表明，Sesn2在細(xì)胞內(nèi)主要通過(guò)AMPK活化和結(jié)節(jié)性硬化癥2（TSC2）磷酸化來(lái)抑制mTOR的活化[21,22]。Sesn2介導(dǎo)的AMPK活化抑制了NADPH依賴(lài)氧化酶4（NOX4），因此減少細(xì)胞內(nèi)通過(guò)NOX4氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生的ROS[23]。在體內(nèi)和體外，基因沉默和Sesn2沉默可引起多種類(lèi)型細(xì)胞中mTOR持續(xù)激活信號(hào)，說(shuō)明Sesn2對(duì)mTOR的抑制起到重要作用。在壁層上皮細(xì)胞中，Sesn2沉默引起mTORC1下游目標(biāo)如p70核糖體蛋白S6激酶（p70S6K）磷酸化上調(diào)[24]。在小鼠研究中，營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩可引起mTOR的慢性激活，最終導(dǎo)致Sesn2在多種組織包括肝臟和骨骼肌中誘導(dǎo)，相反，Sesn2基因沉默增強(qiáng)了mTOR活性，并加重肥胖相關(guān)的疾病，如糖耐量異常、胰島素抵抗和脂肪肝等[22]。

2.2 自噬 自噬是細(xì)胞的一種防御機(jī)制，指引衰老和錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)進(jìn)行溶酶體降解，從而保護(hù)細(xì)胞避免過(guò)度應(yīng)激，適應(yīng)不良的細(xì)胞信號(hào)。在細(xì)胞中，自噬激活的主要刺激是mTOR信號(hào)抑制和/或AMPK激活,這一過(guò)程是通過(guò)自噬相關(guān)蛋白（ATG）和UNC-51-樣自噬激活激酶1（Ulk1）蛋白磷酸化實(shí)現(xiàn)的[25]。Sesn2能夠調(diào)節(jié)mTORC1/AMPK信號(hào)通路，因此，預(yù)測(cè)Sesn2激活會(huì)刺激細(xì)胞自噬。事實(shí)上，Sesn2與幾個(gè)自噬相關(guān)蛋白（ATG）和BCL2/腺病毒E1B 19 kDa蛋白應(yīng)答蛋白3（BNIP3）行為一致，被發(fā)現(xiàn)可誘導(dǎo)自噬[26]。Sesn2抑制mTORC1對(duì)于P62自噬介導(dǎo)KEAP1的降解非常重要[8]，因此，在氧化應(yīng)激中，自噬激活對(duì)于Nrf2信號(hào)介導(dǎo)的Sesn2抗氧化作用是不可或缺的。

在癌細(xì)胞中，Sesn2誘導(dǎo)自噬由c-Jun氨基末端激酶（JNK）信號(hào)通路調(diào)節(jié)。關(guān)于鼻咽癌細(xì)胞系的研究中發(fā)現(xiàn)，刺激JNK信號(hào)通路增加了Sesn2表達(dá)，這種表達(dá)可能被siRNA介導(dǎo)的JNK通路沉默減弱[27]。而且JNK介導(dǎo)的自噬在Sesn2表達(dá)沉默后被抑制，提示在癌細(xì)胞中JNK介導(dǎo)的自噬誘導(dǎo)依賴(lài)于Sesn2。最近關(guān)于人類(lèi)膀胱癌的研究中揭示了JNK通過(guò)何種機(jī)制激活了Sesn2并刺激癌細(xì)胞自噬。研究結(jié)果表明，在Sesn2啟動(dòng)子區(qū)，JUN（JNK通路激活產(chǎn)生）與AP-1結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，這是Sesn2激活和誘導(dǎo)癌細(xì)胞自噬的關(guān)鍵[28]。總之，Sesn2在自噬刺激中起著重要作用，它可作為一個(gè)細(xì)胞中介物，整合信號(hào)AMPK和mTOR及信號(hào)通路，并促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡。

2.3 細(xì)胞凋亡 程序性細(xì)胞死亡，通常被稱(chēng)為細(xì)胞凋亡，控制細(xì)胞生長(zhǎng)和發(fā)育的過(guò)程。細(xì)胞凋亡是特定的生化和形態(tài)學(xué)改變，包括膜皺縮、細(xì)胞皺縮、核固縮、染色體DNA分裂及胞內(nèi)蛋白裂解。大量研究表明，Sesn2在多種類(lèi)型細(xì)胞中具有抗凋亡作用。關(guān)于RAW264.7細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)，在氧化低密度脂蛋白（oxLDL）刺激下，Sesn2通過(guò)JNK/c-Jun通路表達(dá)，Sesn2沉默可以促進(jìn)細(xì)胞凋亡[29]。在相關(guān)體外研究中發(fā)現(xiàn)，受到缺氧缺血性腦損傷的新生大鼠通過(guò)鼻腔給予重組人Sesn2，可減少大鼠神經(jīng)細(xì)胞凋亡，改善神經(jīng)功能。因此，Sesn2誘導(dǎo)是減輕各種傷害性刺激引起細(xì)胞凋亡的一種代償性反應(yīng)。相比之下，在癌細(xì)胞中，Sesn1/2下調(diào)會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞生長(zhǎng)加速[11]，這表明Sesn可引起癌細(xì)胞的凋亡。因此，Sesn2可作為各種疾病如心血管疾病、代謝性疾病，神經(jīng)退行性疾病和癌癥等的治療目標(biāo)。

3 Sestrins在心血管疾病中的意義

心臟負(fù)荷增加或損傷引起心肌肥大，最終導(dǎo)致心肌營(yíng)養(yǎng)不良和死亡。事實(shí)上，心臟肥大是心血管疾病死亡率和發(fā)病率的預(yù)測(cè)因子之一。氧化應(yīng)激是心臟病理生理的一個(gè)重要因子，因此預(yù)測(cè)Sesn對(duì)心肌細(xì)胞起保護(hù)作用。從機(jī)制上看，一方面心功能下降引起mTOR過(guò)度活化，Sesn表達(dá)受損，而抑制mTOR可以緩解Sesn下調(diào)導(dǎo)致的表型混亂[30]。研究顯示，Sesn1通過(guò)抑制mTOR信號(hào)從而有效抑制血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌成纖維細(xì)胞增殖[30]。抑制mTOR似乎可以起到心臟保護(hù)作用，特別是在壓力超負(fù)荷的狀態(tài)下。

另一方面，Sesn可能通過(guò)調(diào)節(jié)自噬途徑影響心臟的功能。嚴(yán)格的自噬調(diào)節(jié)有助于防止壓力超負(fù)荷引起的心肌肥厚[31]，相反，阻斷自噬可能進(jìn)一步加重心肌肥厚[32]。Sesn1沉默能夠加重腎上腺素誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大，Sesn1過(guò)度表達(dá)則保護(hù)這些遭受肥厚性應(yīng)力的細(xì)胞[32]。Sesn1通過(guò)激活A(yù)MPK/mTORC1/自噬軸起到細(xì)胞保護(hù)作用，阻斷該通路會(huì)減少Sesn對(duì)抗肥厚性應(yīng)力的能力[32]。此外，Sesn2維持和增強(qiáng)自噬活性需要AMPK上游激酶肝激酶B1（LKB1）引起的AMPK活化[33]。AMPK激活控制線粒體的生物合成，維持能量平衡，并最終幫助細(xì)胞在缺血條件下存活。

Sesn也在動(dòng)脈粥樣硬化中發(fā)揮有益的作用。最近發(fā)現(xiàn)，Sesn2沉默能夠增強(qiáng)小鼠動(dòng)脈粥樣硬化和動(dòng)脈粥樣硬化其他特征的形成，其作用機(jī)制可能包括增加ROS的產(chǎn)生和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激以及增加血管中的粘附分子[34]?？傊琒esn1和Sesn2有望成為改善心血管疾病有吸引力的目標(biāo)。

4 結(jié)論

Sesn2，一種應(yīng)激反應(yīng)蛋白，主要由p53調(diào)控，可以對(duì)抗遺傳毒性和氧化應(yīng)激，從而起到細(xì)胞保護(hù)作用。目前，人們認(rèn)為Sesn2是細(xì)胞代謝的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，在正常生理和病理狀態(tài)下對(duì)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)作出積極貢獻(xiàn)。在細(xì)胞中Sesn抑制ROS的產(chǎn)生和mTOR的活化，并增加AMPK信號(hào)通路和抗氧化水平。Sesn的調(diào)節(jié)作用使它成為一個(gè)有吸引力的治療目標(biāo)。制定治療策略來(lái)上調(diào)Sesn，重點(diǎn)在于破譯構(gòu)成Sesn多種有益作用如抗氧化、消除缺氧信號(hào)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，AMPK激活/mTORC1抑制、自噬激活、維持正常細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、以及對(duì)癌細(xì)胞增殖的抑制作用的基礎(chǔ)，即調(diào)節(jié)Sesn的上游通路及其調(diào)節(jié)的下游通路。后續(xù)研究中將會(huì)使用器官特異性敲除Sesn2的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物模型，將Sesn水平與疾病進(jìn)展相聯(lián)系，這有助于探索在特定疾病中由Sesn2調(diào)節(jié)的生化途徑。此外，運(yùn)用于體外和體內(nèi)模型的小分子Sesn2類(lèi)似物或誘導(dǎo)劑的開(kāi)發(fā)和篩選將有助于明確Sesn2作為各種疾病的藥物靶點(diǎn)的治療潛力。