Sirtuin家族與心血管疾病相關(guān)性研究進(jìn)展

汪瀟瀟 蔣維

(1.重慶大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院/重慶市腫瘤研究所/重慶市腫瘤醫(yī)院，腫瘤轉(zhuǎn)移與個(gè)體化診治轉(zhuǎn)化研究重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030； 2.四川大學(xué)生物治療國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

1 Sirtuin(Silent information regulator two proteins)家族成員的結(jié)構(gòu)學(xué)特征及其實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)去乙酰化活性的結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)

Sirtuins的序列分析表明Sirtuin家族成員具有高度保守的催化活性中心和不同長度和序列的N-和C-末端片段。通過對Sirtuin家族成員進(jìn)行X-射線晶體結(jié)構(gòu)分析，Sirtuin家族成員的活性中心區(qū)域的結(jié)構(gòu)相似，包含一大一小兩個(gè)結(jié)構(gòu)域。大結(jié)構(gòu)域?yàn)镽ossmann折疊區(qū)域，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)的結(jié)合區(qū)域，在不同的種屬間具有高度保守性[1]。小結(jié)構(gòu)域?yàn)椴煌摹⒍嘧兊匿\指結(jié)構(gòu)，以及具有三到四個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)的螺旋形模塊。大、小結(jié)構(gòu)域通過四個(gè)連接環(huán)相連，且四個(gè)連接環(huán)間形成一個(gè)裂隙，其中的大部分氨基酸殘基是高度保守的[2]。乙?；馁嚢彼岷蚇AD從反方向插入裂隙中的疏水通道，是發(fā)揮去乙?；呋饔玫膱鏊?。由于鋅離子離活性位點(diǎn)太遠(yuǎn)，不能直接參與去乙?；?，但它對催化活性中心區(qū)域結(jié)構(gòu)的完整性的維持具有重要作用[3]。四個(gè)半胱氨酸殘基在四面體幾何結(jié)構(gòu)中整合鋅離子，鋅離子則使三個(gè)β鏈聚集在一起，從而維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Sirtuins通過NAD和乙?；嚢彼岬孜锏慕Y(jié)合、糖苷鍵的剪切、乙?；鶊F(tuán)的轉(zhuǎn)換、煙酰胺和去乙酰化賴氨酸的形成發(fā)揮其催化作用[4]?？傊琒irtuin的結(jié)構(gòu)、各種底物和中間體/過渡態(tài)模板以及產(chǎn)物等，為NAD和乙?；嚢彼岬孜锏慕Y(jié)合和催化反應(yīng)以及Sirtuin如何促進(jìn)去乙?；^程提供了重要的信息。

2 Sirtuin家族成員與心血管疾病

2.1 Sirtuin家族成員與心臟缺血/再灌注損傷

心臟缺血再灌注損傷包含了復(fù)雜的損傷因素，包括缺血時(shí)能量的缺失以及復(fù)灌時(shí)氧化應(yīng)激的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致一系列細(xì)胞壞死通路的激活，最終導(dǎo)致心臟損傷。Sirtuin家族蛋白被證實(shí)參與此損傷過程中心肌細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)，抵抗氧化應(yīng)激，調(diào)控代謝通路等。心臟在缺血狀態(tài)下，能量代謝紊亂，腺苷酸活化蛋白激酶(Adenosine monophosphate protein kinase，AMPK)活化，使得腺苷三磷酸(Adenosine triphosphate，ATP)存儲(chǔ)增加，消耗減少[5]。Sirtuins蛋白的活性與細(xì)胞能量代謝狀態(tài)密切相關(guān)，即受到 NAD+水平的調(diào)節(jié)。Suchankova等發(fā)現(xiàn)AMPK活性的改變也與 NAD+水平及SIRT1的活性相關(guān)，表明在心臟缺血時(shí)，SIRT1和AMPK有密切的聯(lián)系，且已有研究證實(shí)在缺血再灌時(shí)若SIRT1缺失，AMPK的活化也降低[6]。此外，在缺血再灌時(shí)小鼠心臟組織SIRT1的表達(dá)下降，SIRT1缺失的小鼠發(fā)生更嚴(yán)重的心梗損傷，而心臟特異性過表達(dá)SIRT1的小鼠心梗面積明顯減小，并且SIRT1通過促進(jìn)叉頭轉(zhuǎn)錄因子1(Forkhead box protein O1，F(xiàn)OXO1)的轉(zhuǎn)錄活性，促進(jìn)其細(xì)胞核定位，使得心肌細(xì)胞凋亡降低，抗氧化蛋白表達(dá)增加，氧化應(yīng)激降低[7]。在心臟功能障礙時(shí)，SIRT6表達(dá)水平下降，使得細(xì)胞凋亡和衰老加重。SIRT6對低氧誘導(dǎo)因子-1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)的去乙?；赡苡绊懫咸烟谴x[8]。線粒體作為心臟能量的來源，心臟的生理功能與線粒體功能的完整性密切相關(guān)。位于線粒體的SIRT3已被證實(shí)可通過提高錳超氧化物歧化酶(Manganese superoxide dismutase，MnSOD)的活性，降低氧自由基(Reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生[9]，進(jìn)而改善缺血再灌過程中的氧化應(yīng)激，達(dá)到保護(hù)心臟的作用。并且SIRT3可通過去乙酰化線粒體膜通道孔(Mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的親環(huán)素D，使得促凋亡蛋白的釋放減少。除了抗氧化和抗凋亡的作用，SIRT3還可調(diào)節(jié)線粒體ATP的合成[10]。總之，Sirtuins，特別是SIRT1、3、6和7在心肌受到氧化應(yīng)激，基因組DNA損傷等時(shí)，它們可改善心肌損傷。

2.2 Sirtuin家族成員與心臟肥大

心臟重塑包含了多方面的誘導(dǎo)因素，其表現(xiàn)通常為心肌細(xì)胞的肥大、凋亡和纖維化組織的增加等。諸多證據(jù)表明表觀遺傳的修飾對于促進(jìn)或抑制疾病過程有重要作用。Sirtuins家族可發(fā)揮其去乙?；傅淖饔脤D(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)等進(jìn)行修飾。過表達(dá)SIRT1或應(yīng)用白藜蘆醇活化SIRT1后，SIRT1通過與過氧化物酶體增殖物激活受體α(Recombinant peroxisome proliferator activated receptor alpha，PPARa)發(fā)生相互作用，增加PPARa與核因子κB(Nuclear factor kappa-B，NF-κB)的 Protein65(P65)亞基的結(jié)合，導(dǎo)致P65的去乙酰化，同時(shí)也去乙?；疨PARa的協(xié)調(diào)因子過氧化物酶體增殖物激活受體C輔激活因子 1A (Peroxisomeproliferator-activated receptor-C coactivator-1A，PGC-1A)，從而抑制苯腎上腺素導(dǎo)致的心肌肥大[11]。此外，體內(nèi)體外SIRT1的過表達(dá)也可改善血管緊張素II誘導(dǎo)的心肌肥大和損傷。SIRT3和SIRT7基因敲除的小鼠都表現(xiàn)出心臟肥大。其中SIRT3缺失的小鼠主要表現(xiàn)為心臟間質(zhì)的纖維化，而SIRT7缺失的小鼠主要為炎癥介導(dǎo)的心肌病變[12]。SIRT3是內(nèi)源性的心臟肥大的調(diào)節(jié)因子，通過活化叉頭轉(zhuǎn)錄因子3(Forkhead box protein O3，F(xiàn)oXO3a)、抗氧化蛋白MnSOD和過氧化氫酶(Catalase)，降低ROS，使得腎素-血管緊張素系統(tǒng)(Renin-angiotensin system， RAS)以及下游絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)/胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Extracellular signal-regulated kinase，ERK)和Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase/Protein kinase B (PI3K/Akt)信號通路的活化降低，進(jìn)而抑制心臟肥大。SIRT6通過抑制 Insulin-like growth factor(IGF-Akt)信號通路，去乙酰化組蛋白3的賴氨酸殘基9位(Histone 3 Lysine 9，H3K9)，從而改善心臟肥大和心衰[10]。

2.3 Sirtuin家族成員與高血壓

高血壓為血壓長期增高的慢性疾病，血管發(fā)生重塑，胞外基質(zhì)改變。在高血壓血管病變的過程中，細(xì)胞的增值，肥大，炎癥，纖維化均為導(dǎo)致血管重塑的因素[1,3]。血管緊張素II在誘導(dǎo)高血壓的過程中，導(dǎo)致血管重塑，血管平滑肌增值，膠原堆積等。SIRT1可降低血管緊張素II誘導(dǎo)的NF-κB與轉(zhuǎn)化生長因子-β(Transforming growth factor-β1，TGF-β1)啟動(dòng)子的結(jié)合，從而降低炎癥，緩解血管重塑，降低血壓[14]。動(dòng)脈血管內(nèi)皮功能受到一氧化氮(Nitric oxide，NO)極大的影響，NO的產(chǎn)生減少和內(nèi)皮型一氧化氮合酶(Endothelial nitric oxide synthase，eNOS)活性的降低與SIRT1功能的降低密切相關(guān)[15]。SIRT1功能的降低與NADPH活性的提高相關(guān)，進(jìn)而提高超氧化合物陰離子的濃度，促進(jìn)NO的降解，使得內(nèi)皮功能障礙進(jìn)一步加重。并且SIRT1的缺失下調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶-14(Matrix metalloproteinase-14，MMP-14)，提高內(nèi)皮因子和谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)，從而促進(jìn)纖維化。SIRT2在高血壓誘導(dǎo)的血管重塑中影響內(nèi)皮細(xì)胞的遷移[16]。

2.4 Sirtuin家族成員與動(dòng)脈粥樣硬化

動(dòng)脈粥樣硬化為伴有脂代謝紊亂的慢性免疫炎癥反應(yīng)疾病。動(dòng)脈粥樣硬化形成的重要步驟是大動(dòng)脈皮下間隙單核細(xì)胞的滲透和巨噬細(xì)胞對脂肪的吞噬作用，巨噬細(xì)胞繼而分化為泡沫細(xì)胞，促使大量炎癥細(xì)胞因子的釋放，從而又促進(jìn)單核細(xì)胞的聚集，形成惡性循環(huán)。因此脂代謝紊亂和炎癥反應(yīng)為動(dòng)脈粥樣硬化形成的主要因素[17]。SIRT1在內(nèi)皮功能障礙的相關(guān)疾病中發(fā)揮著重要的保護(hù)作用。在胰島素抵抗、動(dòng)脈粥樣硬化及相關(guān)冠狀動(dòng)脈疾病中，SIRT1基因和蛋白水平的表達(dá)均為低水平，被證實(shí)為動(dòng)脈粥樣硬化的重要保護(hù)因子[18]。同樣，血管平滑肌的異常增殖也是動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展的重要致病機(jī)理，SIRT1被證實(shí)也可抑制動(dòng)脈粥樣硬化時(shí)血管平滑肌的異常增殖，且這一過程可能受到了FoXO3a的介導(dǎo)。SIRT6在衰老進(jìn)程中發(fā)揮著重要的保護(hù)作用，可抑制基因組DNA的損傷和端粒功能的紊亂，對于維持內(nèi)皮細(xì)胞和新生血管的生成很重要。有研究者發(fā)現(xiàn)，SIRT6+/-APOE-/-小鼠在高脂飲食后Natural-killer group 2 member D(NKG2D)配體上調(diào)，促進(jìn)血管炎癥，動(dòng)脈粥樣硬化更為嚴(yán)重[19]。

3 總結(jié)及展望

Sirtuins家族蛋白通過發(fā)揮其酶活性對一系統(tǒng)靶蛋白進(jìn)行去乙酰化和/或腺苷二磷酸-核糖修飾，影響多種信號通路。隨著年齡的增長，細(xì)胞受到環(huán)境等因素的損害增加，Sirtuins不僅參與細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，也參與代謝的調(diào)節(jié)，在細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激、基因毒性及代謝紊亂時(shí)發(fā)揮重要作用[2]，對于危險(xiǎn)因素的作用進(jìn)行負(fù)調(diào)節(jié)，使機(jī)體受到保護(hù)。在心血管疾病中，Sirtuins的表達(dá)水平通常受到了動(dòng)脈和心臟內(nèi)穩(wěn)態(tài)改變的影響，如在發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化和心肌病變時(shí)，Sirtuins表達(dá)量的改變。在位于細(xì)胞核的Sirtuins成員中，SIRT1和SIRT6對于抑制和延緩心血管疾病有重要作用。特異性位于線粒體的SIRT3維持細(xì)胞器的穩(wěn)定性，保護(hù)提供心臟能量的線粒體。因此，針對Sirtuins開發(fā)的小分子化合物可能成為治療衰老相關(guān)的心血管疾病的新工具和新的治療方法。到目前為止，動(dòng)物模型試驗(yàn)證實(shí)白藜蘆醇，作為Sirtuins的非特異性激動(dòng)劑，在內(nèi)皮和心肌細(xì)胞發(fā)生應(yīng)激狀態(tài)下發(fā)揮有效的保護(hù)作用。但是更有效和更特異的小分子化合物還有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。