SIRT1與神經(jīng)細胞凋亡關系的研究進展

張 藝，邱 珍，夏中元

(武漢大學人民醫(yī)院麻醉科，武漢 430060)

沉默信息調(diào)節(jié)因子1(silence information regu-lator 1，SIRT1)是哺乳動物沉默信息調(diào)節(jié)因子sir2(silent information regulator 2)超蛋白家族的成員之一，是依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的組蛋白去乙酰酶[1]。隨著世界人口老齡化的加重，神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病率逐年升高。中國神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病率較高，其中最高的阿爾茨海默病預計到2020年、2030年、2040年及2050年患病人數(shù)將分別達到1450萬、2075萬、2687 萬、3003萬[2]。神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制尚未完全明確，目前仍缺乏有效的治療手段。闡明神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制是預防和治療此類疾病的基礎，對降低人口老齡化導致的醫(yī)療成本、提高老年人的生活質(zhì)量具有重要意義。SIRT1因具有限制能量代謝及延長壽命的作用而被研究人員所重視。研究發(fā)現(xiàn)，SIRT1在神經(jīng)元的發(fā)生、發(fā)展，正常神經(jīng)功能維持以及神經(jīng)元的保護中發(fā)揮重要作用[3]。有研究表明，SIRT1通過調(diào)控神經(jīng)細胞凋亡減輕神經(jīng)退行性疾病造成的損傷[4]，神經(jīng)細胞凋亡可能是研究神經(jīng)退行性疾病的新方向?，F(xiàn)就SIRT1對神經(jīng)細胞凋亡的影響及作用機制予以綜述。

1 SIRT1概述

1986年，Ivy等[5]從酵母菌中發(fā)現(xiàn)了一種與細胞壽命相關的基因，并將其命名為Sir2。哺乳動物有7個sirtuins旁系同源物，分別是SIRT1～7，其中SIRT1與酵母Sir2同源性最高，是研究最多的sirtuin，并且在大腦中的表達水平較其他器官高[6-7]。

人類SIRT1編碼基因定位于染色體10q22.1，基因長度為33 kb，包含9個外顯子和8個內(nèi)含子，在5′端和3′端分別有1個53 bp和1 793 bp的非翻譯區(qū)，編碼一種含有500個氨基酸殘基的蛋白，翻譯后的蛋白產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量約為62 000[8]。SIRT1定位于細胞核內(nèi)，其脫乙?；钚缘陌l(fā)揮需要煙酰胺腺嘌呤二核苷酸作為必要的輔助因子。

研究表明，SIRT1通過去乙?；浒械鞍兹鏿53、胰島素受體底物2(insulin receptor substrate 2,IRS-2)、叉頭蛋白轉(zhuǎn)錄因子O(forkhead box transcription factor O，F(xiàn)OXO)、核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)等參與多種生物學過程，如氧化應激、炎癥反應、葡萄糖和脂質(zhì)代謝、細胞自噬、細胞有絲分裂、細胞凋亡、細胞周期調(diào)控、細胞增殖、細胞衰老以及細胞凋亡代謝等[9-11]，并參與多種疾病如神經(jīng)退行性變、代謝性疾病、心血管疾病等的發(fā)生發(fā)展[12-14]。

2 神經(jīng)細胞凋亡概述

細胞凋亡,又稱為程序性細胞死亡，是宿主抵抗病原體入侵的必不可少的防御機制[15]。細胞凋亡受嚴格調(diào)控，可由多種刺激引發(fā)，如正常發(fā)育、病原體感染以及導致細胞功能破壞的若干因素[16]。凋亡細胞表現(xiàn)出特征性的形態(tài)學異常，包括染色質(zhì)濃縮、核碎裂、膜起泡以及凋亡小體形成。細胞凋亡通常通過內(nèi)在途徑或線粒體途徑，外在途徑或死亡受體途徑以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑發(fā)生[17]。

線粒體途徑由多種細胞內(nèi)信號誘導發(fā)生，如缺氧、營養(yǎng)缺失以及氧化應激，這些因素導致線粒體外膜透化。隨后，細胞凋亡誘導因子(apoptosis inducing factor，AIF)、細胞色素C以及第二個線粒體來源的胱氨酸酶激活劑從線粒體膜釋放到細胞質(zhì)中[18]。細胞色素C可募集起始細胞凋亡蛋白酶-9和凋亡蛋白酶激活因子-1形成凋亡體，隨后激活下游的細胞凋亡蛋白酶胱天蛋白酶，觸發(fā)相關蛋白酶的級聯(lián)反應，最終導致細胞凋亡。

線粒體途徑主要受B細胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma 2，Bcl-2)家族蛋白的調(diào)節(jié)，主要分為三種：第一種是抗凋亡亞家族，包括Bcl-xL和Bcl-2；第二種是Bcl-2同源拮抗劑殺傷因子(Bcl-2 homologousantagonist killer，Bak)和Bcl-2相關x蛋白(Bcl-2 associated x protein，Bax)，Bak和Bax活化后破壞線粒體的通透性，從而促進細胞凋亡；第三種是凋亡前BH3-only蛋白，如BH3相互作用結構域死亡激動劑(BH3 interacting-domain death agonist，Bid)和Bcl-2相關死亡啟動子(Bcl-2 associated death promoter，Bad)，這些蛋白質(zhì)是抗凋亡亞家族蛋白的拮抗劑，通過激活Bax/Bak樣促凋亡因子的活性或抑制Bcl-2 抗凋亡因子的活性調(diào)節(jié)細胞凋亡。

死亡受體途徑通過特異性配體與相應死亡受體結合而被激活，最終導致細胞DNA裂解[19]。目前研究最多的死亡因子受體(Fas)/死亡因子Fas配體(FasL)通路，當Fas與配體FasL結合后發(fā)生三聚化而激活，并募集Fas相關死亡結構域蛋白，從而組成死亡誘導信號復合物，最終激活胱天蛋白酶-8和胱天蛋白酶-3，引發(fā)級聯(lián)反應，導致細胞凋亡。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通路是近些年才發(fā)現(xiàn)的一種新的凋亡途徑。當細胞處于氧化應激、缺血缺氧等病理狀態(tài)時會引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激(endoplasmic reticulum stress,ERS)，ERS調(diào)節(jié)Ca2+水平并啟動蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)跨膜蛋白肌醇酶-1，激活轉(zhuǎn)錄因子6通路，這些通路與細胞凋亡的線粒體途徑相關。適度的ERS可通過促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)處理錯誤折疊蛋白或未折疊蛋白等降低損傷，持續(xù)的ERS則可引起細胞凋亡。

神經(jīng)元也叫“神經(jīng)細胞”，是神經(jīng)系統(tǒng)結構和功能最基本的單位，由胞體、軸突和樹突組成，能夠感受刺激并傳導興奮。神經(jīng)元凋亡影響大腦發(fā)育，損害機體的學習記憶功能，甚至參與神經(jīng)退行性相關疾病如阿爾茨海默病、帕金森病等的發(fā)生、發(fā)展及演進。神經(jīng)細胞一般不會再生，所以神經(jīng)細胞凋亡造成的影響可能是不可逆轉(zhuǎn)的[20]。

3 SIRT1調(diào)控神經(jīng)細胞凋亡的機制

SIRT1通過脫乙?；饔谜{(diào)控多種重要基因，如p53、FOXO、過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)、蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)等，這些下游基因又通過調(diào)控凋亡因子、神經(jīng)炎癥、氧化應激、線粒體發(fā)生等實現(xiàn)對神經(jīng)細胞凋亡的調(diào)控。

3.1SIRT1/p53通路 p53是一種腫瘤抑制蛋白，與p63和p73屬于同一個家族。 p53是細胞應激反應的關鍵組成部分。p53的調(diào)節(jié)包括調(diào)節(jié)基因表達和穩(wěn)定性以及各種可逆的翻譯后修飾。細胞發(fā)生DNA損傷、癌基因表達、缺氧、活性氧類增多以及營養(yǎng)缺乏等時，p53被誘導或快速經(jīng)歷逆轉(zhuǎn)翻譯后修飾，從而使其穩(wěn)定和活化。在細胞核中，p53轉(zhuǎn)錄激活參與細胞凋亡、細胞周期、自噬以及代謝[21]。另一方面，細胞質(zhì)p53通過直接結合細胞質(zhì)蛋白如凋亡和自噬效應物，以不依賴于轉(zhuǎn)錄的方式起作用[22]。

在細胞凋亡過程中，p53主要與Bcl-2家族相互作用，包括與抗凋亡蛋白Bcl相互作用，誘導Bak寡聚化，使線粒體膜透化，并迅速誘導細胞色素C釋放、激活細胞凋亡蛋白酶級聯(lián)反應，進而調(diào)控凋亡。

p53的多個賴氨酸殘基可在人體內(nèi)乙?；?，包括K320、K373和K382，不同殘基的乙?；T導p53介導應激反應的不同方面。K382殘基上的乙?；欣趐53的激活，從而觸發(fā)凋亡相關靶基因的轉(zhuǎn)錄[23]。SIRT1通過脫乙?；头核鼗种苝53，從而減輕凋亡。SIRT1對p53 K382位的賴氨酸殘基發(fā)揮去乙?；饔茫档土藀53的轉(zhuǎn)錄活性，減輕細胞凋亡[24]。p53泛素化的主要部位是C端，在細胞應激期間，SIRT1去乙酰化這些殘基有助于阻斷蛋白質(zhì)降解，穩(wěn)定p53[25]。

對蛛網(wǎng)膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)和SAH誘導的早期腦損傷(early brain injury，EBI)的研究發(fā)現(xiàn)，SAH早期SIRT1蛋白的水平顯著升高，SAH后24 h達高峰；在神經(jīng)細胞和小膠質(zhì)細胞中可以觀察到SIRT1的表達，增加的SIRT1主要位于SAH后的神經(jīng)元中，通過去乙?；鸵种苝53、NF-κB等誘導的氧化反應，有效減輕神經(jīng)炎癥和氧化損傷，改善SAH后神經(jīng)細胞凋亡，減輕腦水腫和神經(jīng)功能惡化[26]。

3.2SIRT1/FOXO通路 FOXO以黑腹果蠅叉頭基因命名，哺乳動物細胞表達4種FOXO同種型(FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6)，不同種型在疾病中發(fā)揮的作用和功能不同。FOXO1和FOXO3是研究最廣泛的兩種同種型，對多種疾病都有影響，包括心血管疾病[27]、糖尿病[28]、癌癥[29]，另外對干細胞活性也有影響[30]。此外，F(xiàn)OXO1/3有調(diào)節(jié)衰老和壽命的作用,受幾種上游分子的調(diào)控，并調(diào)節(jié)許多下游蛋白質(zhì)[31-34]。此外，F(xiàn)OXO1/3還具有上調(diào)一系列細胞周期抑制劑和促凋亡靶點的能力，在心臟、血管、骨骼肌、肝臟、腦中發(fā)揮重要作用，包括細胞增殖、分化和凋亡[35]。

FOXO的轉(zhuǎn)錄激活可通過乙?；腿ヒ阴；?、磷酸化和去磷酸化調(diào)節(jié)。FOXO蛋白結構中DNA結合區(qū)域的賴氨酸殘基可被具有組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶活性的細胞核蛋白乙?；?，導致FOXO的轉(zhuǎn)錄激活能力降低。FOXO家族蛋白是SIRT1的常見靶蛋白，對細胞凋亡的介導至關重要。SIRT1對FOXO3a的功能具有雙重影響，通過SIRT1的去乙?；饔?，增強FOXO3a促進細胞周期停滯和抗氧化應激能力的同時也抑制FOXO3a誘導細胞死亡的能力[36]。

研究表明，在錳誘導的神經(jīng)毒性細胞凋亡中，通過活化c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)增加SIRT1蛋白的降解，降低SIRT1信使RNA的水平，最終導致SIRT1表達下降，進而使FOXO3a的表達及乙酰化增加，引發(fā)細胞死亡調(diào)解子(Bcl-2 interacting mediator of cell death，Bim)和p53上調(diào)凋亡調(diào)節(jié)劑的表達[37-38]。Bim和p53上調(diào)凋亡調(diào)節(jié)劑一旦被激活可作為Bax的有效激活劑觸發(fā)細胞凋亡。用SIRT1激動劑白藜蘆醇處理細胞后，細胞密度增加,此外白藜蘆醇還能增加細胞活力，并在錳暴露下上調(diào)Bcl-2蛋白的水平，減輕細胞凋亡[38]。

3.3SIRT1/PGC- 1α PGC-1α是核受體和其他轉(zhuǎn)錄因子的核轉(zhuǎn)錄共激活因子，在心臟、腎臟、大腦、骨骼肌以及棕色脂肪組織中強烈表達。

線粒體是機體能量代謝最關鍵的細胞器，而PGC-1α是線粒體生物發(fā)生的中心調(diào)節(jié)劑，可促進線粒體的生物合成，包括調(diào)節(jié)線粒體蛋白質(zhì)的合成與線粒體基因的復制等。激活PGC-1α可以改善阿爾茨海默病中線粒體的生物發(fā)生[39]。活性氧類是機體代謝產(chǎn)生的有機產(chǎn)物，有很強的氧化能力?；钚匝躅惓掷m(xù)升高會引起DNA和蛋白質(zhì)損傷，導致線粒體功能失調(diào)，進而產(chǎn)生更多的活性氧類，導致惡性循環(huán)，最終造成線粒體呼吸鏈電子傳遞和氧化磷酸化缺陷，導致線粒體通透性改變，胞質(zhì)內(nèi)大量鈉離子進入線粒體，線粒體內(nèi)的滲透壓升高，線粒體水腫，AIF、細胞色素C、第二個線粒體來源的胱氨酸酶激活劑等促凋亡因子釋放，最終導致細胞凋亡[40]。

PGC-1α參與氧化代謝的正調(diào)節(jié)，并參與山梨醇脫氫酶和超氧化物歧化酶等抗氧化蛋白的誘導，對抗活性氧類以增強細胞的抗氧化能力[41]。組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶復合體能直接乙酰化PGC-1α的多個賴氨酸殘基，降低PGC-1α水平并抑制其轉(zhuǎn)錄活性，從而抑制PGC-1α的功能，而SIRT1能使PGC-1α去乙?；栽鰪娖浠钚?，促進線粒體生物合成，并維持線粒體功能，減少細胞凋亡[42]。

3.4SIRT1/Akt通路 研究表明，SIRT1的表達可增加Akt的活性，并減輕細胞凋亡[43-44]，SIRT1/Akt通路的激活通過促進血管生成和神經(jīng)發(fā)生，對缺血性腦卒中發(fā)揮神經(jīng)保護作用[45-46]。

Akt是一種絲氨酸-蘇氨酸激酶，可由磷酸化的磷脂酰激酶-3-激酶產(chǎn)物所激活。Akt有3種同種型，即AKT 1、2和3，每種同種型有3個高度保守的結構域，疏水基序、催化結構域。pleckstrin同源(pleckstrin homology，PH)結構域含有脂質(zhì)結合模塊，可促進Akt定位于質(zhì)膜，這是Akt活化的重要步驟[47]。Akt從細胞質(zhì)向質(zhì)膜的運動誘導激活激酶，并調(diào)節(jié)Akt底物(如結節(jié)性硬化癥復合物2、分子量為40 000的Akt底物蛋白和糖原合成酶激酶3β)的磷酸化，最終調(diào)節(jié)各種生理病理過程。SIRT1與Akt的活化之間存在相互作用。組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶在Lys-14和Lys-20上將Akt乙?；?，乙酰化的Akt導致磷酸化降低和活性抑制。SIRT1可使 Lys-14和Lys-20上的Akt去乙?；龠MAkt的活化[43]?；罨腁kt通過磷酸化其底物如Bad、FOXO、糖原合成酶激酶3β阻斷細胞凋亡。在沒有活化的Akt的情況下，非磷酸化的Bad轉(zhuǎn)移到線粒體中，并觸發(fā)細胞色素C釋放、胱天蛋白酶-3活化以及細胞凋亡。非磷酸化的叉頭框蛋白易位到細胞核中，并作為轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)Bim和Fas配體的蛋白質(zhì)水平。與Bad相似，Bim觸發(fā)細胞色素C釋放，而Fas配體觸發(fā)外在凋亡途徑。Li等[44]在研究磷酸二酯酶-4在SAH后EBI中的保護作用時證實，磷酸二酯酶-4在SAH后EBI的病理生理過程中發(fā)揮重要作用，并通過SIRT1/Akt途徑抑制神經(jīng)細胞凋亡，但SIRT1與Akt活化之間相互作用的確切機制還需進一步研究。

3.5其他通路 過氧化物酶體增殖物激活受體γ在細胞凋亡和炎癥調(diào)節(jié)中起重要作用，通過預防梗死周圍區(qū)域的神經(jīng)元損傷和神經(jīng)元延遲退化而對腦缺血起保護作用[48]。過氧化物體增殖物激活受體γ可與SIRT1的啟動子區(qū)域結合，抑制轉(zhuǎn)錄，由此過氧化物體增殖物激活受體γ-SIRT1的負反饋回路被提出，該反饋環(huán)可調(diào)節(jié)活性氧類的代謝、凋亡和細胞周期[49]。NF-κB通過增強腫瘤壞死因子-α和白細胞介素-1β等促炎性因子基因的表達促進炎癥反應，SIRT1的去乙?；饔糜贜F-κB可減輕SAH的EBI[50]。SIRT1/NF-κB信號通路還能介導17β-雌二醇對腦出血的保護作用[9]。

Ku70是一種廣泛存在于人體的重要的DNA修復蛋白，乙酰化后可釋放出與其結合的Bax，進而啟動細胞的線粒體凋亡途徑。SIRT1去乙?；疜u70增強了DNA修復活性，在細胞質(zhì)中螯合Bax蛋白，以防止細胞凋亡的發(fā)生，延長細胞壽命。SIRT1/Ku70通路在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用還需進一步研究。

4 展 望

去乙酰化在蛋白質(zhì)翻譯后調(diào)節(jié)中具有舉足輕重的作用，神經(jīng)保護性基因SIRT1作為一種依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的組蛋白去乙酰化酶類，可通過去乙?；饔茫{(diào)節(jié)能量代謝、炎癥反應、衰老等?，F(xiàn)研究表明SIRT1通過作用于下游蛋白p53、FOXO、PGC-1α、Akt等，調(diào)控神經(jīng)細胞凋亡，緩解神經(jīng)退行性疾病的演進過程，有望成為治療及預防神經(jīng)退行性疾病新的靶點。