SIRT3介導(dǎo)的線粒體功能和代謝調(diào)控機(jī)制在2型糖尿病中作用的研究進(jìn)展

楊 靜，李 民

(北京大學(xué)第三醫(yī)院 麻醉科，北京 100191)

2型糖尿病(diabetes mellitus type 2，T2DM)是一種代謝失調(diào)性疾病，其慢性高血糖狀態(tài)會(huì)影響線粒體功能，引起代謝紊亂，在若干組織造成損害和功能障礙，并導(dǎo)致諸多疾病，包括周?chē)窠?jīng)病變[1]、心血管疾病[2]、視網(wǎng)膜病變[3]和腎臟疾病[4]，是嚴(yán)重影響人類(lèi)健康的公共衛(wèi)生問(wèn)題之一。

T2DM形成的機(jī)制非常復(fù)雜，近些年研究發(fā)現(xiàn)，β細(xì)胞功能缺陷、線粒體功能障礙、胰島素抵抗、糖代謝異常、脂代謝異常、氧化應(yīng)激、自噬異常及遺傳因素等可能是T2DM重要的發(fā)病機(jī)制[5]。現(xiàn)有的治療方法包括胰島素、雙胍類(lèi)以及格列奈類(lèi)等，療效有限，且會(huì)產(chǎn)生不同的副作用。例如，雙胍類(lèi)藥物隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)以及劑量的增加會(huì)引起消化道反應(yīng)、乳酸性酸中毒及皮膚過(guò)敏等嚴(yán)重的不良反應(yīng)[6]。因此，急需新的藥物及方法來(lái)治療T2DM。本文主要綜述了近年來(lái)關(guān)于SIRT3介導(dǎo)的線粒體功能和代謝調(diào)控機(jī)制在T2DM中作用的研究進(jìn)展。

1 SIRT3的分類(lèi)及特征和在糖尿病中的作用

Sirtuins(SIRTs)是III類(lèi)組蛋白去乙酰酶，可調(diào)節(jié)多種生物功能。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，有7種SIRT，即SIRT1～7，其中SIRT3、SIRT4和SIRT5主要定位于線粒體內(nèi)，其通過(guò)翻譯后修飾參與多種細(xì)胞代謝途徑的調(diào)控。SIRT3是一種定位于線粒體的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)依賴的去乙?；福{(diào)控多種線粒體蛋白的功能，維持代謝、ATP 產(chǎn)生等多種生理功能的穩(wěn)定[5]。NAD+是SIRT3活性的直接調(diào)節(jié)因子，SIRT3在體內(nèi)的表達(dá)與活性還受到多種因素如運(yùn)動(dòng)、高脂飲食、熱量限制的調(diào)控[7]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，線粒體乙?；瞧毡榇嬖诘模S多位點(diǎn)的乙?；癄顟B(tài)受NAD+依賴性去乙酰酶SIRT3的酶活性控制[8]。SIRT3在調(diào)節(jié)線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)、代謝性適應(yīng)、廣泛的酶活性、應(yīng)激反應(yīng)、胰島素應(yīng)答和自噬過(guò)程中起重要作用。SIRT3缺乏與代謝障礙性疾病的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，如T2DM[9]。

2 SIRT3介導(dǎo)的線粒體功能調(diào)控機(jī)制對(duì)2型糖尿病的影響

2.1 線粒體呼吸鏈功能與2型糖尿病

在線粒體上，有很多種與呼吸作用有關(guān)的顆粒，即多種呼吸酶。它是細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用的場(chǎng)所，通過(guò)呼吸作用，將有機(jī)物氧化分解，并釋放能量。呼吸酶系統(tǒng)障礙可導(dǎo)致活性氧(reactive oxygen species，ROS)積累、外周組織胰島素信號(hào)傳導(dǎo)和葡萄糖攝取受損，也可加劇T2DM的發(fā)生與發(fā)展。在T2DM中，葡萄糖依賴的氧消耗率的急劇下降是由于高乙?；粑敢鸬木€粒體功能障礙[10]。Sirt3可以通過(guò)去乙?；せ詈粑笍亩龠M(jìn)線粒體功能。Sirt3缺乏或表達(dá)水平低下可以通過(guò)翻譯后修飾導(dǎo)致呼吸酶功能下降。在Sirt3缺失的小鼠模型中，其線粒體顯示出嚴(yán)重的選擇性的呼吸酶缺陷，細(xì)胞內(nèi)腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)水平明顯降低。表明SIRT3可以介導(dǎo)ATP合酶蛋白去乙?；?，從而促進(jìn)線粒體能量穩(wěn)態(tài)[11]。此外，在Sirt3 敲除小鼠的胰島β細(xì)胞中，線粒體活性下降，葡萄糖刺激的胰島素分泌和ATP合成受損。進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了SIRT3在線粒體呼吸功能中具有重要作用[12]。因此，以SIRT3為靶點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)線粒體呼吸功能，可能提供一種新的T2DM治療方法。

2.2 線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)與2型糖尿病

SIRT3在氧化還原穩(wěn)態(tài)中具有重要作用，特別是對(duì)抗糖尿病組織高糖/脂環(huán)境誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激。在糖尿病大鼠模型中，與非糖尿病的正常大鼠相比，糖尿病大鼠SIRT3活性和線粒體功能降低，同時(shí)伴隨著血液和尿液中8-羥基脫氧鳥(niǎo)苷(8-hydroxydeoxyguanosine，8-OHDG)水平升高。SIRT3可以使8-氧代鳥(niǎo)嘌呤DNA糖基化酶(8-oxoguanine DNA glycosylase，OGG1)去乙?；?，修復(fù)DNA中的8-OHDG，保護(hù)其不降解，促進(jìn)氧化DNA損傷的修復(fù)，尤其是線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)[13]。所以沉默Sirt3會(huì)對(duì)mtDNA和核DNA造成更嚴(yán)重的損傷，并觸發(fā)細(xì)胞凋亡以應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激的挑戰(zhàn)。因此，增強(qiáng)Sirt3介導(dǎo)的抗氧化應(yīng)激反應(yīng)可能為治療T2DM提供新的思路。

氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡和活性氧過(guò)量積累是導(dǎo)致胰島素抵抗、糖尿病等代謝紊亂的主要原因。SIRT3是限制熱量以降低細(xì)胞內(nèi)ROS水平的有益作用所必需的[14]。Sirt3缺乏的小鼠表現(xiàn)出乙?；黾雍统趸锲缁?(superoxide dismutase-2,MnSOD)活性降低。MnSOD作為超氧陰離子清除劑，可以應(yīng)對(duì)線粒體呼吸鏈電子泄漏引起的氧化應(yīng)激[14]。在糖尿病Sirt3敲除小鼠中，線粒體功能受損，氧化應(yīng)激增強(qiáng)。糖尿病皮膚傷口愈合速度延遲，血液供應(yīng)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)減少，超氧化物生成增多，總抗氧化能力降低，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性降低，從而加劇皮膚超微結(jié)構(gòu)障礙糖尿病小鼠的傷口[15]。提示SIRT3是一種有前途的治療T2DM及其并發(fā)癥的藥物。

2.3 線粒體自噬作用與2型糖尿病

線粒體作為一種清除細(xì)胞內(nèi)衰老蛋白和損傷細(xì)胞器的保護(hù)性機(jī)制，被認(rèn)為參與T2DM的形成[16]。在鏈脲佐菌素(streptozocin,STZ)誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型中，坐骨神經(jīng)單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated potein kinase,AMPK)表達(dá)降低，線粒體生物發(fā)生和線粒體自噬減少。提示慢性高糖狀態(tài)下細(xì)胞線粒體自噬通路受損，可能是導(dǎo)致線粒體功能紊亂引起T2DM的重要原因[17]。此外，SIRT3可以通過(guò)激活Foxo3a通路，上調(diào)Parkin表達(dá)，增強(qiáng)線粒體自噬作用以應(yīng)對(duì)線粒體損傷，幫助解除細(xì)胞氧化應(yīng)激狀態(tài)并維持線粒體正常的生物合成，同時(shí)阻止線粒體毒性物質(zhì)向胞內(nèi)釋放，維持細(xì)胞的正常存活，從而抵抗T2DM誘發(fā)的心臟病的發(fā)生發(fā)展[18]。因此調(diào)節(jié)SIRT3的表達(dá)促進(jìn)線粒體自噬可能是潛在的T2DM控制靶點(diǎn)。

3 SIRT3介導(dǎo)的代謝調(diào)控機(jī)制對(duì)2型糖尿病的影響

3.1 鈣離子代謝與2型糖尿病

Ca2+代謝失調(diào)與肥胖、胰島素抵抗、T2DM等代謝性疾病有關(guān)。鈣超載是一些有害因素引起的鈣平衡系統(tǒng)功能失調(diào)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣濃度異常性升高。SIRT3可以保護(hù)皮質(zhì)神經(jīng)元免受氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的線粒體Ca2+超載。下調(diào)Sirt3可加重氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，而過(guò)表達(dá)Sirt3可減輕氧化應(yīng)激處理誘導(dǎo)的線粒體內(nèi)Ca2+超載[19]。此外，在高脂飲食處理的小鼠模型中，SIRT3可以通過(guò)AMPK依賴途徑降低啟動(dòng)子區(qū)H3K27ac的水平，抑制線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體(mitochondrial calcium uniporter,MCU)的表達(dá)，從而減輕線粒體鈣超載對(duì)棕色脂肪細(xì)胞的有害影響[20]。因此，SIRT3介導(dǎo)的鈣離子代謝與T2DM的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

3.2 葡萄糖代謝與2型糖尿病

葡萄糖是生物的主要供能物質(zhì)。SIRT3可以促進(jìn)骨骼肌攝取葡萄糖有效改善胰島素抵抗，在一定程度上阻礙T2DM的發(fā)生發(fā)展。SIRT3通過(guò)去乙?；せ畋崦摎涿?pyruvate dehydrogenase,PDH)，促進(jìn)丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A(acetyl coenzyme-A,acetyl-CoA)，這將葡萄糖的利用從無(wú)氧糖酵解轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒醮x，從而影響葡萄糖的攝取。在Sirt3敲除小鼠中，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的水平以及葡萄糖的攝取顯著降低，表現(xiàn)出葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)被破壞，葡萄糖的利用率降低[21]。此外，已經(jīng)證實(shí)，在高胰島素血癥條件下，SIRT3被激活，葡萄糖耐量降低，從而引起糖尿病性腎損傷[22]。在Sirt3缺失小鼠模型中，喂養(yǎng)高脂飲食后血糖、胰島素水平顯著升高，表現(xiàn)為胰島素抵抗、葡萄糖耐受不良和葡萄糖輸注速率顯著下降，表明Sirt3缺失會(huì)引起外周葡萄糖攝取不敏感，組織對(duì)胰島素產(chǎn)生抵抗。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這一表現(xiàn)主要與骨骼肌葡萄糖攝取能力受損有關(guān)[23]。因此，調(diào)控SIRT3的表達(dá)從而糾正葡萄糖代謝在T2DM的治療中具有重要意義。

3.3 脂肪酸代謝與2型糖尿病

游離脂肪酸(free fatty acid,FFA)是三酰甘油的水解產(chǎn)物,其可影響葡萄糖的氧化、攝取以及糖異生,影響胰島素分泌,干擾胰島素信號(hào)系統(tǒng)的傳導(dǎo)，從而誘導(dǎo)T2DM的發(fā)生。在T2DM小鼠模型中，調(diào)節(jié)脂肪酸成分可以降低β細(xì)胞脂毒性，使β細(xì)胞增殖增加，凋亡減少，胰島素適應(yīng)性增加，血糖改善，提示脂肪酸在2型糖尿病中具有重要作用[24]。SIRT3可以調(diào)節(jié)脂質(zhì)利用，消除體內(nèi)過(guò)量脂肪酸。質(zhì)譜分析明確了涉及脂肪酸氧化的酶為SIRT3底物，如長(zhǎng)鏈?；o酶A脫氫酶(long chain 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase deficiency,LCAD)。LCAD是一種關(guān)鍵的線粒體脂肪酸氧化酶，在Sirt3敲除小鼠中，LCAD賴氨酸乙?；潭仍黾?，活性降低，脂肪酸氧化減少。表明了SIRT3分子是脂肪代謝調(diào)控的重要分子，在利用能量方面具有重要調(diào)節(jié)作用，能夠通過(guò)對(duì)一系列的底物去乙?；揎椃磻?yīng)來(lái)參與調(diào)節(jié)脂肪酸氧化等生物學(xué)過(guò)程，與T2DM的發(fā)病及進(jìn)展關(guān)系密切[25]。因此干預(yù)SIRT3介導(dǎo)的脂肪代謝途徑在T2DM的治療中具有臨床應(yīng)用價(jià)值。

4 問(wèn)題與展望

綜上所述，SIRT3作為線粒體功能完整性的重要調(diào)節(jié)因子，能夠針對(duì)T2DM線粒體損傷和代謝紊亂的重要機(jī)制進(jìn)行調(diào)控從而有效減緩或抑制T2DM及其并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展。補(bǔ)充SIRT3或?qū)IRT3作用通路關(guān)鍵分子進(jìn)行修飾可能是一種重要治療策略。目前臨床上缺乏治療T2DM的特效藥，SIRT3分子對(duì)于治療T2DM顯示出積極作用，但現(xiàn)階段對(duì)線粒體損傷調(diào)節(jié)機(jī)制及SIRT3作用的認(rèn)識(shí)有限，未來(lái)有必要對(duì)SIRT3發(fā)揮作用的具體機(jī)制、重要分子靶點(diǎn)進(jìn)行深入研究，以便早日開(kāi)發(fā)出有效藥物應(yīng)用于臨床。