沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1與慢性阻塞性肺疾病關(guān)系的研究進展

韋燕琳 李梅華

(廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸內(nèi)科，廣西 南寧 530000)

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是呼吸系統(tǒng)中的常見病和多發(fā)病，患病率和死亡率均居高不下，預(yù)計到2020年將成為全球第三大常見死亡原因。COPD最常見和最強的危險因素是吸煙，這導(dǎo)致了COPD的主要病理，包括肺氣腫(空腔擴大導(dǎo)致的肺泡壁破壞)、炎癥、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、細胞凋亡和氧化應(yīng)激等。沉默信息調(diào)節(jié)因子(Sir)2相關(guān)酶(Sirt)1參與COPD的發(fā)病、發(fā)展過程，筆者前期做了許多關(guān)于COPD發(fā)病及防治機制的研究，目前Sirt1在COPD中受到了極大的關(guān)注，未來可能成為治療COPD的一項新的靶點。本文就Sirt1在COPD中作用，重點在于Sirt1如何調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、細胞衰老、自噬、凋亡。此外，本文還將討論Sirt1激活劑作為COPD治療中的潛在應(yīng)用。

1 Sirt1的生物學(xué)特性

1986年，Ivy等〔1〕在研究酵母實驗的過程中發(fā)現(xiàn)了一種與細胞長壽有關(guān)的基因，隨后在果蟲和蠅的體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了這種基因，并命名為Sir2。Sirtuins是一類煙堿酰胺-腺嘌呤二核苷酸+(NAD+)依賴性的去乙?；?，因其與Sir2的同源性而被命名，均歸為第Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶(HDACs)。迄今為止，已有7個哺乳動物Sirtuin同源基因(Sirt)1～7被報道，它們位于不同的亞細胞區(qū)域，即細胞核(Sirt1、2、6和7)，細胞質(zhì)(Sirt1和2)和線粒體(Sirt3、4和5)〔2,3〕。其中，由于Sirt1與Sir2同源性最高，是目前研究最廣泛的同源基因，它主要存在于細胞核與細胞質(zhì)中。編碼Sirt1的基因位于10q21.3，長度為33 715 bp，9個外顯子編碼747個氨基酸，其中包括位于核心區(qū)域的275個脫乙酰氨基酸。Sirt1的去乙酰化酶結(jié)構(gòu)域高度結(jié)構(gòu)化，而N端和C端非常靈活。這種結(jié)構(gòu)特征使其能夠提供更多的調(diào)控位點，如翻譯后修飾與配體和蛋白質(zhì)的相互作用〔4,5〕。

Sirt1作為一類NDA+依賴性組蛋白去乙?；福艽呋疦AD+依賴的去乙?；?或)腺苷二磷酸-核糖基化的目標蛋白，被認為在調(diào)節(jié)細胞代謝、細胞變性、細胞生長和細胞存活等細胞生理過程中發(fā)揮重要作用，已被證實可通過對多種底物的去乙?；瘉碚{(diào)節(jié)包括炎癥、氧化應(yīng)激、衰老、凋亡、自噬和基因轉(zhuǎn)錄在內(nèi)的關(guān)鍵生物過程〔5～8〕。Sirt1的這些生理功能主要由組蛋白、轉(zhuǎn)錄因子或共激活因子〔如P53、叉頭盒O類(FOXO)、核因子(NF)-κB、過氧化物酶體增殖物激活受體γ-共激活因子(PGC)-1α和核蛋白ku70〕的去乙酰化介導(dǎo)而發(fā)揮作用〔9〕。

2 Sirt1在COPD中的作用

2.1Sirt1在COPD炎癥反應(yīng)中的作用 炎癥反應(yīng)是COPD關(guān)鍵的驅(qū)動因素。NF-κB是炎癥反應(yīng)中一種極為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子，在炎癥的發(fā)生、發(fā)展中具有極其重要的作用。當機體受到炎癥刺激時，會刺激NF-κB的轉(zhuǎn)錄進而引起炎癥因子的表達。Sirt1作為細胞內(nèi)一種重要的HDACs，可以負性調(diào)節(jié)炎癥因子的釋放。Sirt1的遺傳缺失導(dǎo)致小鼠肺中性粒細胞浸潤的顯著增加，表明Sirt1調(diào)節(jié)肺部炎癥。在煙草煙霧(CS)誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激可下調(diào)小鼠及單核-巨噬細胞中Sirt1的表達，從而引起NF-κB乙?；黾?，并促進其分泌促炎因子白細胞介素(IL)-6、IL-8、腫瘤壞死因子(TNF)-ɑ等的釋放〔10,11〕。另外Sirt1活性的降低引起NF-κB的去乙?；罂梢詫?dǎo)致基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)9啟動子上NF-κB結(jié)合位點的組蛋白乙?；黾樱瑥亩笴OPD炎癥反應(yīng)增強。數(shù)據(jù)顯示白藜蘆醇、紅霉素藥物干預(yù)可以抑制CS引起的Sirt1表達下調(diào)，刺激其活化與表達，進而抑制NF-κB的去乙?；p少促炎介質(zhì)的釋放，達到干預(yù)肺部炎癥反應(yīng)的作用〔11〕。此外，Sirt1還可以通過對FOXO3的脫乙?；{(diào)節(jié)其活性從而減少機體的炎癥過程。最近研究表明，CS暴露下，F(xiàn)OXO3在COPD患者支氣管上皮細胞中的表達減少，其主要通過CS對降低Sirt1的表達和活性來介導(dǎo)的。同時，Sirt1/FOXO3軸的改變導(dǎo)致NF-κB的活化增加，引起趨化因子IL-8和CCL20的表達增加，進而增加的肺炎癥反應(yīng)〔12〕。

2.2Sirt1在COPD氧化應(yīng)激反應(yīng)中的作用 氧化應(yīng)激是機體細胞損傷的一個重要因素，當機體發(fā)生氧化應(yīng)激時，體內(nèi)的氧化與抗氧化的平衡遭到破壞，其產(chǎn)生的大量氧自由基可導(dǎo)致生物體細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)氧化及細胞膜的脂質(zhì)過氧化作用，從而影響機體正常的生理功能。Sirt1作為生物細胞內(nèi)的一種去乙?；?，參與氧化與抗氧化基因的轉(zhuǎn)錄和修飾。

在COPD中，氧化應(yīng)激被認為是持續(xù)炎癥(內(nèi)源性成分)和慢性吸煙(外源性成分)的結(jié)果〔13〕。研究表明〔14〕在CS暴露下，機體氧化應(yīng)激水平增加，活性氧(ROS)的水平升高，導(dǎo)致Sirt1表達下調(diào)，進而調(diào)控PGC-1ɑ的轉(zhuǎn)錄，從而引起脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)增加和抗氧化劑超氧化物歧化酶(SOD)降低，最終引起COPD肺組織的損傷。此外，Yao等〔15〕在Sirt1基因過表達的小鼠中發(fā)現(xiàn)，Sirt1基因的過表達同時會增加抗氧化基因的表達，包括錳超氧化物歧化酶(MnSOD)、血紅素氧化酶(HO)-1、醌氧化還原酶(NQO)-1；同時在使用Sirt1激活劑SRT1720處理的CS暴露下的FOXO3敲除小鼠及其野生型(WT)同窩小鼠中發(fā)現(xiàn)，在FOXO3-/-小鼠中，脂質(zhì)過氧化物MDA和4-羥基壬烯醛(HNE)的表達沒有變化，相反在WT小鼠中，MDA和4-HNE的表達增加；此外SRT1720激活劑增加了WT小鼠中MnSOD、HO-1、NQO-1的表達，而在FOXO3-/-小鼠中沒有增加，這些數(shù)據(jù)表明Sirt1對CS引起的脂質(zhì)過氧化的保護是通過FOXO3的調(diào)控進行的。在對氧化應(yīng)激水平在COPD中的機制的深入研究中，Kato等〔16〕發(fā)現(xiàn)在患有重度COPD和煙草煙霧提取物培養(yǎng)的CD34+祖細胞中發(fā)現(xiàn)，在氧化應(yīng)激條件下，Sirt1表達下調(diào)的同時p53乙?；黾?，而由p53調(diào)節(jié)的miR-34ɑ的表達也增加，從而引起細胞損傷加重，最終引起血管內(nèi)皮祖細胞功能障礙，加重COPD。

2.3Sirt1在COPD衰老中的作用 細胞衰老是衰老的一個標志，由于端粒的逐漸磨損，細胞在反復(fù)分裂后可能發(fā)展，DNA損傷-反應(yīng)途徑的激活導(dǎo)致腫瘤抑制因子p53的激活(復(fù)制性衰老)。此外，它也可能是由細胞應(yīng)激引起的，例如氧化應(yīng)激、電離輻射或細胞毒性療法，其激活細胞周期蛋白依賴激酶抑制劑p16 INK4(應(yīng)激相關(guān)的衰老)。這些途徑可能相互作用，并激活細胞周期蛋白依賴激酶抑制劑p21CIP1，通過抑制細胞周期蛋白依賴激酶-2/4導(dǎo)致細胞周期停滯〔17〕。研究表明在COPD患者外周肺組織、氣道上皮細胞、外周血單核細胞中Sirt1的mRNA和蛋白質(zhì)均顯著降低〔11〕，導(dǎo)致肺衰老。p16與p21是眾所周知的衰老標志物，已被證實在COPD患者細胞中表達升高，而Sirt1的過表達可以減弱衰老標志物p16、p21的上調(diào)，從而保護上皮細胞的衰老；此外，Sirt1使FOXO3去乙?；瑢?dǎo)致其活化并誘導(dǎo)細胞周期停滯，從而減少過早衰老〔18〕。除了FOXO3，已經(jīng)鑒定了幾種其他參與細胞應(yīng)激反應(yīng)信號傳導(dǎo)和細胞衰老的Sirt1蛋白質(zhì)底物，這包括Ku70/Ku80，Wnt/β-連環(huán)蛋白，Notch和Werner綜合征蛋白。對于腫瘤抑制因子p53而言，Sirt1與p53相互作用，并使C末端調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域的賴氨酸殘基脫乙酰化，降低Sirt1水平/活性可增加p53乙?；瑥亩龠M細胞凋亡和衰老。此外，通過反義寡核苷酸阻斷p53逆轉(zhuǎn)了Sirt1對細胞衰老的抑制作用〔19〕。另一近期研究表明〔20〕氧化應(yīng)激能夠驅(qū)動p38-c-Jun信號傳導(dǎo)誘導(dǎo)miR-570-3p表達，然后miR-570-3p直接與Sirt1結(jié)合，降低其表達，導(dǎo)致細胞衰老的誘導(dǎo)。而通過抑制miR-570-3p水平的升高，可以增加細胞增殖，同時減少許多關(guān)鍵衰老相關(guān)分泌表型(SASP)蛋白，如MMP-2/9，IL-1β，趨化因子(CXCL)8和IL-6的表達，從而減少細胞衰老。再進一步研究發(fā)現(xiàn)，CS的暴露會使肺部功能障礙，導(dǎo)致細胞DNA損傷并損害雙鏈斷裂的修復(fù)；而在COPD中的DNA損傷和雙鏈斷裂修復(fù)受損都加劇，這種持續(xù)存在的DNA損傷誘導(dǎo)過早衰老(SIPS)和SASP。而在DNA損傷期間，Sirt1可以重新定位到受損位點并通過脫乙?；疍NA修復(fù)蛋白促進DNA修復(fù)(如Ku70，NBS，Werner解旋酶和nibrin)和通過調(diào)節(jié)肺細胞中的染色質(zhì)來調(diào)節(jié)響應(yīng)CS應(yīng)激的SIPS和SASP，Sirt1還使組蛋白H3K56脫乙酰化，從而調(diào)節(jié)DNA損傷和基因組不穩(wěn)定，進而減少細胞衰老〔21〕。此外，衰老的另一個關(guān)鍵方面是慢性炎癥，該過程的特征在于幾種信號分子的激活，包括NF-κB，F(xiàn)OXO和Klotho。Sirt1表達的減少與RelA/p65 NF-κB的激活升高有關(guān)，而NF-κB是炎癥的主要調(diào)節(jié)因子，進而促進炎癥反應(yīng)，持續(xù)存在的炎癥反應(yīng)導(dǎo)致細胞衰老的發(fā)生發(fā)展。

2.4Sirt1在COPD細胞凋亡中的作用 在COPD進展中，肺上皮細胞的凋亡起著關(guān)鍵作用，導(dǎo)致肺泡結(jié)構(gòu)和肺氣腫的破壞，其中Ⅱ型肺泡上皮細胞(AECⅡ)合成和分泌的肺表明活性物質(zhì)在維持正常的肺泡內(nèi)穩(wěn)態(tài)、氣體交換和改善肺組織修復(fù)中其重要作用。研究發(fā)現(xiàn)〔22〕在使用CS和脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的COPD小鼠中肺氣腫明顯，Sirt1蛋白和活性降低，F(xiàn)OXO3表達下降，從而導(dǎo)致p53表達上調(diào)，進一步引起AECⅡ的凋亡。在Sirt1激活劑SRT1720的干預(yù)下，Sirt1蛋白的表達和活性及FOXO3的表達增加，并通過去乙?；种苝53反式激活，從而減少p53依賴性的AECⅡ的凋亡，進一步減少肺氣腫的形成。此外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應(yīng)激介導(dǎo)的細胞凋亡參與COPD的發(fā)生發(fā)展。在COPD大鼠中發(fā)現(xiàn)CS的暴露會導(dǎo)致肺組織內(nèi)Sirt1表達下降，ER應(yīng)激增強，從而使ER應(yīng)激相關(guān)凋亡蛋白CHOP和caspase-12的表達增加，從而導(dǎo)致肺組織細胞凋亡。數(shù)據(jù)顯示使用褪黑素可以上調(diào)COPD中Sirt1的表達并減輕COPD大鼠肺組織細胞凋亡和ER應(yīng)激〔23〕。體外研究表明，在CS提取物(CSE)干預(yù)的支氣管上皮細胞中，ER應(yīng)激增加，褪黑素和白藜蘆醇可以通過Sirt1/ORP150途徑降低ER應(yīng)激凋亡相關(guān)蛋白CHOP、ATF4和Caspase-4的表達，從而減弱CSE誘導(dǎo)的細胞凋亡〔24〕。

2.5Sirt1在COPD自噬中的作用 自噬是指保守的細胞過程，其中細胞質(zhì)內(nèi)容物和細胞器被隔離在雙膜自噬體內(nèi)，隨后在液泡或溶酶體中降解。誘導(dǎo)自噬的因素很多，包括ER應(yīng)激、氧化應(yīng)激、缺氧、感染等，其中CS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激是人們最為關(guān)注的。體外研究〔24〕表明，CSE干預(yù)的支氣管上皮細胞中，Sirt1的表達下降，而LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比率上調(diào)，表明細胞存在自噬現(xiàn)象，進一步敲除Sirt1或ORP150基因會顯著增強CSE誘導(dǎo)的Beclin-1，LC3-Ⅱ，LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比率的蛋白質(zhì)表達增加和支氣管細胞中p62的減少，進而導(dǎo)致細胞自噬的增強，表明CSE誘導(dǎo)的細胞自噬經(jīng)過Sirt1/ORP150途徑進行調(diào)節(jié)。此外，自噬相關(guān)基因LC3為FOXO3的調(diào)控靶基因，研究中發(fā)現(xiàn)CS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激條件下，Sirt1水平降低，并伴隨著FOXO3乙?；缴?，從而導(dǎo)致支氣管上皮細胞及小鼠肺中的自噬現(xiàn)象增強。聚ADP核糖聚合酶(PARP)-1是PARP家族中最豐富的核酶，使用NAD+作為底物催化聚合物PAR的形成，PARP-1被ROS誘導(dǎo)的DNA鏈斷裂激活。在CSE誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，可使PARP-1活化導(dǎo)致NDA+缺失并隨后降低Sirt1的活性，導(dǎo)致細胞發(fā)生自噬，由SIRT1-PARP-1軸介導(dǎo)的自噬可能是COPD發(fā)病機制〔25〕。

3 Sirt1激活劑在COPD中的應(yīng)用

3.1白藜蘆醇 白藜蘆醇(3,5,40-三羥基-反式-二苯乙烯)是一種多酚植物抗毒素，存在于各種植物中，包括葡萄、漿果和花生。它被確定為Sirt1的第一個天然化學(xué)活化劑〔9〕，并且實現(xiàn)了Sirt1大約8倍的激活。白藜蘆醇已被證明具有抗炎和抗氧化作用。與健康對照組相比，COPD患者淋巴細胞中NF-κB，TNF-α和MMP-9表達上調(diào)的全身炎癥增加，白藜蘆醇治療后降低〔26〕。這種全身炎癥增加可能會影響肺部和肌肉。此外，肺中巨噬細胞數(shù)量的增加在COPD的病理生理學(xué)中起關(guān)鍵作用，并且這些巨噬細胞中上調(diào)的大多數(shù)炎性蛋白受NF-κB調(diào)節(jié)〔27〕，而白藜蘆醇可以通過對Sirt1表達的調(diào)控進一步對NF-κB進行調(diào)節(jié)，從而改善肺部炎癥反應(yīng)。白藜蘆醇不僅通過其抗炎特性間接改善線粒體氧化能力，而且直接通過AMPK-SIRT1-PGC-1α軸改善線粒體氧化能力。白藜蘆醇的這種有益作用可以影響COPD患者肺和肌肉中Sirt1和PGC-1α的表達水平，從而影響氧化應(yīng)激〔14,28〕。臨床前研究結(jié)果表明，吸入白藜蘆醇可以提高肺線粒體功能〔29〕。此外，白藜蘆醇的抗氧化特性也可能影響肺部和骨骼肌。在COPD患者中，在肺中觀察到高水平的氧化應(yīng)激，并且與炎癥，氣道重塑，自身免疫和皮質(zhì)類固醇抗性增加相關(guān)。因此，減少氧化應(yīng)激有利于減少COPD中的肺損傷〔30，31〕。白藜蘆醇通過刺激Sirt1表達，促進p53去穩(wěn)定化和降低Bax表達及維持PGC-1α激活的p-Akt的表達水平來支持AECⅡ存活，調(diào)節(jié)肺衰老〔29〕。白藜蘆醇對CSE誘導(dǎo)的細胞凋亡具有保護作用，主要通過Sirt1/ORP150途徑降低ER應(yīng)激凋亡相關(guān)蛋白CHOP、ATF4和caspase-4的表達，從而減弱CSE誘導(dǎo)的細胞凋亡〔32〕。

白藜蘆醇除了對肺和肌肉的有益作用之外，臨床前研究表明其對心臟具有保護作用。Hu等〔33〕發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇可以通過減輕老年肺氣腫患者心臟中Sirt1表達的下降，從而減輕心臟氧化損傷和左心室重構(gòu)，這可能是COPD合并心臟損傷的治療方法。

3.2Sirt1合成激活劑 已經(jīng)開發(fā)出多種Sirt1激活劑，它們是白藜蘆醇的類似物，這些激活劑通過降低底物Sirt1的Km來增加Sirt1活性，包括SRT1720，SRT1460，SRT2183，SRT2104，SRT2172和SRT2379。其中最有效的激活劑是SRT1720(EC1.5=0.16 μmol/L，Sirt1的最大活化為781%)，其在激活Sirt1方面比白藜蘆醇有效800～1 000倍。Yao等〔18〕的研究最近表明，SRT1720可以減輕氧化應(yīng)激引起的細胞過早衰老，并保護小鼠免受香煙煙霧引起的肺氣腫。在體內(nèi)，SRT1720促進了FOXO3轉(zhuǎn)錄因子的去乙?；瑢?dǎo)致了細胞衰老和肺氣腫。因此，Sirt1通過FOXO3介導(dǎo)的細胞衰老的減少來保護肺氣腫，而不受炎癥的影響。因此，開發(fā)特異性選擇性藥理學(xué)Sirt1激活劑對于理解Sirt1在細胞功能中的作用及Sirt1激活劑在肺部炎癥相關(guān)疾病中的潛在臨床應(yīng)用至關(guān)重要。

4 展 望

Sirt1是第Ⅲ類HDACs，在COPD的發(fā)病和加重過程中起著至關(guān)重要的作用，廣泛參與COPD中炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、細胞衰老、凋亡、自噬等過程。此外，通過藥理學(xué)激活Sirt1在COPD的治療中是重要的。因此，對Sirt1參與的致病機制的深入研究將為COPD機制和診治提供新的方向，對Sirt1靶向治療的藥物在臨床運用上具有廣闊的前景。