線粒體SIRT3在腫瘤發(fā)生和治療中作用的研究進展

王艷輝，金玉綜述，任麗審校

（天津醫(yī)科大學腫瘤醫(yī)院檢驗科，國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津市“腫瘤防治”重點實驗室，天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學研究中心，天津 300060）

在存在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的情況下，Sirtuins（1～7）有多種酶功能。包括ADP-核糖基化、去乙?；?、去丙二?；⑷ョ牾；⑷ノ於腔?、去豆蔻?；腿プ貦疤腔?。SIRT1、SIRT6和SIRT7位于細胞核中，SIRT2主要位于細胞質(zhì)中，SIRT3、SIRT4和SIRT5主要位于線粒體中[1]。SIRT3是最主要的線粒體去乙?；福ㄎ挥诰€粒體基質(zhì)，在調(diào)節(jié)線粒體代謝和氧化應(yīng)激中起重要作用，包括三羧酸循環(huán)、尿素循環(huán)、氨基酸代謝、脂肪酸氧化、線粒體電子傳遞鏈/氧化磷酸、活性氧簇（ROS）解毒、線粒體動力學和線粒體折疊蛋白應(yīng)答[2]。由于線粒體在能量產(chǎn)生、代謝、細胞凋亡和細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導中的關(guān)鍵作用，高代謝組織對線粒體功能障礙更為敏感。已證實SIRT3在衰老、神經(jīng)退行性疾病、肝病、腎病、心臟病和其他代謝性疾病中發(fā)揮重要的功能[3]。線粒體功能失調(diào)對腫瘤的起始和進展及代謝重編程起著關(guān)鍵的作用，近年來靶向線粒體的抗癌藥物的研發(fā)也越來越多。作為線粒體關(guān)鍵的去乙酰化酶，SIRT3在腫瘤中的作用受到了廣泛的關(guān)注。本文就SIRT3的結(jié)構(gòu)與功能、在腫瘤中的雙重作用、在化療藥物耐藥中的作用及其抑制劑的開發(fā)和應(yīng)用等研究現(xiàn)狀和進展進行綜述。

1 SIRT3的結(jié)構(gòu)與功能

全長SIRT3由399個氨基酸殘基組成，被認為是無活性的，在轉(zhuǎn)移到線粒體的過程中，其N端101位殘基的線粒體靶向序列被線粒體基質(zhì)加工肽酶（MPP）裂解，從而形成有活性的28 kD的蛋白質(zhì)。作為典型的沉默調(diào)節(jié)蛋白，SIRT3具有保守的酶核心區(qū)域（aa126~399），以NAD+依賴性方式發(fā)揮去乙?；δ?。SIRT3的催化核心區(qū)域包含一個較大的Rossmann折疊結(jié)構(gòu)域，提供NAD+結(jié)合位點和一個較小的結(jié)構(gòu)域，用于結(jié)合鋅原子。這兩個結(jié)構(gòu)域的間隙是乙?；孜锏慕Y(jié)合位點。SIRT3不僅去除乙?；€可以去除巴豆?；腿舛罐Ⅴ；?，賴氨酸乙?；茄芯孔顝V泛的修飾[4]。SIRT3可以使多個線粒體蛋白質(zhì)去乙酰化，從而全面影響線粒體和細胞功能。到目前為止，已確定的SIRT3蛋白質(zhì)靶標包括長鏈?；o酶A脫氫酶（LCAD）、異檸檬酸脫氫酶2（IDH2）、谷氨酸脫氫酶（GDH）、琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶（NDUFA9）、ATP合酶、乙?；?CoA合成酶2（AceCS2）、鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（OTC）、線粒體核糖體大亞基蛋白10（MRPL10）、親環(huán)蛋白D（CypD）、線粒體伴侶Hsp10、線粒體蛋白酶Lon肽酶1（LONP1）。SIRT3可以通過將關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子叉頭盒O3a（FOXO3a）去乙?；岣咤i超氧化物歧化酶（MnSOD）和過氧化氫酶（CAT）的水平，從而抑制氧化應(yīng)激[5]。SIRT3在修復(fù)線粒體DNA損傷，保持線粒體完整性和抑制氧化應(yīng)激誘導的細胞凋亡過程中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[6]。SIRT3可以促進X射線修復(fù)交叉互補6（XRCC6）與B細胞淋巴瘤相關(guān)x蛋白（Bax）之間的相互作用，抑制Bax從細胞質(zhì)易位到線粒體，進而抑制細胞凋亡[7]。據(jù)報道，SIRT3還可以轉(zhuǎn)運到細胞核中，作為組蛋白去乙?；?，在表觀遺傳水平調(diào)節(jié)多個基因的表達[8]。

2 SIRT3與腫瘤

腫瘤細胞與正常細胞的代謝模式不同。腫瘤細胞代謝重編程的特征是“Warburg效應(yīng)”，即大多數(shù)癌細胞更依賴于有氧糖酵解提供能量。糖酵解不僅提供了快速的能量供應(yīng)，而且還為腫瘤微環(huán)境的發(fā)生和發(fā)展提供了許多有利因素，例如加速基因組的不穩(wěn)定性，活化磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）、c-Myc等多種細胞增殖信號[9]。但是，一些特定腫瘤（如膠質(zhì)母細胞瘤、神經(jīng)母細胞瘤和急性髓細胞白血?。?，仍然以O(shè)XPHOS作為主要的能量供應(yīng)方式[10]。不同的腫瘤微環(huán)境差異很大，生存壓力使它們選擇最合適的代謝途徑。作為腫瘤代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，SIRT3參與線粒體的代謝重編程，可以調(diào)節(jié)ROS的水平以發(fā)揮抑癌作用，這是SIRT3的一個顯著特征。但是，最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，SIRT3轉(zhuǎn)變?yōu)橹掳┗?，可以促進小鼠中高脂飲食誘導的腫瘤發(fā)生[11]。因此，SIRT3在腫瘤中發(fā)揮的作用可能與遺傳背景和環(huán)境有關(guān)。

2.1 SIRT3的抑癌作用SIRT3對腫瘤的抑制作用主要通過阻止腫瘤代謝的變化。研究最多的途徑是SIRT3抑制缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）。HIF-1α可以激活一系列糖酵解的關(guān)鍵因子以促進“Warburg效應(yīng)”。SIRT3可以破壞HIF-1α的穩(wěn)定性，從而防止其對“Warburg效應(yīng)”的促進作用。但是，HIF-1α不是SIRT3的直接底物。SIRT3通過脯氨酰羥化酶（PHD）的直接去乙?；瘉碚{(diào)節(jié)HIF-1α的活性?；罨腜HDs羥化HIF-1α，影響其穩(wěn)定性并抑制其促腫瘤的作用[12]。丙酮酸脫氫酶復(fù)合物（PDC）是另一種與糖酵解有關(guān)的SIRT3底物。SIRT3是PDC的上游脫乙?；?，可將PD去乙酰化并激活PDC，以抑制糖酵解并促進腫瘤細胞的凋亡[13]。SIRT3可以調(diào)節(jié)線粒體的質(zhì)量，下調(diào)SIRT3促進了腎透明細胞癌的“Warburg效應(yīng)”[14]。谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶2（GOT2）是糖酵解過程中的限速酶，在159、185和404處被SIRT3去乙?；?，從而抑制GOT2活性并抑制胰腺癌的生長[15]。因此，在大多數(shù)依賴糖酵解的腫瘤中，SIRT3激活對腫瘤患者是有益的。SIRT3通過使底物去乙?；瘉碚{(diào)節(jié)腫瘤細胞的增殖和遷移，從而抑制腫瘤的進展。Enoyl-CoA水合酶-1（ECHS1）在腫瘤細胞中高度乙?；?，導致活性降低并激活mTOR調(diào)控的增殖途徑，SIRT3可抑制這種過度乙酰化以恢復(fù)線粒體易位和ECHS1活性[16]。SIRT3可以激活抗氧化系統(tǒng)以降低ROS的水平，SIRT3的缺失會觸發(fā)氧化應(yīng)激，激活ROS介導的信號轉(zhuǎn)導，從而導致正常細胞的癌變，以及腫瘤細胞的增殖[17]。XIAO等[18]證明了通過SIRT3清除ROS有助于抑制肺腺癌細胞的生長。在慢性淋巴細胞性白血?。–LL）中，SIRT3激活MnSOD2以消除ROS，從而抑制CLL的進展[19]。誘導凋亡是SIRT3抑制腫瘤進展的另一作用機制。SIRT3缺失可促進結(jié)直腸癌細胞的凋亡[20]。SIRT3上調(diào)MnSOD2和p53活性進一步誘導了Bax和Fas調(diào)控的肝細胞癌（HCC）細胞凋亡[21]。SENGUPTA等[22]認為SIRT3在監(jiān)測腫瘤基因組的穩(wěn)定性中也發(fā)揮作用，SIRT3可以使組蛋白H3在K56處去乙?；?，以增強DNA非同源末端連接修復(fù)。

2.2 SIRT3的促癌作用IDH2是三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵酶，為血液系統(tǒng)惡性腫瘤的標志物。SIRT3可以使IDH2去乙?；瑥亩黾悠浯侔┗钚訹23-24]。在彌漫性大B細胞淋巴瘤中，SIRT3可通過增強GDH活性來促進TCA循環(huán)，從而促進淋巴瘤的發(fā)生[25]。在非小細胞肺癌中，SIRT3促進煙酰胺單核苷酸腺苷酰轉(zhuǎn)移酶2（NMNAT2）的致癌作用以刺激腫瘤細胞增殖[26]。在宮頸癌細胞中，SIRT3使乙酰輔酶A羧化酶去乙?；瘡亩龠M脂代謝，這種脂肪酸代謝的重編程促進腫瘤細胞的遷移和侵襲[27]。WANG等[28]認為SIRT3可以增加SOD2活性以適當調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生，從而防止細胞凋亡。KIM等[29]認為，在卵巢癌中SIRT3會微調(diào)SOD2活性以適應(yīng)細胞應(yīng)激和anoikis耐藥，從而確保細胞存活。NEELI等[30]研究發(fā)現(xiàn)，由SIRT3介導的SOD2激活可以促進三陰性乳腺癌（TNBC）細胞的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）。XIONG等[31]還發(fā)現(xiàn)SIRT3使p53在Lys320和382處去乙酰化，以促進其降解，從而阻礙了P53對PTEN缺陷型非小細胞肺癌的抑制作用。因此，在缺乏PTEN的腫瘤中，抑制SIRT3可能是更好的治療策略。最近，一項研究表明，結(jié)直腸癌中SIRT3使絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶2（SHMT2）在Lys95處去乙?；?，并抑制其溶酶體依賴性降解，乙?；腟HMT2缺乏酶活性抑制癌變，因此SIRT3可以激活SHMT2促進結(jié)直腸癌細胞的增殖[32]。綜上所述，SIRT3在不同腫瘤中的雙向作用可能與腫瘤的組織起源相關(guān)，在通過調(diào)節(jié)SIRT3進行腫瘤治療時應(yīng)該慎重。

2.3 SIRT3與腫瘤耐藥 最近的研究表明，在某些高度惡性的腫瘤中，SIRT3的激活可能是一種治療方法，尤其是對于某些耐藥性腫瘤。例如，索拉非尼是一種公認的臨床批準用于HCC的藥物，但是非常容易產(chǎn)生耐藥性。研究表明，索拉非尼能降低SIRT3的表達，這有助于其降低藥物的敏感性，而SIRT3的上調(diào)可以使HCC對索拉非尼治療敏感性增加[33-34]。HOU等[35]也發(fā)現(xiàn)，抗凋亡蛋白BCL2的抑制劑ABT737對SIRT3的激活有助于改善卵巢癌對順鉑的耐藥性。SIRT3可以使p53突變體脫乙?；?，從而降低其表達，誘導小細胞肺癌（SCLC）細胞凋亡，并提高SCLC化療敏感性[36]。沉默SIRT3會增加氧化應(yīng)激并損害抗氧化反應(yīng)，從而導致乳腺癌細胞對順鉑或他莫昔芬治療敏感[37]。SIRT3的表達與結(jié)腸癌的預(yù)后有關(guān)，它調(diào)節(jié)抗氧化反應(yīng)，并且其敲低可提高奧沙利鉑的療效[38]。因此，對SIRT3活性的調(diào)節(jié)可能是一種克服腫瘤耐藥的方法。

3 針對SIRT3的小分子抑制劑用于腫瘤治療

3.1 底物競爭性SIRT3抑制劑4′-溴白藜蘆醇是2013年發(fā)現(xiàn)的ACS2肽底物競爭性抑制劑，后來GEORGE等[39]發(fā)現(xiàn)4′-溴白藜蘆醇通過SIRT3介導的線粒體代謝重編程抑制黑色素瘤進展。MANAJAN等[40]發(fā)現(xiàn)了一種具有肽底物競爭性的SIRT1/2抑制劑cambinol，對腫瘤的治療具有潛在的作用。隨后，他們設(shè)計了一系列cambinol類似物，并發(fā)現(xiàn)了SIRT3選擇性抑制劑4-[（2-羥基-6-苯基萘-1-基）甲基]-5-（4-甲基苯基）-2，3-二氫-1H-吡唑-3-酮，具有良好的抗癌潛能。Nε-?；?賴氨酸是SIRT3重要的底物競爭性抑制劑。Chen等[41]設(shè)計了一系列含有Nε-硫代乙?；?賴氨酸的肽，這些肽對SIRT1/2/3均有抑制作用，其中一種肽可以有效抑制結(jié)腸癌細胞HCT116SIRT的活性，但它不是選擇性的SIRT3抑制劑。這表明開發(fā)特異性的底物競爭性SIRT3抑制劑，需要選擇特異性SIRT3底物作用位點進行靶向設(shè)計?？紤]到SIRT3在線粒體中含量豐富，LI等[25]通過用三苯基TP（TPP）線粒體靶向部分取代了芐基甲氨?；鶃硇揎桱H-T4，從而獲得化合物YC8-02，該化合物能較好地滲透到線粒體。YC8-02不僅表現(xiàn)出強大的SIRT3抑制作用，而且還通過選擇性抑制SIRT3從而抑制淋巴瘤的發(fā)生。

3.2 煙酰胺競爭性SIRT3抑制劑 煙酰胺是SIRT的內(nèi)源性抑制劑，但是它對SIRT家族的每個成員都沒有特異性。煙酰胺類似物是SIRT3抑制劑的重要組成部分。煙酰胺類似物3-TYP是一種高度特異性的SIRT3抑制劑。蓖麻油酸酯（ICA）對多種神經(jīng)毒劑引起的氧化應(yīng)激具有保護作用，3-TYP可以通過抑制SIRT3消除ICA的細胞保護作用[42]。EX-527是一種選擇性SIRT抑制劑，可通過占據(jù)煙酰胺位點和與NAD+相鄰的口袋起作用。EX-527一直被認為是SIRT1抑制劑，但它對SIRT3的活性也有一定抑制作用[43]。EX-527的發(fā)現(xiàn)揭示了一種新的SIRT抑制機制，即與NAD+衍生的副產(chǎn)物形成三聚體Sirtuin復(fù)合物。

3.3 其他SIRT3抑制劑Tenovin-6是具有生物活性的p53激活劑，也是具有抗腫瘤活性的SIRT3抑制劑。尚不清楚Tenovin-6對SIRT3抑制作用的具體機制，但已證明它起非競爭性抑制劑的作用。LC-0296是具有良好抑制作用的合成SIRT3抑制劑，其作用機制也不清楚。從其結(jié)構(gòu)來看，LC-0296可能是NAD+競爭性抑制劑。通過抑制細胞增殖和促進細胞凋亡，對頭頸部鱗狀細胞癌具有良好的活性[44]。三甲胺-N-氧化物（TMAO）是一種膽堿代謝產(chǎn)物，可通過SIRT3抑制誘導的ROS-NLRP3活化促進血管炎癥[45]。阿苯達唑是具有微管靶向能力的驅(qū)蟲藥，Wang等[46]發(fā)現(xiàn)阿苯達唑可誘導SIRT3降解以抑制白血病細胞存活。2-甲氧基雌二醇（2-ME）是一種抗癌藥物，已發(fā)現(xiàn)它與SIRT3上典型的變構(gòu)抑制劑結(jié)合位點結(jié)合，從而抑制了其活性；在抑制SIRT3的情況下，2-ME可以干擾正常的線粒體功能并殺死骨肉瘤細胞[47]。

總體而言，SIRT3是一種重要的線粒體去乙?；鞍?，在調(diào)節(jié)蛋白的乙?；?，維持線粒體的完整性和能量代謝方面發(fā)揮重要的作用。高度乙?；男揎椩谀[瘤中經(jīng)常發(fā)生，這有助于大多數(shù)腫瘤的存活。SIRT3通過將這種過度修飾調(diào)整至正常狀態(tài)來調(diào)節(jié)腫瘤的進展。除此之外，SIRT3具有代謝重編程的能力，并且對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展起重要作用。但是，SIRT3對腫瘤是一把雙刃劍，在某種程度上增加了SIRT3作為腫瘤治療目標的困難和風險。目前還沒有成功開發(fā)出令人滿意的SIRT3激活劑或抑制劑用于腫瘤治療，這使得將SIRT3作為腫瘤的可治療靶標變得更加困難。盡管如此，如果能在個性化治療中更好地調(diào)控它，它將是一個非常有前途的腫瘤藥物靶標。