sirtuins對(duì)心肌能量代謝影響的研究進(jìn)展*

聶 彤 ， 王 笑 ，2， 倪晶宇

（1天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津 301600；2天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院，國(guó)家中醫(yī)針灸臨床醫(yī)學(xué)研究中心，天津 300380）

心血管疾病是造成我國(guó)居民死亡的主要原因，約占總死亡人數(shù)的40%［1］，并且由于我國(guó)人口老齡化程度日益加劇，心血管疾病的患病率將會(huì)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)［2］。隨著對(duì)心血管疾病病理機(jī)制研究的不斷深入，臨床用于心血管疾病的藥物和方法也逐漸增加，但心血管疾病的發(fā)病率和入院率仍然居高不下，因此現(xiàn)階段仍需要更加深入探索心血管疾病的發(fā)生發(fā)展機(jī)制并發(fā)展新的治療策略。自2004 年提出心肌能量代謝重構(gòu)的概念后［3］，改善心肌細(xì)胞能量代謝被認(rèn)為是治療心血管疾病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，領(lǐng)域內(nèi)研究者對(duì)此開(kāi)展了諸多有益探索。唐斌等［4］對(duì)大鼠進(jìn)行腹主動(dòng)脈縮窄手術(shù)建立心力衰竭模型，給予黃芪甲苷治療，觀察到長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A 脫氫酶表達(dá)增加，而6-磷酸果糖激酶1 表達(dá)下降，黃芪甲苷可能從改善心肌能量代謝障礙方面抑制了慢性心力衰竭的進(jìn)一步惡化。

sirtuins 是酵母沉默交配型信息調(diào)節(jié)因子2（silent mating type information regulator 2，Sir2）蛋白在哺乳動(dòng)物中的同源蛋白家族，是生命體中廣泛存在的一類依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的組蛋白脫乙酰酶，經(jīng)多條途徑直接或間接地參與調(diào)節(jié)能量代謝［5-6］。近年研究顯示，sirtuins 可通過(guò)調(diào)節(jié)脂肪酸代謝和葡萄糖代謝來(lái)響應(yīng)能量水平的變化，是控制能量穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，并且在多種心血管疾病中觀察到sirtuins 表達(dá)降低。本文就sirtuins 對(duì)心肌能量代謝的影響進(jìn)行綜述。

1 sirtuins簡(jiǎn)介

1.1 sirtuins 的結(jié)構(gòu)及細(xì)胞定位 sirtuins 是生命體中廣泛存在的一類依賴于NAD+的組蛋白脫乙酰酶，其家族成員從原核生物到真核生物高度保守，都具有高度保守的NAD+結(jié)合域和核心催化域，以及長(zhǎng)度和序列可變的N 端和C 端。通過(guò)X 射線晶體學(xué)方法對(duì)多種來(lái)源sirtuins 的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示sirtuins 的三維結(jié)構(gòu)包含一個(gè)較大的Rossmann 折疊結(jié)構(gòu)域和一個(gè)較小的結(jié)構(gòu)更多樣化的鋅結(jié)構(gòu)域，將兩個(gè)域連接起來(lái)的輔助因子結(jié)合環(huán)在大小結(jié)構(gòu)域之間形成一個(gè)裂口，NAD+和其它底物結(jié)合于裂口中［7］。小結(jié)構(gòu)域的多樣性可能在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)相互作用中發(fā)揮作用，對(duì)底物特異性、酶定位和酶活性的調(diào)節(jié)都很重要。除催化核心域外，sirtuins 的N 端和C 端在長(zhǎng)度、序列和二級(jí)結(jié)構(gòu)上均不相同，它們之間的差異也影響著其結(jié)合底物、定位和活性。

哺乳動(dòng)物體內(nèi)共有7 種sirtuins（即SIRT1～7），分布在不同亞細(xì)胞層中，每種sirtuin 蛋白都包含有助于其細(xì)胞定位的初級(jí)氨基酸信號(hào)序列。SIRT1、SIRT6 和SIRT7 的核定位信號(hào)使它們主要在細(xì)胞核中表達(dá)；SIRT3、SIRT4 和 SIRT5 含有 N 端線粒體靶向序列，被認(rèn)為定位于線粒體基質(zhì)；SIRT2 主要存在于細(xì)胞質(zhì)，但其亞細(xì)胞定位不固定或不在固定表達(dá)的位置發(fā)揮作用，這可能取決于細(xì)胞類型、應(yīng)激狀態(tài)和分子間相互作用［8］（圖1）。

Figure 1. Celluar localization of sirtuins（by Figdraw）. There are 7 isoforms of sirtuins in mammals，SIRT1 to SIRT7.SIRT1，SIRT6 and SIRT7 are mainly expressed in the nucleus. SIRT3，SIRT4 and SIRT5 contain N-terminal mitochondrial targeting sequences，which are located in the mitochondrial matrix. SIRT2 is predominantly found in the cytoplasm. They remove acetyl（Ac）from acetylated proteins.圖1 sirtuins的細(xì)胞定位（由Figdraw繪制）

1.2 sirtuins 酶活性 sirtuins 是底物特異性的蛋白質(zhì)脫乙酰酶，它們通過(guò)一種獨(dú)特的酶促機(jī)制從底物蛋白靶點(diǎn)賴氨酸殘基?-氨基上去除乙?；?，得到去乙酰化的蛋白產(chǎn)物、煙酰胺和2-O-乙酰基-ADP-核糖［8］。哺乳動(dòng)物sirtuins 中被研究最多的成員是SIRT1，其脫乙酰酶活性較強(qiáng)且蛋白靶點(diǎn)較多，如過(guò)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）［9］、叉頭框蛋白 O1（forkhead box protein O1，F(xiàn)oxO1）［10］、叉頭框蛋白 O3（forkhead box protein O3，F(xiàn)oxO3）［11］、p53［12］、核因子 κB（nuclear factor-κB，NF-κB）［13］、缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF1α）［14］等；SIRT2 和SIRT3 的脫乙酰酶活性也較強(qiáng)，而SIRT4、SIRT5、SIRT6和SIRT7的脫乙酰酶活性較弱或檢測(cè)不到，SIRT4主要表現(xiàn)為核糖基轉(zhuǎn)移酶活性［15］。除脫乙酰酶活性外，SIRT5還具有去甲基化酶活性和去琥珀酰化酶活性，SIRT6 和SIRT7 還具有核糖基轉(zhuǎn)移酶活性；隨著研究的深入，也檢測(cè)到SIRT7的去琥珀?；腿ノ於；富钚裕?6］，但其功能還有待探索。sirtuins通過(guò)多種途徑延緩心血管疾病的發(fā)展，例如減輕氧化應(yīng)激［17］、調(diào)節(jié)線粒體的生物合成［18］、調(diào)控轉(zhuǎn)錄和翻譯［19］等，進(jìn)而維護(hù)心臟的正常功能。

2 sirtuins對(duì)心血管疾病能量代謝的影響

心臟能量代謝最顯著的特征是應(yīng)對(duì)各種刺激時(shí)表現(xiàn)出的代謝靈活性，即心臟可以利用不同的底物，包括碳水化合物（主要是葡萄糖）、脂肪酸、氨基酸和酮體等，在慢性病理生理?xiàng)l件下，重塑代謝途徑，以保障心肌能量供應(yīng)和維持收縮功能［20-22］。在正常情況下，心臟所需ATP 主要由線粒體氧化磷酸化提供，其主要代謝底物為脂肪酸［20-21］；當(dāng)心血管疾病發(fā)生時(shí)，心肌線粒體動(dòng)力學(xué)劇變和功能障礙［22-26］，導(dǎo)致其氧化代謝能力降低，發(fā)生代謝重編程，代謝底物由脂肪酸轉(zhuǎn)向葡萄糖以及其它代謝底物［22，27］。研究顯示在疾病早期增加糖酵解對(duì)心臟具有保護(hù)作用，但糖酵解分支代謝途徑也會(huì)增多，長(zhǎng)此以往，造成氧化還原應(yīng)激增加，加劇左心室擴(kuò)張和心功能障礙等［27］。而sirtuins可以調(diào)節(jié)底物利用，激活多種代謝途徑，改善線粒體功能，從而發(fā)揮防治心血管疾病的作用。

2.1 sirtuins 影響心肌底物攝取 心肌細(xì)胞攝取代謝底物是心臟能量代謝的第一步，攝取和代謝失衡會(huì)導(dǎo)致底物代謝不完全和有害代謝產(chǎn)物堆積，進(jìn)而造成心肌損傷和收縮功能障礙。因此，影響代謝底物攝取是調(diào)控心肌能量代謝的重要環(huán)節(jié)。心肌細(xì)胞攝入游離脂肪酸和外源性葡萄糖需借助相應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白載體，運(yùn)載游離脂肪酸和葡萄糖進(jìn)入心肌細(xì)胞，因此影響相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白載體的含量或活性可以調(diào)控心肌底物攝取，進(jìn)而影響細(xì)胞能量代謝［28-29］。心臟中AMP/ATP 比值增加能激活A(yù)MP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）-SIRT1 信號(hào)途徑，使PGC-1α 蛋白乙?；浇档?，進(jìn)而促進(jìn)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α（peroxisome proliferatoractivated receptor α，PPARα）進(jìn)入細(xì)胞核，使脂肪酸轉(zhuǎn)位酶CD36移位到細(xì)胞膜，從而促進(jìn)游離脂肪酸攝?。?0］。用棕櫚酸（palmitic acid，PA）誘導(dǎo)H9c2 心肌細(xì)胞脂毒性和能量代謝失衡，CD36 和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4（glucose transporter 4，GLUT4）代謝途徑蛋白表達(dá)減少；經(jīng)白藜蘆醇激活SIRT1，并用蛋白激酶Cζ（protein kinase Cζ，PKCζ）的小干擾RNA（PKCζ 可激活GLUT4運(yùn)載葡萄糖進(jìn)入心肌細(xì)胞）處理H9c2細(xì)胞24 h，結(jié)果顯示CD36 代謝途徑相關(guān)蛋白表達(dá)顯著增加，GLUT4 代謝途徑相關(guān)蛋白表達(dá)降低，證明了SIRT1可以作為調(diào)節(jié)代謝通路開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)，影響心肌能量代謝重塑，從而達(dá)到提高心臟代謝效率的目的［30］（圖 2）。

2.2 sirtuins 對(duì)心肌底物利用的影響 心臟對(duì)能量的需求極其嚴(yán)格，需要源源不斷的ATP 維持其正常功能，一旦缺血缺氧，導(dǎo)致底物和氧氣供應(yīng)不足，抑制心臟氧化代謝，并激活糖酵解以節(jié)省有限氧氣的使用［31］。當(dāng)心肌缺血再灌注（ischemia reperfusion，I/R）時(shí)，缺血導(dǎo)致代謝異常甚至停止，再灌注過(guò)程快速激活代謝途徑，從而造成代謝紊亂。缺血45 min 后再灌注6 h［32］，觀察到葡萄糖氧化代謝逐漸活躍，但過(guò)量的葡萄糖氧化代謝會(huì)導(dǎo)致活性氧（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)生增加和還原劑NAPDH 減少，引起氧化損傷，導(dǎo)致ATP 供應(yīng)不足，加重心肌組織損傷［33］；同時(shí)，NOD 樣受體蛋白 3（NOD-like receptor protein 3，NLRP3）炎癥小體以ROS 依賴的方式被激活，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞焦亡，造成心臟功能障礙。SIRT1激動(dòng)劑可降低丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase，PDH；控制葡萄糖氧化代謝速率的酶）活性，降低葡萄糖氧化代謝能力，減少ROS 和NLRP3 產(chǎn)生，從而保護(hù)心臟免受I/R 損傷。由此可見(jiàn)，SIRT1 可以在病理狀態(tài)下平衡代謝變化，減少心肌損傷（圖2）。

心臟內(nèi)外血管的完整性、灌注和功能有賴于不同類型細(xì)胞的相互作用，除心肌細(xì)胞外，心肌成纖維細(xì)胞、炎癥細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞等非心肌細(xì)胞也起到了重要作用。其中內(nèi)皮細(xì)胞是心臟間質(zhì)細(xì)胞中數(shù)量最多的細(xì)胞類型，在心血管疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要作用［34］。采用內(nèi)皮細(xì)胞SIRT3敲除小鼠和主動(dòng)脈縮窄（transverse aortic constriction，TAC）誘導(dǎo)心衰小鼠探究SIRT3 對(duì)心臟功能的影響［35］，結(jié)果顯示內(nèi)皮細(xì)胞SIRT3缺失會(huì)加重心肌肥厚和收縮功能障礙，并導(dǎo)致GLUT1、GLUT4 及糖酵解酶表達(dá)減少；在內(nèi)皮細(xì)胞SIRT3缺失的情況下，血管新生功能受到損害，促血管新生因子apelin增加心肌血管生成并緩解心力衰竭的作用被抵消；由此可見(jiàn)，內(nèi)皮細(xì)胞SIRT3表達(dá)增加可提高心肌葡萄糖代謝效率，改善心臟功能（圖2）。

2.3 sirtuins 對(duì)心肌線粒體功能的影響 線粒體為心臟持續(xù)產(chǎn)生ATP 提供了保障，約占心肌細(xì)胞總體積的45%［36］。病理狀態(tài)下，線粒體結(jié)構(gòu)和功能會(huì)出現(xiàn)異常［16-19］：（1）線粒體腫脹、線粒體嵴密度降低等；（2）與呼吸鏈和ATP 合成相關(guān)的線粒體功能逐漸下降，例如電子傳遞鏈解偶聯(lián)、ROS 產(chǎn)生增加、細(xì)胞ATP 池的消耗，以及廣泛的細(xì)胞損傷和心肌細(xì)胞凋亡；（3）線粒體自噬系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致功能障礙的線粒體積累，促進(jìn)疾病的發(fā)展。因此，維持線粒體系統(tǒng)穩(wěn)定性，使其氧化代謝功能正常，持續(xù)供給心臟ATP，是保障心臟收縮功能正常的必要條件。在脂多糖處理心肌細(xì)胞后［37］，降低SIRT3表達(dá)能使AMPK失活，線粒體生物發(fā)生鈍化，造成線粒體氧化代謝能力降低，線粒體生成ATP 減少，ROS 產(chǎn)生增加，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞受損和收縮功能障礙；相反，過(guò)表達(dá)SIRT3 會(huì)增加AMPK 活性，改善線粒體生物發(fā)生，從而維持線粒體功能。除此之外，SIRT3作為表達(dá)在線粒體中的脫乙酰酶，可通過(guò)去乙?；绊懢€粒體DNA修復(fù)相關(guān)基因的表達(dá)，降低心肌I/R期間的線粒體凋亡［38］，阻止線粒體裂變等［39］。SIRT1作為線粒體完整性的主要調(diào)節(jié)器，它可直接調(diào)控PGC-1α［40-41］，與核因子 E2 相關(guān)因子 1/2 相互作用［42］，促進(jìn)線粒體的生物發(fā)生。人參皂苷Rc 是SIRT1 的激活因子，可以通過(guò)激活SIRT1-PGC-1α 通路，在不增加ROS 生成的情況下，促進(jìn)線粒體生物合成，進(jìn)而改善心臟功能［43］（圖2）。

線粒體活性由細(xì)胞核DNA 和線粒體DNA 編碼的蛋白質(zhì)共同控制。線粒體穩(wěn)態(tài)的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)器為SIRT7［44］，它的缺失導(dǎo)致小鼠多系統(tǒng)線粒體功能障礙，表現(xiàn)為血乳酸水平升高、運(yùn)動(dòng)能力降低、心功能障礙等。SIRT7 通過(guò)去乙?；司幋a線粒體基因的主要調(diào)節(jié)因子GA 結(jié)合蛋白（GA-binding protein，GABP）β1，促進(jìn)其與GABPα 形成復(fù)合物，進(jìn)一步激活GABPα/GABPβ 異四聚體轉(zhuǎn)錄，從而維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定（圖2）。

3 總結(jié)與展望

Figure 2. Effects of sirtuins on myocardial energy metabolism（by Figdraw）. SIRT1 regulates metabolic pathway switch，CD36 and glucose transporter 4（GLUT4），to improve myocardial lipotoxicity and energy metabolism imbalance. It protects the heart from ischemia-reperfusion injury by reducing pyruvate dehydrogenase（PDH）activity，glucose oxidative metabolism，and reactive oxygen species（ROS）and NOD-like receptor protein 3（NLRP3）production. SIRT3 increases AMP-activated protein kinase（AMPK）activity and improves mitochondrial biogenesis，thereby maintaining mitochondrial function. Endothelial SIRT3 mediates the increased expression of GLUT1，GLUT4 and glycolytic enzymes，which can improve cardiac efficiency. SIRT1 directly regulates peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α（PGC-1α）and interacts with nuclear factor E2-related factor 1/2（Nrf1/2）to promote mitochondrial biosynthesis without increasing ROS production.SIRT7 deacetylates GA-binding protein β1（GABPβ1）to promote its complex formation with GABPα，further activates GABPα/GABPβ heterotetramer transcription，and maintains the stability of mitochondrial structure and function.圖2 sirtuins對(duì)心肌能量代謝的影響（由Figdraw繪制）

sirtuins 的結(jié)構(gòu)現(xiàn)已清晰，其細(xì)胞定位也隨著研究的深入被確定，但仍存在一定的爭(zhēng)議，例如SIRT7被普遍認(rèn)定為表達(dá)于核仁，但在細(xì)胞質(zhì)中也可以檢測(cè)到其存在。sirtuins 因其延緩衰老的作用而被重視，而心血管疾病又多發(fā)于老年群體中，這推動(dòng)著科研工作者對(duì)sirtuins 在心血管疾病方面作用的探索，并觀察到：（1）sirtuins可以通過(guò)改善心肌能量代謝延緩心血管疾病的發(fā)展；（2）能夠減輕心臟氧化應(yīng)激帶來(lái)的不良反應(yīng)［45-46］（包括ROS 產(chǎn)生增加和抗氧化劑減少）；（3）降低蛋白乙?；?，增強(qiáng)它們與DNA結(jié)合的能力，誘導(dǎo)抗氧化劑基因表達(dá)［47］；（4）可通過(guò)維持轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）信號(hào)通路促進(jìn)心肌組織修復(fù)［48］。sirtuins 雖被觀察到具有調(diào)節(jié)心肌能量代謝的作用，但相關(guān)研究有待進(jìn)一步深入。此外，sirtuins具有多種酶活性，在心臟組織當(dāng)中的表達(dá)也大不相同，為檢測(cè)工作增加了一些復(fù)雜性，但隨著科技的進(jìn)步，這些困難也將迎刃而解。

綜上所述，sirtuins 影響心肌能量代謝的多個(gè)環(huán)節(jié)，維持線粒體系統(tǒng)穩(wěn)定性，并減輕心血管疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中帶來(lái)的其它不良影響，揭示了其家族調(diào)節(jié)心肌能量代謝的潛力。