Sirtuin家族與氧化應(yīng)激損傷

和 斌,胡嘉音,諸 充,楊尚?,閆 薔,康 樂

(1.同濟(jì)大學(xué)附屬楊浦醫(yī)院臨床研究與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心,上海 200090; 2.澳門科技大學(xué)醫(yī)學(xué)院,澳門 999078)

氧化應(yīng)激是一種細(xì)胞生理過程,其特征是細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)與抗氧化物質(zhì)之間的平衡被破壞,導(dǎo)致產(chǎn)生氧化損傷,影響細(xì)胞內(nèi)各種生物學(xué)過程。氧化應(yīng)激與100多種疾病的病理生理有關(guān)[1-3],例如心血管疾病、腎臟疾病、神經(jīng)退行性疾病、黃斑變性、膽道疾病、癌癥及生殖系統(tǒng)疾病(子宮內(nèi)膜異位癥、多囊卵巢綜合征和不明原因的不育癥等)。

沉默信息調(diào)節(jié)因子家族(Sirtuins)是在對酵母細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄沉默研究[4]中發(fā)現(xiàn)的,它們是一類輔酶I(NAD+)依賴的去乙?；?廣泛存在于原核生物和真核生物中且保持高度保守,通常參與與能量代謝、衰老和抗氧化應(yīng)激相關(guān)的生物學(xué)過程[5-6]。在哺乳動物中存在著7種沉默信息調(diào)節(jié)蛋白(Sirt1-7),但它們的細(xì)胞定位、組織分布和生物學(xué)功能不同,根據(jù)其氨基酸序列特征可分為:I類Sirtuins(Sirt1-3)、Ⅱ類Sirtuins(Sirt4)、Ⅲ類Sirtuins(Sirt5)和Ⅳ類Sirtuins(Sirt6-7)。有研究[7]指出Sirt1、Sirt3和Sirt5可保護(hù)細(xì)胞免受ROS 損傷,而Sirt2、Sirt6和Sirt7具有調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激相關(guān)關(guān)鍵基因表達(dá)的作用,而有趣的是Sirt4雖然被證實(shí)可以誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生,但在部分類型的細(xì)胞中具有抗氧化作用。近年來,對Sirtuin家族抗氧化應(yīng)激作用的研究已成為學(xué)界熱點(diǎn),本文對相關(guān)成果進(jìn)行綜述。

1 Sirt1與氧化應(yīng)激

Sirtuin1(Sirt1)是Sirtuin家族I類蛋白去乙酰化酶重要成員之一,其在代謝調(diào)節(jié)、氧化應(yīng)激以及與衰老相關(guān)的生理、病理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。Sirt1也參與了活性氧化合物在體內(nèi)的調(diào)控。因此,調(diào)節(jié)Sirt1水平可能成為對抗活性氧化合物生成的一種策略,同時(shí)也可能成為治療各種病理疾病的新靶點(diǎn)[8]。Sirt1通過NAD+/NADH的氧化還原反應(yīng)來感知細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的變化,進(jìn)而去乙?；骖^框轉(zhuǎn)錄因子O亞族1(FOXO1)和過氧化物酶體增殖物激活受體 γ 共激活因子-1α(PGC-1α),從而增強(qiáng)細(xì)胞活力,參與抗凋亡、抗炎和抗氧化應(yīng)激過程[9-10]。

有研究[11]表明,姜黃素通過抑制FOXO1的乙?；?調(diào)節(jié)Sirt1-FOXO1通路,減輕2型糖尿病引發(fā)的氧化損傷,并保護(hù)心肌細(xì)胞免于凋亡。毛蕊異黃酮苷(calycosin-7-O-β-D-glucoside)作用于腦缺血再灌注的神經(jīng)元細(xì)胞,上調(diào)Sirt1、FOXO1、PGC-1α和Bcl-2的表達(dá),同時(shí)下調(diào)了Bax的表達(dá)這說明毛蕊異黃酮苷可通過Sirt1/FOXO1/PGC-1α信號通路減輕腦缺血再灌注誘導(dǎo)的神經(jīng)元細(xì)胞凋亡和氧化應(yīng)激損傷[12]。此外,Sirt1還可以影響PGC-1α的上游通路。白藜蘆醇是Sirt1的激動劑,可通過激活Sirt1/PGC-1α通路減輕高糖引起的腎小管細(xì)胞線粒體功能障礙,減少氧化應(yīng)激損傷和細(xì)胞凋亡,提示了Sirt1在治療糖尿病性腎病中的潛在作用[13]。核因子E2相關(guān)因子2(Nrf2)是一種多效蛋白,也是重要的抗氧化傳感器,其功能的正常激活對細(xì)胞內(nèi)防御機(jī)制至關(guān)重要。激活的Nrf2與抗氧化防御系統(tǒng)相互作用,促使血紅素加氧酶(HO-1)等基因轉(zhuǎn)錄。有研究[14]顯示,褪黑素通過激活Sirt1和依賴Nrf2的轉(zhuǎn)錄因子在未成熟的大鼠大腦和BV-2細(xì)胞中發(fā)揮抗氧化和抗炎作用,因此,Sirt1/Nrf2信號通路可能成為治療神經(jīng)退行性疾病的新策略。銜接蛋白P66shc有調(diào)控ROS水平、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壽命的功能,有研究[15]顯示,Sirt1在轉(zhuǎn)錄水平上對p66shc的表達(dá)進(jìn)行了負(fù)調(diào)控,即Sirt1與p66shc的啟動子結(jié)合,使其組蛋白H3去乙?；?降低p66shc的轉(zhuǎn)錄,從而介導(dǎo)對氧化應(yīng)激的抑制。本課題組在此前的研究[16]中觀察到在H2O2誘導(dǎo)的人卵巢顆粒細(xì)胞SVOG體外氧化應(yīng)激損傷模型中,Sirt1的表達(dá)降低。而過表達(dá)Sirt1使SVOG細(xì)胞的氧化損傷減輕,P66Shc的表達(dá)也同時(shí)下調(diào)?？傮w而言,已有證據(jù)表明Sirt1通過多種途徑參與細(xì)胞內(nèi)ROS的調(diào)控,后續(xù)更深入的研究有望為相關(guān)疾病的臨床治療提供新的靶點(diǎn)。

2 Sirt2與氧化應(yīng)激

Sirt2在人體中廣泛分布,表達(dá)于包括大腦、腎臟、胰腺、睪丸、肝臟和脂肪組織在內(nèi)的多種組織器官中,它在基因組穩(wěn)定性維持、細(xì)胞分化、細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、衰老、感染、炎癥、氧化應(yīng)激和自噬等生理過程中扮演著重要的角色[17]。Sirt2在哺乳動物細(xì)胞中表現(xiàn)出促進(jìn)抗氧化和抑制ROS的特性[7],在小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(NIH3T3細(xì)胞)中,Sirt2通過催化叉頭轉(zhuǎn)錄因子O亞型3a(FOXO3a)的去乙?；⒓せ詈笳叩陌谢虮磉_(dá)來抵抗氧化應(yīng)激,并減少ROS的產(chǎn)生。此外,Sirt2還通過抑制線粒體自噬和調(diào)節(jié)PGC-1α來增強(qiáng)細(xì)胞抗氧化應(yīng)激能力[18]。還有研究[19]發(fā)現(xiàn),在受到脂多糖或過氧化氫刺激的細(xì)胞中,Sirt2的過表達(dá)能夠降低ROS水平,并增加錳超氧化物歧化酶(MnSOD)、過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等抗氧化酶的表達(dá)。最近的研究[20]發(fā)現(xiàn),使用選擇性Sirt2抑制劑AGK2處理PC12細(xì)胞,可以減弱其NAD+誘導(dǎo)的Nrf2 mRNA和蛋白的表達(dá),同時(shí)伴隨抗氧化能力的減弱。另外,Sirt2還能夠通過調(diào)節(jié)AKT的磷酸化來調(diào)控核內(nèi)Nrf2水平及其下游抗氧化基因的表達(dá)[21]。上述發(fā)現(xiàn)表明Sirt2在調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。

3 Sirt3與氧化應(yīng)激

Sirtuin3(Sirt3)是I類Sirtuins的重要成員之一,其在抗線粒體氧化應(yīng)激中起到的關(guān)鍵作用備受研究者關(guān)注。Sirt3在多種疾病(如癌癥、心臟肥大和代謝綜合征和神經(jīng)退行性疾病等)的氧化應(yīng)激過程中扮演重要角色[22]。有研究[23]發(fā)現(xiàn),敲除Sirt3基因的小鼠高血壓發(fā)生率增加,這與其細(xì)胞線粒體抗氧化劑超氧化物歧化酶2(SOD2)的高乙酰化有關(guān),由此導(dǎo)致的SOD2失活增強(qiáng)了線粒體氧化應(yīng)激;相反,在過表達(dá)Sirt3的小鼠中,上述不良反應(yīng)明顯減少,暗示Sirt3功能降低可能會促進(jìn)高血壓患者的內(nèi)皮功能障礙、血管肥大、血管炎癥和靶器官損傷。還研究[24]表明褪黑素能夠上調(diào)心肌細(xì)胞中Sirt3的表達(dá)和活性,從而減少SOD2的乙酰化,并且褪黑激素還提高了Bcl-2的表達(dá),降低了Bax和Caspase-3的水平,這表明褪黑素可通過激活Sirt3信號通路來抑制氧化應(yīng)激和凋亡,從而保護(hù)心肌細(xì)胞免受損傷。在盲腸結(jié)扎穿刺誘導(dǎo)的小鼠敗血癥模型中,褪黑素通過增加Sirt1和Sirt3的表達(dá)來保護(hù)腸道屏障功能,這過程中也發(fā)生了SOD2的去乙?；突钚陨险{(diào),減少了氧化損傷,從而部分緩解了敗血癥引起的小腸損傷[25]。FOXO3a也是Sirt3的底物蛋白,有研究[26]發(fā)現(xiàn),Sirt3與FOXO3a可以相互作用,Sirt3介導(dǎo)的FOXO3a去乙酰化可引起MnSOD、SOD2等水平上調(diào),降低ROS水平,減輕氧化損傷。還有研究[27]表明,褪黑素通過抑制Sirt3/SOD2-AKT通路誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激,增強(qiáng)了紫草素對癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用。褪黑素-紫草素聯(lián)合治療法可以誘導(dǎo)氧化應(yīng)激,增加各種癌細(xì)胞中線粒體內(nèi)鈣的積累,并降低線粒體膜電位,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。在HeLa細(xì)胞中,褪黑素-紫草素聯(lián)合治療降低了Sirt3/SOD2的表達(dá)和SOD2活性,而Sirt3的過表達(dá)大大降低了藥物誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡?，F(xiàn)有證據(jù)表明Sirt3通過多種途徑參與氧化應(yīng)激的調(diào)控。

4 Sirt4與氧化應(yīng)激

Sirt4在人體各器官中均有分布,尤其在心臟、肝臟、腎臟、脾臟、前列腺、睪丸和卵巢中的表達(dá)水平較高,主要定位于細(xì)胞線粒體基質(zhì)中[28]。有研究[29]表明,Sirt4參與調(diào)節(jié)線粒體內(nèi)腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)的產(chǎn)生,體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和小鼠模型體內(nèi)實(shí)驗(yàn)均顯示Sirt4的缺乏將導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ATP水平降低,而過表達(dá)Sirt4則提高了哺乳動物細(xì)胞中的ATP水平。Sirt4的作用靶點(diǎn)包括線粒體內(nèi)膜上的腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)位酶-2(ANT2),Sirt4通過去乙?；疉NT2促進(jìn)線粒體呼吸與氧化磷酸化的耦合,進(jìn)而促進(jìn)高效的ATP生成。此外,Sirt4的缺乏可能破壞ATP的內(nèi)穩(wěn)態(tài),觸發(fā)逆行信號,即通過AMPK-PGC1α途徑激活線粒體生物發(fā)生和脂肪酸氧化,參與氧化應(yīng)激反應(yīng)。

另一項(xiàng)研究[30]指出,在血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的心肌肥大小鼠模型中,Sirt4的過表達(dá)導(dǎo)致心肌細(xì)胞線粒體中ROS增加,而敲除Sirt4基因的小鼠心肌細(xì)胞線粒體中ROS減少。對大鼠心肌細(xì)胞進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證上述結(jié)果,說明Sirt4可能在一定程度上直接調(diào)控心臟中ROS水平。此外,Sirt4還可以催化Sirt3的乙?；?從而抑制其與SOD的結(jié)合,降低SOD的活性[30]。這些結(jié)果共同表明,Sirt4在氧化應(yīng)激調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。在一項(xiàng)關(guān)于骨關(guān)節(jié)炎的研究[31]中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Sirt4的活性水平與骨關(guān)節(jié)炎的嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān),實(shí)驗(yàn)使用重組人Sirt4蛋白(50 ng·mL-1)刺激軟骨細(xì)胞,增加了抗氧化酶(SOD1、SOD2和CAT等)的表達(dá),從而顯著減少了ROS的積累?？偠灾?上述結(jié)果表明Sirt4在參與氧化應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮了重要的作用,但是Sirt4的抗氧化作用因細(xì)胞類型而異,尚需要更多的研究來確定Sirt4在抗氧化作用及對氧化應(yīng)激相關(guān)疾病中的具體作用及其機(jī)制。

5 Sirt5與氧化應(yīng)激

Sirt5主要定位在線粒體中,在大腦、心臟、肝臟和淋巴細(xì)胞中高度表達(dá),有包括去乙?；⑷ケ彼峄腿ョ晁峄仍趦?nèi)的多重酶活性。Sirt5可催化細(xì)胞色素C的去乙?；?從而在氧化代謝和細(xì)胞凋亡過程中發(fā)揮重要作用[32]。此外,Sirt5還參與細(xì)胞內(nèi)代謝和能量平衡的調(diào)節(jié),包括能量的攝入、儲存和消耗,而這些過程與心臟病的發(fā)生密切相關(guān)。有研究[33]發(fā)現(xiàn),在氧化應(yīng)激狀態(tài)下心肌細(xì)胞中的Sirt5表達(dá)顯著下調(diào),并且,Sirt5還可能通過影響B(tài)cl-xL的表達(dá)水平調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡。因此,Sirt5可能成為治療心臟病的潛在靶點(diǎn)。

有研究[34]發(fā)現(xiàn),Kruppel樣因子6(KLF6)介導(dǎo)的Sirt5/Nrf2/HO-1信號通路能夠緩解腦出血導(dǎo)致的海馬神經(jīng)元細(xì)胞氧化應(yīng)激和神經(jīng)功能障礙,特別是在sh-KLF6(敲低KLF6的表達(dá))的腦出血大鼠模型中,即敲低KLF6的表達(dá)從而增加Sirt5的水平使得SOD和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的酶活性增強(qiáng),進(jìn)一步證明了Sirt5具有顯著的抗氧化應(yīng)激功能。同樣地,在肝臟缺血再灌注損傷的小鼠模型中,研究者[35]發(fā)現(xiàn)過表達(dá)Sirt5可以減輕小鼠的肝臟缺血再灌注損傷;體外實(shí)驗(yàn)中,Sirt5可以通過上調(diào)SOD1和異檸檬酸脫氫酶2(IDH2)的表達(dá)來減輕氧化損傷和炎癥反應(yīng)。最近的研究[36]還發(fā)現(xiàn),Sirt5可以降低細(xì)胞中ROS的水平,減少細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激。因此,Sirt5是細(xì)胞中氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)者之一,但其抗氧化機(jī)制仍需進(jìn)一步的研究闡明。

6 Sirt6與氧化應(yīng)激

Sirt6是Sirtuin家族中的重要成員,是一種NAD+依賴的組蛋白去乙?；负虯DP核糖轉(zhuǎn)移酶[37],其在細(xì)胞衰老、能量代謝、氧化應(yīng)激、炎癥和自噬等多個(gè)生理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[38]。Sirt6可通過AMPK依賴的機(jī)制來發(fā)揮對心臟缺血再灌注損傷的保護(hù)作用,它能夠激活FOXO3并在細(xì)胞核內(nèi)形成Sirt6-FOXO3復(fù)合物,該復(fù)合物可增強(qiáng)FOXO依賴性抗氧化基因(如MnSOD和CAT)的轉(zhuǎn)錄[39]。此外,Sirt6的過表達(dá)可以激活A(yù)MPK通路,進(jìn)而上調(diào)Bcl-2并抑制核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)的活性,降低細(xì)胞內(nèi)ROS水平,從而保護(hù)心肌細(xì)胞免受氧化損傷[40]。GAO等[41]利用心臟特異性敲除Sirt6的小鼠進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在高脂飲食條件下Sirt6的缺失加重了心臟損傷,包括左心室肥大和脂質(zhì)積累,并且進(jìn)一步揭示了Sirt6可通過內(nèi)切核酸酶G(ENDOG)來調(diào)節(jié)SOD2的轉(zhuǎn)錄和表達(dá),從而減輕了高脂飲食引起的心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激。另有研究[42]指出,Sirt6能夠激活Nrf2信號通路,誘導(dǎo)CAT、HO-1和其他抗氧化蛋白的表達(dá),從而保護(hù)近曲小管腎細(xì)胞免受缺血再灌注引起的氧化應(yīng)激損傷。在順鉑誘導(dǎo)的腎毒性小鼠模型中,抗氧化物質(zhì)異葒草苷(Isoorientin)的治療顯著減輕了腎毒性損傷,有研究[43]表明異葒草苷可以上調(diào)Sirt1和Sirt6的水平,同時(shí)激活Nrf2及其下游抗氧化酶(如HO-1等),從而對抗氧化損傷。綜上所述,Sirt6在維持氧化還原平衡中起到重要的作用,有良好的抗氧化功能。

7 Sirt7與氧化應(yīng)激

Sirt7是哺乳動物Sirtuins家族的最后一個(gè)成員,主要在細(xì)胞核作用,因其在基因組穩(wěn)定性維持、DNA損傷修復(fù)、氧化應(yīng)激、代謝穩(wěn)態(tài)、衰老、炎癥和腫瘤發(fā)生等方面的關(guān)鍵作用受到了研究者的廣泛關(guān)注[44]。放射治療通常會引起腸道損傷,損傷的方式包括直接的DNA損傷和ROS超量積累產(chǎn)生的細(xì)胞損傷。Nrf2是已經(jīng)確認(rèn)的防止電離輻射損傷的關(guān)鍵保護(hù)因子,可促進(jìn)DNA損傷修復(fù)和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)抗氧化過程,有研究[45]表明Nrf2的缺乏會加劇細(xì)胞DNA損傷和腸道病理性改變,在敲除Nrf2的腸道細(xì)胞中過表達(dá)Sirt6或Sirt7,能夠細(xì)胞調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激和DNA損傷修復(fù)過程,促進(jìn)增殖并保護(hù)細(xì)胞免受輻射損傷。此外,補(bǔ)充Sirtuins激動劑煙酰胺單核苷酸(NMN)可以增加Nrf2敲除細(xì)胞中Sirt6和Sirt7的水平,同時(shí)降低ROS水平,改善DNA損傷狀況。在小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,長期喂食NMN可以減輕Nrf2-/-小鼠的腸道輻射損傷,促進(jìn)腸道細(xì)胞增殖,并提升其抗氧化能力[45]。此外,褪黑素可以提高Sirt7的表達(dá)水平,通過PI3K/AKT/mTOR通路提升人顆粒細(xì)胞的抗氧化能力和細(xì)胞存活率[46]。盡管關(guān)于Sirt7參與氧化應(yīng)激調(diào)控的研究相對較少,但其在細(xì)胞中的抗氧化作用已毋庸置疑。

8 結(jié)語

氧化應(yīng)激反應(yīng)是細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生與抗氧化防御之間不平衡的結(jié)果,隨著機(jī)體的衰老,這種不平衡逐漸加劇,氧化應(yīng)激反應(yīng)開始影響多種組織的正常功能,這也與多種老年慢性疾病有關(guān),例如糖尿病,心血管、腎、肺和骨骼肌疾病等。上述研究表明Sirtuins家族在哺乳動物細(xì)胞的正常生理過程和氧化應(yīng)激介導(dǎo)的病理過程中都具有極其重要的作用,如能對Sirtuins維持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)的機(jī)制進(jìn)行更為深入的研究,可能使Sirtuins成為臨床相關(guān)疾病的新治療靶點(diǎn),為患者帶來福音。