SIRT6蛋白在肝臟能量穩(wěn)態(tài)中的調(diào)控作用

程義堯 韓小娟 徐文靜

組織或細(xì)胞中的葡萄糖、脂肪酸和氨基酸等能量物質(zhì)一直處于動態(tài)平衡,維系細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài),肝臟是人體最大、最重要的能量代謝器官。隨著生活方式的改善,熱量攝入過多是導(dǎo)致機體能量失衡的重要原因。常表現(xiàn)為肥胖、非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)、非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis,NASH)、胰島素抵抗、T2DM等代謝性疾病。NAFLD目前流行的學(xué)說為“二次打擊”學(xué)說,初次打擊是肝細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)蓄積,為疾病的初始階段,肝內(nèi)脂質(zhì)蓄積過多主要是由于肝臟甘油三酯的來源增多或去路減少,導(dǎo)致代謝紊亂和胰島素抵抗;二次打擊是脂質(zhì)氧化和應(yīng)激,表現(xiàn)為氧化應(yīng)激和炎癥增加[1]。在此條件下,NAFLD易發(fā)展為非酒精性脂肪肝炎,相較于肝臟普通炎癥,NASH更易發(fā)展為肝纖維化甚至肝細(xì)胞癌。

沉默信息調(diào)節(jié)蛋白(silent information regulatory protein, Sirtuin)家族蛋白是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴的去乙?；?具有NAD+依賴性的去乙酰化酶活性及ADP-核糖基轉(zhuǎn)移酶活性等作用[2]。目前,哺乳動物已發(fā)現(xiàn)7種Sirtuin家族蛋白,每種都包含保守的Sirtuin核心結(jié)構(gòu)域,該結(jié)構(gòu)域賦予NAD+依賴性的去乙?；缸饔?。Sirtuin家族在機體的生理和病理過程中均發(fā)揮重要作用。SIRT6首次由人脾cDNA文庫中克隆,位于細(xì)胞核中,具有多種酶活性,包括:NAD+依賴性的去乙?；富钚?、去琥珀?；富钚院腿ゼ谆富钚?。目前SIRT6被研究較深入的功能是其乙酰化酶作用,已鑒定出組蛋白H3的三個賴氨酸位點為SIRT6去乙?；孜?分別為H3K9、H3K18、H3K56位點。此外,SIRT6也能使多種非組蛋白底物去乙?；痆2]。SIRT6與基因組 DNA 的穩(wěn)定性相關(guān),在新陳代謝和衰老過程中起著修復(fù) DNA 的作用[3]。近年來,SIRT6在代謝相關(guān)性疾病,尤其是維持肝臟能量穩(wěn)態(tài)方面的調(diào)控能力越來越受到關(guān)注。

一、SIRT6對糖代謝的影響

SIRT6是葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)因子,主要與葡萄糖攝取、胰島素分泌和敏感性、糖異生有關(guān)。在以往研究中,SIRT6基因敲除小鼠在早期即出現(xiàn)致命性低血糖,SIRT6缺乏導(dǎo)致葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-1(glucose transporter type-1,GLUT1)、胰島素受體底物1/2和胰島素受體表達也有所增加,從而激活A(yù)KT信號通路,組織葡萄糖的攝取增加,發(fā)生低血糖狀態(tài)[4-6]。在喂養(yǎng)小鼠時升高血糖即可增加突變小鼠的存活率[7]。胰腺β細(xì)胞的葡萄糖傳感能力由循環(huán)中葡萄糖濃度變化而激活。SIRT6通過去乙酰化插頭框蛋白-1(forkhead box O1,FoXO1),增加胰島素促進因子-1、GlUT2的表達,維持胰腺β細(xì)胞的葡萄糖傳感能力和系統(tǒng)糖耐量[8]。SIRT6可能通過維持線粒體功能和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+動態(tài)來調(diào)節(jié)胰島素分泌[9],但胰腺β細(xì)胞若長期暴露于游離脂肪酸較高的環(huán)境中,會導(dǎo)致β細(xì)胞功能障礙或致細(xì)胞凋亡[10]。SIRT6對棕櫚酸誘導(dǎo)下的胰腺β細(xì)胞功能及存活也具有一定保護作用[11]。

β細(xì)胞功能障礙是T2DM病理生理學(xué)的重要原因[4]。SIRT6具有促進胰腺胰島素分泌、抑制肝糖異生和甘油三酯合成以及緩解肥胖的功能。在使用一些胰島素增敏劑(RGZ)時,SIRT6通過參與RGZ介導(dǎo)的代謝作用,對肝細(xì)胞脂肪變性具有一定保護作用[9],而SIRT6的抑制劑可增加和骨骼肌中GLUT-1/4的表達改善2型糖尿病模型小鼠的糖耐量異常[12]。而過表達SIRT6后,高糖誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和氧化應(yīng)激通過激活A(yù)MPK途徑得到緩解[13]。SIRT6還具有抑制肝臟糖異生作用,糖異生作為非糖物質(zhì)的轉(zhuǎn)換,在肝臟中是甘油、丙酮酸等糖異生前體的一種代謝途徑。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)是糖異生過程中重要的兩種限速酶。FoxO1是G6Pase和PEPCK的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子,在細(xì)胞核中作用于PEPCK和G6Pase的啟動子,從而加強轉(zhuǎn)錄過程,加速肝臟中葡萄糖的生成[14]。SIRT6肝臟特異性敲除小鼠顯示過氧化物酶增殖物激活受體γ輔助活化因子-1(PGC1)和FoxO1被過度激活,糖異生減少[15]。PGC1與線粒體發(fā)生密切相關(guān),并能與多種核受體及轉(zhuǎn)錄因子相互作用,調(diào)控糖代謝穩(wěn)態(tài)。P53作為一種腫瘤抑制因子,通過激活FoxO1促進其自細(xì)胞核轉(zhuǎn)位至細(xì)胞質(zhì),從而影響PEPCK和G6Pase的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)FoxO1 與SIRT6相互作用時,利用SIRT6的去乙?；饔脼镕oxO1出核鋪墊。P53激活后SIRT6表達增加,進而導(dǎo)致SIRT6與FoxO1的相互作用增加,FoxO1易位后,PEPCK和G6Pase表達下降,從而抑制肝臟糖異生[16]。

二、SIRT6在脂肪酸代謝中的作用

SIRT6肝臟特異性敲除小鼠肝臟中脂質(zhì)蓄積增多,肝臟脂肪變性增加,表現(xiàn)為脂肪酸攝入增加,甘油三酯合成增加,肝內(nèi)甘油三脂、膽固醇水平顯著升高;脂肪酸β氧化減少,促進脂肪肝形成。SIRT6脂肪組織特異性敲除導(dǎo)致高脂飲食誘導(dǎo)下胰島素抵抗,肥胖敏感[17]。

脂肪酸脂解作為肝臟脂肪細(xì)胞的甘油三酯的一條去路,脂解減少可導(dǎo)致甘油三酯在肝臟脂肪細(xì)胞中蓄積。SIRT6通過對脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)的表達調(diào)控以及磷酸化激素敏感性甘油三酯脂肪酶(HSL)和脂滴包被蛋白-1(Perilipin-1)調(diào)控脂解。在過表達SIRT6的脂肪細(xì)胞中,ATGL的蛋白水平以及HSL和Plin-1的磷酸化水平較高,減少了甘油三酯在肝臟脂肪細(xì)胞中的蓄積。上述機制可能SIRT6 乙?；疐oxO1來抑制其對ATGL基因啟動子的占據(jù),從而達到調(diào)控脂解的作用。SIRT6的敲除促進了FoxO1的核輸出及其細(xì)胞質(zhì)積累,FoxO1轉(zhuǎn)錄活性降低[18]。

(一)SIRT6增強脂肪酸β氧化 β氧化即脂肪酸經(jīng)活化后轉(zhuǎn)移入線粒體生成乙酰CoA,后乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)徹底氧化,釋放大量ATP,是脂肪酸分解的關(guān)鍵步驟。SIRT6雜合子小鼠的基因表達分析可發(fā)現(xiàn)過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptors α,PPARα)信號通路顯著降低,該信號通路調(diào)節(jié)多種能量代謝途徑,PPARα可通過上調(diào)肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶-1和中鏈酰基輔酶A脫氫酶,增強肝臟脂肪酸β氧化。SIRT6不能使PPARα直接去乙酰化,而是通過對PPARα的共激活因子NCOA2 K780去乙?；?從而導(dǎo)致PPRE染色質(zhì)的組蛋白乙酰化轉(zhuǎn)移酶乙?；黾?進而激活PPARα依賴的信號[19]。同時,上文中提到SIRT6敲除小鼠中 PGC1a 活性的增加,PGC1α 是 PPARα 的主要激活劑,PPARα通過調(diào)控靶基因消耗能量,表現(xiàn)為脂肪酸氧化增加,甘油三酯合成下降,HDL升高,LDL下降。目前,對SIRT6和PPARα的相互作用途徑尚不完全清楚,但可以確定二者均位于脂質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)的中心,共同調(diào)節(jié)脂肪酸代謝[15]。

(二)SIRT6抑制肝臟脂質(zhì)生成 固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1(SREBP1)、肝臟X受體α(LXRα)是肝臟促進脂肪生成中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子[20]。在高脂高糖膽固醇飲食下的SIRT6肝臟特異性敲除小鼠模型,肝臟中SREBP1-c1的蛋白水平顯著升高。SIRT6敲除肝細(xì)胞中的pSREBP1(SREBP1前體)、mSREBP1(SREBP1成熟體)、LXRα/β和SREBP1靶基因lipin 1、SCD1和ELOVL5表達水平增加[21]。上述基因表達增加均可導(dǎo)致脂肪酸合成增加,促進肝臟脂質(zhì)蓄積。

在SIRT6特異性敲除的小鼠肝原代細(xì)胞中,甘油三酯含量明顯增加,SIRT6過表達小鼠高脂飲食條件,肝臟游離脂肪酸和甘油三酯顯著增高,參與甘油三酯合成的關(guān)鍵基因,同時也是PPARγ的靶基因甘油?；D(zhuǎn)移酶(diacylglycerolacyltransferase,DGAT1)表達明顯下降。肥胖與超重情況下,皮下脂肪組織中DGAT1減少,而肥胖中DGAT1水平的下降也可導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。缺乏SIRT6,脂肪組織特異性敲除SIRT6,會引起DGAT1表達的增加,促進小鼠高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖引起炎癥反應(yīng)的發(fā)生并降低胰島素敏感性[22],更易形成脂肪肝。

三、SIRT6缺乏影響肝臟酮生成

酮體是脂肪酸氧化代謝過程中的中間代謝產(chǎn)物,包括乙酰乙酸、β羥丁酸和丙酮。通常酮體在肝臟內(nèi)生成,后運出肝臟在其他組織被利用。酮生成由肝臟脂質(zhì)代謝信號網(wǎng)絡(luò)控制。生酮飲食下,肝細(xì)胞特異性SIRT6敲除小鼠酮生成受損,而小鼠原代肝細(xì)胞中SIRT6的過度表達促進了酮生成。SIRT6通過影響線粒體利用脂肪酸底物從而影響酮生成。脂肪特異性蛋白-27(fat-specific protein 27,Fsp27)是一種脂質(zhì)包被蛋白,通過限制脂質(zhì)的利用,起到脂肪酸氧化的屏障作用。而脂解抑制劑 G0/G1 開關(guān)基因-2(G0S2)蛋白主要功能是直接與脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)結(jié)合,從而抑制ATGL脂肪水解,促進脂質(zhì)聚集。Fsp27和G0S2是Crebh(反應(yīng)元件結(jié)合蛋白H)的直接靶基因。在高酮飲食下,SIRT6缺乏引起Fsp27表達增加,其機制可能是SIRT6與Crebh競爭性搶占Fsp27啟動子,抑制Fsp27和G0s2的表達,從而影響肝臟酮生成[23]。

四、SIRT6缺乏增加蛋白質(zhì)合成

在長期高熱量進食條件下,蛋白質(zhì)合成的增加會引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,進一步引起VLDL受體上調(diào)、介導(dǎo)脂質(zhì)攝取,從而導(dǎo)致肝臟脂肪變性。SIRT6基因敲除小鼠中,肝細(xì)胞脂肪變性,未折疊蛋白反應(yīng)上調(diào)[24]。X框結(jié)合蛋白(Xbp1)是一種轉(zhuǎn)錄因子,可增加內(nèi)質(zhì)網(wǎng)生物發(fā)生以及蛋白質(zhì)分泌的特定基因和相關(guān)分子伴侶的表達。SIRT6直接介導(dǎo)XBP1s去乙?；?使XBP1在Lys65、Lys146、Lys257和Lys297位點去乙?；?并依賴其去乙?；钚?導(dǎo)致XBP1的蛋白酶體降解。NAFLD患者相較于健康受試者,肝組織中XBP1s的總水平和乙?；矫黠@高于健康對照組,而SIRT6蛋白水平在NAFLD患者中降低,也支持SIRT6 表達的降低和乙酰化的一致性[25]。

而在Ravi等[26]的實驗中發(fā)現(xiàn)SIRT6可在不依賴其催化活性的情況下調(diào)控蛋白質(zhì)合成。mTOR是細(xì)胞中有關(guān)蛋白質(zhì)合成的重要調(diào)控因子,在一定條件下,mTORC1復(fù)合物由上游激活因子Rheb激活,通過其下游靶蛋白p70核糖體S6激酶和真核起始因子eIF4E結(jié)合蛋白4EBP的磷酸化來正向調(diào)控帽依賴翻譯及EJC相關(guān)的翻譯。在SIRT6缺陷細(xì)胞中,mTOR和Rheb水平增加,mTOR信號通路被異常激活。SIRT6促進細(xì)胞中mTOR和Rheb與溶酶體共定位,可提高mTORC1活性[27],過表達SIRT6則會抑制蛋白質(zhì)的合成,而SIRT6的缺乏會使總體蛋白質(zhì)合成上調(diào)。同時,SIRT6與構(gòu)成性轉(zhuǎn)錄因子-1(Sp1)DNA結(jié)合區(qū)域的鋅指結(jié)構(gòu)結(jié)合后,不需要依賴其去乙?；富钚?調(diào)節(jié)Sp1在mTOR信號基因啟動子上的占位,從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性,蛋白質(zhì)翻譯也可被過度激活。

五、SIRT6緩解氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是體內(nèi)氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態(tài),導(dǎo)致中性粒細(xì)胞炎性浸潤,蛋白酶分泌增加,產(chǎn)生大量氧化中間產(chǎn)物,包括ROSs、O2-、·OH和H2O2等。機體清除活性氧及親電子體主要依靠Nrf2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,核紅細(xì)胞-2相關(guān)因子-2),Nrf2最主要的功能是調(diào)節(jié)氧化還原循環(huán),維持氧化還原穩(wěn)態(tài),主要通過合成或調(diào)節(jié)谷胱甘肽和巰基特異性抗氧化蛋白。

SIRT6依賴其去乙?；富钚栽贜rf2-ARE信號通路激活中發(fā)揮作用,SIRT6促進Nrf2與其抑制蛋白解離,核轉(zhuǎn)位增加,增強下游靶基因的調(diào)控。SIRT6介導(dǎo)的 Nrf2激活可保護間充質(zhì)干細(xì)胞免受 ROS 的損傷[28]。Nrf2下游靶基因血紅蛋白氧合酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)是抗氧化酶,生理情況下,HO-1基因表達水平較低,氧化應(yīng)激情況下,HO-1基因快速激活,但在SIRT6缺失情況下,即使氧化應(yīng)激刺激HO-1基因也不能被激活,提示SIRT6的單ADP-核糖基化活性對于HO-1的激活是至關(guān)重要的,SIRT6通過調(diào)控募集到Nrf2調(diào)控的HO-1基因啟動子區(qū)域來保護細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷,這為SIRT6參與抗氧化應(yīng)激提供了新的機制。

肝臟抗氧化應(yīng)激基因Mt1過表達可改善SIRT6缺陷小鼠乙醇誘導(dǎo)的肝臟損傷和酒精性脂肪肝, Mt1過表達后,肝臟內(nèi)H2O2含量降低,谷胱甘肽水平增高、抗氧化基因的表達增高,說明Mt1在一定程度上緩解肝臟氧化應(yīng)激[29]。肝細(xì)胞特異性SIRT6敲除小鼠高脂高糖飲食16周后,小鼠肝纖維化和氧化應(yīng)激及相關(guān)基因表達都有明顯上升[30]。以上研究結(jié)果均提示SIRT6在緩解氧化應(yīng)激中起重要的調(diào)控作用。

展望

已有的研究結(jié)果證實 SIRT6 作為一種組蛋白去乙?；?在肝臟能量穩(wěn)態(tài)中的多個環(huán)節(jié)發(fā)揮重要調(diào)控作用,主要功能體現(xiàn)在對糖代謝、脂質(zhì)代謝和蛋白質(zhì)代謝的調(diào)控,見圖1。各種原因的SIRT6 功能紊亂,均可引起或加重疾病的發(fā)生發(fā)展,如在肝臟,可引起NAFLD,大量肝細(xì)胞反復(fù)脂肪變性和水腫,病情進一步進展則可能出現(xiàn)肝細(xì)胞壞死、星狀細(xì)胞激活、炎癥通路激活發(fā)展為NASH,部分患者甚至進展為肝硬化、肝癌。同時,SIRT6 也通過不同的信號通路在肝臟炎癥、肝纖維化過程發(fā)揮保護作用。雖然還需要基礎(chǔ)實驗和臨床研究取得更詳實確切的結(jié)果,但SIRT6可通過維持肝臟能量穩(wěn)態(tài)和緩解氧化應(yīng)激,為SIRT6激動劑研發(fā),為NAFLD和NASH治療靶點的研究提供新思路、新靶點。

利益沖突聲明:所有作者均聲明不存在利益沖突。