應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白sestrin 3在疾病中的作用*

李彩莉， 潘燕飛， 陶品月， 潘曉， 歐陽子瑤， 樊德凈， 潘琪妮， 黃惠橋

（廣西醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，廣西 南寧 530007）

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin， mTOR）是細(xì)胞功能的中心調(diào)節(jié)因子，通過mTOR復(fù)合物1（mTOR complex 1， mTORC1）和mTORC2在細(xì)胞運(yùn)動、增殖與存活、基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成、自噬等不同的細(xì)胞基本過程中發(fā)揮重要作用［1-2］?；钚匝酰╮eactive oxygen species， ROS）的長期積累會擾亂自由基產(chǎn)生與內(nèi)源性抗氧化酶清除自由基之間的微妙平衡，導(dǎo)致氧化應(yīng)激［3］。ROS積累和mTOR信號通路失調(diào)發(fā)生在廣泛的疾病中，包括腫瘤、糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)和精神疾病、衰老等。sestrin （Sesn）是高度保守的應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白，有2個主要的生物學(xué)功能：（1）作為抗氧化劑減少ROS的積累；（2）作為mTORC1靶標(biāo)的抑制劑［4-5］。以往研究表明，Sesn3具有激活A(yù)MP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase， AMPK）、活化mTORC2、抑制ROS積累和mTORC1靶標(biāo)等多種功能，使Sesn3成為許多病理生理過程潛在調(diào)控因子［6-7］。本文就Sesn3在心血管疾病、脂肪性肝病、糖尿病、惡性腫瘤和癲癇中的作用做一綜述，為今后Sesn3作為疾病治療靶點(diǎn)提供一個可能方向。

1 Sesn3背景

Sesn是在動物中普遍存在的進(jìn)化上高度保守的應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白家族，其通過響應(yīng)不同內(nèi)、外部環(huán)境壓力執(zhí)行各種生物學(xué)功能，保護(hù)生物體免受各種有害刺激，包括DNA損傷、氧化應(yīng)激、饑餓、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和缺氧等［8-9］。無脊椎動物表達(dá)一個Sesn直系同源物，如秀麗隱桿線蟲和果蠅（分別為cSesn和dSesn）；而哺乳動物表達(dá)3個Sesn旁系同源物，分別為Sesn1、Sesn2和Sesn3［5］。Sesn1（或PA26）通過使用四環(huán)素調(diào)控的方法激活p53，在人骨肉瘤細(xì)胞系中被鑒定出來［10］。Sesn2（或HI95）在人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞系缺氧篩選微陣列中檢測到［11］。Sesn3是對PA26基因結(jié)構(gòu)的分析中鑒定出的一種新PA26相關(guān)基因家族［12］。據(jù)預(yù)測，Sesn家族成員都是α螺旋區(qū)域組成的球狀結(jié)構(gòu)域蛋白，其緊密結(jié)構(gòu)相似性表明伴隨的功能相似性［11］。X射線晶體學(xué)測定人SESN2結(jié)構(gòu)表明［13］，Sesn2包含兩個結(jié)構(gòu)相似的子結(jié)構(gòu)域Sesn-A和Sesn-C，通過螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域（Sesn-B）連接；Sesn-A起到烷基過氧化氫還原酶的作用，而Sesn-C則起到mTORC1抑制作用。但迄今為止Sesn1和Sesn3結(jié)構(gòu)特征仍有待進(jìn)一步研究。

Sesn是在成人中普遍表達(dá)的蛋白質(zhì)［12］，不同Sesn基因表達(dá)水平存在組織特異性差異。Sesn3作為Sesn家族的一員，在大腦、腎臟、小腸、結(jié)腸、胎盤和骨骼肌中表達(dá)較高［12］。Sesn3基因位于人染色體11q21上，編碼一個由492個氨基酸組成的蛋白質(zhì)，其產(chǎn)生兩種選擇性剪接變體分別編碼分子量為44 kD （Sesn3S）和53 kD （Sesn3L）的蛋白［6］。不同于Sesn1和Sesn2受腫瘤抑制蛋白p53調(diào)節(jié)，Sesn3主要由叉頭框蛋白O（forkhead box protein O， FoxO）激活。激活的FoxO可特異性提高Sesn3的表達(dá)［14］。FoxO1與Sesn3第一內(nèi)含子內(nèi)的250 bp區(qū)域結(jié)合，轉(zhuǎn)錄上調(diào)Sesn3 mRNA的表達(dá)，提高AMPK活性，以TSC2依賴的方式抑制mTORC1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)自噬、葡萄糖和脂質(zhì)代謝［6］。Sesn3還可通過Rictor （rapamycin-insensitive companion of mTOR）與mTORC2交互，直接激活mTORC2-Akt信號通路，在胰島素敏感性和葡萄糖穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮有益作用，且獨(dú)立于mTORC1-S6K反饋調(diào)節(jié)［15-16］。ROS的積累會導(dǎo)致細(xì)胞對脂質(zhì)、核酸、蛋白質(zhì)的氧化損傷，與各種病理因素密切相關(guān)［17］。Sesns在氧化應(yīng)激下被p53、Nrf2、FoxO等轉(zhuǎn)錄因子激活，通過自噬的AMPK-mTORC1信號傳導(dǎo)途徑及mTORC1的負(fù)反饋來促進(jìn)氧化還原穩(wěn)態(tài)，抑制ROS的形成［18］。據(jù)報道，Sesn N端的一個保守區(qū)域與結(jié)核分枝桿菌烷基過氧化氫還原酶D（alkyl hydroperoxide reductase， AhpD）蛋白具有序列和結(jié)構(gòu)同源性，該同源性跨越了Sesn保守區(qū)域的至少5個N端螺旋結(jié)構(gòu)域和AhpD的C端螺旋結(jié)構(gòu)域［4］。AhpD是一種參與抗氧化防御的過氧化物酶，可以催化AhpC的再還原，直接或間接清除過量ROS［19］。Sesn3與AhpD的同源性及ROS穩(wěn)態(tài)的間接調(diào)控表明，其通過發(fā)揮氧化還原酶活性及激活抗氧化信號通路來降低細(xì)胞內(nèi)的ROS水平。Sesn3作為一種多功能蛋白，通過不同機(jī)制參與生理病理狀態(tài)下細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的維持，在疾病中發(fā)揮重要作用。

2 Sesn3在疾病中的作用

2.1 Sesn3與心血管疾病 心血管疾病包括冠心病、心房顫動、高血壓等，目前仍是全球死亡的主要原因［20］，動脈粥樣硬化是其最常見的病理基礎(chǔ)。動脈粥樣硬化已知的主要危險因素，如血脂異常、糖尿病、高血壓都與氧化應(yīng)激有關(guān)，氧化應(yīng)激的特征是氧化劑和抗氧化系統(tǒng)之間的不平衡，導(dǎo)致ROS增加［21］。過量產(chǎn)生的ROS影響脂質(zhì)/DNA的氧化修飾、內(nèi)皮功能障礙和炎癥，從而成為促動脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展的主要危險因素［22］。Sesn3具有抗氧化特性，能夠抑制ROS水平發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用保護(hù)心血管疾病。

歐洲動脈粥樣硬化炎癥和血管壁重塑-血管內(nèi)超聲（ATHEROREMO-IVUS）合作項目對斑塊形態(tài)進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)研究，發(fā)現(xiàn)IVUS衍生的易損斑塊指標(biāo)與斑塊內(nèi)或附近8個不同基因中的12個單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphisms， SNPs）之間有很強(qiáng)的相關(guān)性；進(jìn)一步分析顯示有兩個SNPs與冠狀動脈疾病/心肌梗死之間顯著關(guān)聯(lián)，這兩個SNPs編碼兩個基因，Sesn3是其中之一［23］，表明Sesn3與動脈粥樣硬化的發(fā)展有一定的關(guān)聯(lián)。據(jù)Dong等［24］報道，永久性心房顫動患者心房內(nèi)Sesn3蛋白在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中廣泛可見，其表達(dá)水平顯著高于竇性心律患者；Sesn3過表達(dá)顯著降低了HL-1起搏細(xì)胞ROS的產(chǎn)生，提高細(xì)胞存活率，而Sesn3敲低增加了ROS積累，表明Sesn3被誘導(dǎo)發(fā)揮抗氧化應(yīng)激并在房顫中提供保護(hù)。在冠狀動脈疾病患者中，其血漿Sesn3的水平升高，且與丙二醛的水平及Gensini評分呈正相關(guān)［25］。Sesn3水平亦在高血壓患者血漿中升高，與血壓值呈正相關(guān)，與經(jīng)動脈粥樣硬化斑塊的存在呈負(fù)相關(guān)［26］，表明Sesn3可能有助于預(yù)防和延緩動脈粥樣硬化的發(fā)展。因此，Sesn3水平可能通過響應(yīng)氧化應(yīng)激而增加，并充當(dāng)抗氧化劑保護(hù)器官組織免受損害。此外，與Sesn3同源的Sesn2促進(jìn)p62依賴性自噬，上調(diào)Keap1/Nrf2信號通路，抑制ROS產(chǎn)生，從而保護(hù)內(nèi)皮祖細(xì)胞免受血管緊張素II的影響［27］?？傊?，Sesn3可能基于結(jié)核分枝桿菌AhpD蛋白與Sesn家族序列和結(jié)構(gòu)的同源性，直接發(fā)揮抗氧化酶活性和調(diào)節(jié)抗氧化信號傳導(dǎo)來調(diào)節(jié)氧化還原平衡，在心血管疾病中發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用，但其確切的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

2.2 Sesn3與脂肪性肝病 脂肪肝是一種常見的肝臟病理變化，由各種原因?qū)е赂渭?xì)胞中脂肪過度堆積的病變，分為酒精性肝病和非酒精性脂肪性肝?。╪onalcoholic fatty liver disease， NAFLD），二者均是慢性肝炎和肝硬化的主要原因，其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，肝臟脂質(zhì)的積累、纖維化起了重要作用［28-29］。脂肪肝特別是NAFLD已成為一種流行的慢性肝病，因此確定新的靶點(diǎn)對于脂肪肝的早期干預(yù)和治療至關(guān)重要。已有證據(jù)表明Sesn3能夠減輕肝臟炎癥、纖維化和損傷［30-31］，在肝臟疾病中起到保護(hù)因子的作用。

非酒精性脂肪性肝炎（nonalcoholic steatohepatitis， NASH）是NAFLD更嚴(yán)重的形式，也更容易發(fā)展為肝硬化和肝癌［32］。已有文獻(xiàn)報道TGFβ-Smad3信號通路的激活在促進(jìn)肝纖維化的發(fā)生發(fā)展中具有至關(guān)重要的作用［33］。Huang等［31］報道，Sesn3在NASH患者肝臟中表達(dá)降低，且隨著肝纖維化程度加重而降低。Sesn3敲除小鼠和野生型小鼠相比，在高脂飲食喂養(yǎng)中表現(xiàn)出了嚴(yán)重的肝脂肪病變，肝臟/血清甘油三酯和膽固醇水平顯著升高，肝纖維化加劇。人肝星狀細(xì)胞Sesn3過表達(dá)使TGFβ刺激的Smad3磷酸化降低了75%，抑制纖維化基因Acta2、Col1a1、Col3a1和Timp1表達(dá)，且TGFβ缺失幾乎沒有核Smad3，表明Sesn3抑制TGFβ-Smad3途徑阻斷了纖維化［31］。此外，免疫共沉淀顯示Sesn3與Smad7相互作用并抑制TGFβ受體［31］。Sesn3對TGFβ-Smad3信號傳導(dǎo)表現(xiàn)出雙重抑制，提供了一種針對肝纖維化的新型調(diào)節(jié)機(jī)制。Sesn2被報道可部分通過激活A(yù)MPK及抑制ROS產(chǎn)生，拮抗TGFβ-Smad信號通路［34］，提示Sesn3存在類似作用機(jī)制。在小鼠酒精性肝損傷中，Sesn3過表達(dá)消除酒精對AMPK磷酸化的影響，抑制mTOR主要下游靶標(biāo)p70 S6激酶磷酸化，增加自噬標(biāo)志物L(fēng)C3-II水平，減輕肝脂肪變性［30］。Sesn1/2/3不僅能與JNK2直接通過蛋白與蛋白相互作用抑制JNK磷酸化和活性，還可以通過抑制MKK7對JNK磷酸化來抑制JNK信號通路，保護(hù)肝臟免受脂毒性相關(guān)的氧化應(yīng)激［35］。由此可見，Sesn3調(diào)節(jié)AMPK/mTOR、TGFβ-Smad3及JNK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在脂肪性肝病中發(fā)揮有益作用。

2.3 Sesn3與糖尿病 2型糖尿病是一種代謝性慢性疾病，胰島素抵抗和胰島素分泌損傷是其病理生理學(xué)關(guān)鍵因素［36］。胰島素抵抗是胰島素敏感性降低和（或）胰島素反應(yīng)性下降的狀態(tài)，當(dāng)組織對胰島素不敏感伴胰腺胰島素分泌不足時，會發(fā)生2型糖尿病［37］。AMPK和mTORC1在能量和營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用，AMPK激活能促進(jìn)β細(xì)胞的存活，并抑制胰島素抵抗，還能促進(jìn)葡萄糖代謝和攝取，有助于維持機(jī)體葡萄糖穩(wěn)態(tài)［38］。已有證據(jù)顯示，Sesn3可通過激活A(yù)MPK和mTORC2以及抑制mTORC1在代謝控制和葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用［15-16］，從而在糖尿病中發(fā)揮有益作用。

據(jù)一項研究分析顯示，受試對象血清Sesn3的mRNA表達(dá)與空腹血糖、餐后血糖及糖化血紅蛋白水平和HOMA-IR呈負(fù)相關(guān)，提示Sesn3與胰島素敏感程度有關(guān)［39］。Sesn3在糖尿病小鼠血清中顯著降低，全身Sesn3敲除小鼠加重高脂飲食誘導(dǎo)的血脂異常和葡萄糖耐受不良［16，40］。Sesn3與Rictor（mTORC2的特定成分）結(jié)合高于與Raptor （regulatory-associated protein of mTOR； mTORC1關(guān)鍵成分）的結(jié)合［16］。C2C12成肌細(xì)胞Sesn3過表達(dá)增強(qiáng)了Rictor與mTOR的結(jié)合，同時降低Raptor與mTOR的關(guān)聯(lián)，提升mTOR的S2481位點(diǎn)及蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/AKT）的S473位點(diǎn)磷酸化水平，提示Sesn3促進(jìn)mTORC2的活性，激活A(yù)KT［16］。Rictor-siRNA減弱了Sesn3的上述作用，同時降低pAS160-Thr642蛋白與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4表達(dá)，削弱SESN3促成肌細(xì)胞攝取葡萄糖作用，表明Sesn3通過mTORC2/AKT信號通路調(diào)節(jié)糖代謝［16］。此外，AMPK活性降低會負(fù)性調(diào)控胰島素信號傳導(dǎo)，同時增加mTORC1活性，促進(jìn)胰島素抵抗［41］。Sesn2基因敲除小鼠、Sesn3基因敲除小鼠和dSesn-null蒼蠅均容易發(fā)生胰島素抵抗及隨后的血糖穩(wěn)態(tài)失調(diào)［42］。Sesn2被證明提高AMPK活性來負(fù)調(diào)節(jié)mTORC1-S6K軸，還能直接與GATOR2蛋白相互作用活化mTORC2，激活A(yù)KT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)維持肝胰島素敏感性［42-43］。Sesn3和Sesn1/2一樣，能提高AMPK活性［6］。此外，Sesn3受到FoxO轉(zhuǎn)錄上調(diào)被證明可引起AMPK/TSC1/2軸激活，從而抑制mTORC1活性［6］，參與調(diào)節(jié)肝胰島素敏感性和葡萄糖代謝。

2.4 Sesn3與惡性腫瘤 惡性腫瘤作為一種嚴(yán)重威脅人類健康的疾病，因機(jī)體細(xì)胞失去正常調(diào)控，過度增殖而引起［44］。其疾病機(jī)制復(fù)雜，Sesn3通過降低癌腫瘤細(xì)胞的生長、增殖、轉(zhuǎn)移參與惡性腫瘤抑制，但Sesn3在腫瘤疾病中的作用似乎是有矛盾的。Liu等［45］研究發(fā)現(xiàn)，Sesn3敲除小鼠在致癌物質(zhì)和高脂飲食聯(lián)合喂養(yǎng)后，肝總腫瘤計數(shù)和腫瘤體積均顯著增加；且相較于野生型小鼠未觀察到肝腫瘤轉(zhuǎn)移，30%的Sesn3敲除小鼠出現(xiàn)肝腫瘤轉(zhuǎn)移，表明Sesn3具有抑制肝腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移的作用。Gli2具有致癌作用，是Hedgehog信號通路的核心組成部分之一，Sesn3表達(dá)上調(diào)阻斷了Gli2核易位，提示Sesn3可通過調(diào)控Hedgehog信號通路的傳導(dǎo)，成為肝細(xì)胞癌的腫瘤抑制因子［45］。據(jù)報道，mTORC1的慢性激活與各種代謝性疾病的風(fēng)險增加有關(guān)，Sesn2通過激活A(yù)MPK，抑制mTORC1的活性來減弱子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞增殖和遷移，發(fā)揮抗癌作用［46］。Sesn3的表達(dá)隨著子宮內(nèi)膜樣腺癌的發(fā)展而下降，且Sesn3陰性死亡病例生存時間短與Sesn3陽性［47］，提示Sesn3發(fā)揮抑癌基因的作用，可能與Sesn3的轉(zhuǎn)錄激活是抑制mTORC1慢性激活的負(fù)反饋機(jī)制之一有關(guān)。然而，有研究提出了Sesn3在腫瘤發(fā)展的相反作用，即發(fā)揮癌基因的作用。在食管鱗狀細(xì)胞癌（esophageal squamous cell carcinoma， ESCC）中，lncRNA SNHG22敲低抑制的ESCC細(xì)胞增殖被Sesn3過表達(dá)抵消［48］，表明Sesn3在ESCC中的致癌作用。此外，Sesn3的同源家族Sesn2也被證明具有癌基因作用，能促進(jìn)肺癌、胰腺癌等惡性腫瘤的發(fā)展［49］?？偠灾?，Sesn3調(diào)節(jié)癌癥中的功能是雙向的，其機(jī)制需要進(jìn)一步探索和驗(yàn)證。

2.5 Sesn3與癲癇 癲癇是一種嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，是由不同病因?qū)е履X部神經(jīng)元高度同步化異常放電所致，神經(jīng)退行性蛋白的積累、細(xì)胞炎癥因子的釋放（如TNF-α和IL-1β）、神經(jīng)元電壓和配體門控離子通道的變化、神經(jīng)遞質(zhì)的釋放等參與癲癇發(fā)生的過程［50］。目前針對Sesn3在癲癇中的研究似乎也是存在矛盾的。Johnson等［51］發(fā)現(xiàn)，Sesn3在顳葉癲癇患者海馬體中高表達(dá)，與Module-1（含炎癥基因如與癲癇相關(guān)的IL-1和TLR信號通路）表達(dá)呈正相關(guān)；Sesn3敲除后減弱化學(xué)誘導(dǎo)的斑馬魚癲癇發(fā)作及c-Fos蛋白和Module-1表達(dá)；Sesn3過表達(dá)致海馬神經(jīng)元中Module-1基因上調(diào)，特別是促炎基因的上調(diào)，從而誘導(dǎo)神經(jīng)元興奮性變化，提示Sesn3對癲癇中促驚厥轉(zhuǎn)錄程序的遺傳調(diào)控。同樣，Shi等［52］也發(fā)現(xiàn)Sesn3表達(dá)的上調(diào)通過下調(diào)Kv4.2介導(dǎo)的IA電流在糖尿病動物的海馬興奮過度中起重要作用，并促進(jìn)缺血后癲癇的發(fā)生。有證據(jù)表明，mTOR失調(diào)可能通過調(diào)節(jié)Kv4.2介導(dǎo)的IA電流致復(fù)發(fā)性癲癇發(fā)作［53］，提示Sesn3可能通過調(diào)節(jié)mTOR通路在癲癇發(fā)展中起作用。前兩項研究表明了Sesn3可能作為調(diào)節(jié)腦炎癥和中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性的靶點(diǎn)，影響癲癇的基因網(wǎng)絡(luò)成為更加有效的治療方法。然而Huang等［54］的研究顯示，沉默rno-miR-155可以抑制癲癇的相關(guān)病理特征，Sesn3是rno-miR-155的靶基因，rno-miR-155拮抗劑促進(jìn)Sesn3表達(dá)，從而間接減少氧化應(yīng)激，保護(hù)大腦免受癲癇發(fā)生相關(guān)的損傷。雖然Sesn3在癲癇的作用機(jī)制似乎存在不一致，但是Sesn3被證明是癲癇疾病中的重要靶點(diǎn)，具有極大治療潛力。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，Sesn3通過激活A(yù)MPK、調(diào)節(jié)ROS形成和mTOR，感知細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境，維持代謝穩(wěn)態(tài)，對年齡相關(guān)的細(xì)胞病變具有多種生物學(xué)功能。因此，利用生物活性分子靶向調(diào)節(jié)Sesn3的研究可以確定其作為各種疾病的治療靶點(diǎn)。目前，Sesn3在各種人類疾病中的保護(hù)作用仍有極大吸引力，但Sesn3在疾病中的作用機(jī)制復(fù)雜（圖1），其確切的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。此外，Sesn3在調(diào)節(jié)惡性腫瘤與癲癇中的作用似乎是雙向的，故其機(jī)制需進(jìn)一步探索與驗(yàn)證。

Figure 1. Protective mechanisms of Sesn3 in related diseases.ER： endoplasmic reticulum； FoxO： forkhead box O protein； ROS： reactive oxygen species； AMPK： AMP-activated protein kinase； TSC1： tuberous sclerosis complex 1/hamartin； TSC2： tuberous sclerosis complex 2/tuberin； mTOR： target of rapamycin； mTORC1：mTOR complex 1； Rheb： Ras homolog enriched in brain； Raptor： regulatory-associated protein of mTOR；MLST8： mTOR-associated protein， LST8 homolog；Rictor： rapamycin-insensitive companion of mTOR；TGFβ： transforming growth factor β； TGFβR1： TGFβ receptor 1； MKK7： mitogen-activated protein kinase kinase 7； JNK： c-Jun N-terminal kinases； p： phosphorylation.圖1 Sesn3在相關(guān)疾病中的保護(hù)機(jī)制