Sirtuins家族和線粒體未折疊蛋白反應(yīng)在疾病中的研究進(jìn)展

徐常瑋,張 涓,申亮亮 綜述 吳元明,張 靜 審校

線粒體在氧化應(yīng)激時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧(reactive oxygen species,ROS),而過量的ROS誘導(dǎo)DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化損傷,導(dǎo)致它們在線粒體中錯(cuò)誤折疊和聚集。當(dāng)線粒體中錯(cuò)誤折疊和聚集的蛋白質(zhì)累積較多時(shí),細(xì)胞就會(huì)發(fā)生線粒體未折疊蛋白反應(yīng)(mitochondrial unfolded protein response,UPRmt),該反應(yīng)可以通過提高線粒體伴侶蛋白和蛋白酶水平來降低蛋白毒性應(yīng)激進(jìn)而重建細(xì)胞器的蛋白穩(wěn)態(tài)。沉默信息調(diào)節(jié)因子(Sirtuins)發(fā)揮著去乙?；傅淖饔?近年來對其的研究主要聚焦于在衰老中的作用。同時(shí)Sirtuins家族也在UPRmt中扮演著關(guān)鍵的角色。因此,加深對UPRmt和Sirtuins家族在人類疾病(包括神經(jīng)退行性疾病、腫瘤和一些其他疾病)中的認(rèn)識,可有助于對人類疾病的診斷和認(rèn)識。本文對UPRmt和Sirtuins家族與人類疾病關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 Sirtuins家族

Sirtuins家族是一組NAD+依賴的去乙?；?其去乙酰化功能調(diào)控著多種重要的細(xì)胞過程,包括DNA損傷修復(fù)、凋亡、自噬、細(xì)胞衰老、炎癥、細(xì)胞代謝、抗氧化防御和線粒體穩(wěn)態(tài)等[1]。到目前為止,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并鑒定出7種哺乳動(dòng)物Sirtuins成員(SIRT1-7),其在組織特異性、亞細(xì)胞定位、酶活性和靶標(biāo)方面的功能各不相同[1]。

最具特征的哺乳動(dòng)物Sirtuins是SIRT1,主要定位于細(xì)胞核中,通過對過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α,PGC-1α)和叉頭框蛋白O (forkhead box class O proteins,FoXOs) 的靶點(diǎn)去乙?；瘉碚{(diào)控線粒體功能[2]。SIRT1在DNA損傷修復(fù)、端粒維持、ROS介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡、細(xì)胞衰老、細(xì)胞代謝和炎癥中發(fā)揮著重要作用。SIRT1可以通過激活UPRmt導(dǎo)致線粒體中蛋白質(zhì)折疊負(fù)荷增加,誘導(dǎo)有絲分裂的核蛋白失衡。SIRT2主要定位于細(xì)胞質(zhì)中,細(xì)胞質(zhì)中的SIRT2可以通過細(xì)胞質(zhì)蛋白(微管蛋白-α)的去乙?；瘉砭S持細(xì)胞結(jié)構(gòu)[3]。SIRT2還可以使FOXO3a去乙?；瘉泶龠M(jìn)超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2,SOD2)在氧化應(yīng)激下的表達(dá)[4]。SIRT3存在于線粒體中,主要參與調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量、腺苷三磷酸(adenosine 5′-triphosphate,ATP)的產(chǎn)生和線粒體自噬以及抗氧化損傷等。SIRT3可以通過三羧酸循環(huán)和電子傳遞鏈中一些組分的去乙酰化來控制和調(diào)節(jié)氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)[5]。SIRT4在線粒體中通過線粒體蛋白的翻譯后修飾調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝。SIRT4具有酰胺酶的活性,其代謝靶點(diǎn)是丙酮酸脫氫酶復(fù)合體,可以阻止丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)[6]。所以,SIRT4也是控制細(xì)胞代謝的一個(gè)重要分子。SITR5具有較強(qiáng)的去乙?；?、去戊二?；负腿ョ牾；富钚浴IRT5可以通過去琥珀?；蛉ノ於；龠M(jìn)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸生成酶和葡萄糖-6-磷酸1-脫氫酶的活性,在抗氧化防御中發(fā)揮重要作用[7]。SIRT6是主要通過染色質(zhì)重塑調(diào)節(jié)細(xì)胞過程的核蛋白,并且具有較少的非組蛋白靶標(biāo)。SIRT6通過使組蛋白H3賴氨酸9去乙?；诙肆＞S持中起到關(guān)鍵作用,防止端粒DNA損傷和細(xì)胞衰老[8]。SIRT7是首先在核仁中發(fā)現(xiàn)的核蛋白,其在DNA損傷修復(fù)中發(fā)揮重要作用,SIRT7以聚ADP-核糖聚合酶1[poly(ADP-ribose) polymerase 1,PARP1]依賴性方式募集到DNA中的雙鏈斷裂位點(diǎn),通過組蛋白去乙?；蛉ョ牾；龠M(jìn)染色質(zhì)縮合和DNA修復(fù)[9]。

2 UPRmt

線粒體功能障礙主要源于線粒體應(yīng)激。線粒體應(yīng)激反應(yīng)是線粒體為維持穩(wěn)態(tài)并保護(hù)細(xì)胞免受應(yīng)激性損傷的反應(yīng),包括UPRmt、抗氧化防御、線粒體分裂和融合以及線粒體自噬[10]。UPRmt是線粒體中對抗蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制途徑,可以感知線粒體基質(zhì)內(nèi)錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì),啟動(dòng)由核DNA編碼的應(yīng)激蛋白如熱休克蛋白60(heat shock protein 60,HSP60)、和酪蛋白水解蛋白酶P(caseinolytic protease,ClpP)的上調(diào),從而增加蛋白質(zhì)在線粒體中的折疊能力,最終維持線粒體蛋白的穩(wěn)態(tài)和功能[11]。當(dāng)線粒體內(nèi)錯(cuò)誤折疊和聚集的蛋白質(zhì)累積較多時(shí),UPRmt作為新發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激機(jī)制,可以影響衰老、神經(jīng)退行性疾病、癌癥等疾病的發(fā)生發(fā)展。

隨著研究的深入,UPRmt在秀麗隱桿線蟲(C.elegans)中的作用機(jī)制已經(jīng)被明確,UPRmt途徑共有三個(gè)軸。首先是UPRmt激活增強(qiáng)子結(jié)合蛋白同源蛋白(C/BEBP homologous protein,CHOP)/激活轉(zhuǎn)錄因子5(activating transcription factor 5,ATF5)/活化轉(zhuǎn)錄因子 4(activating transcription factor 4,ATF4)軸,該軸通過誘導(dǎo)伴侶素和蛋白酶來增加線粒體內(nèi)部折疊的能力和降解功能從而緩解線粒體蛋白的毒性應(yīng)激反應(yīng)[12]。其次是雌激素受體α(estrogen receptor,ERα)軸,該軸通過蛋白激酶B和ROS依賴的ERα磷酸化作用,誘導(dǎo)核呼吸因子-1(nuclear respiratory factor-1,NRF1)的表達(dá),從而促進(jìn)線粒體的生物合成[13]。第三軸中包含三個(gè)重要的線粒體分子,即SIRT3、FOXO3a和SOD2。SIRT3會(huì)導(dǎo)致FOXO3a去乙?；⒅匦露ㄎ坏郊?xì)胞核,并激活SOD2和過氧化氫酶參與抗氧化反應(yīng)[14]。

Mouchiroud et al[15]在對C.elegans的研究中發(fā)現(xiàn),NAD+水平升高和SIRT2 蛋白家族在C.elegans中的同源蛋白sir-2.1過表達(dá)均增加了熱休克蛋白(heat shock protein,Hsp)6的基因表達(dá)。Gariani et al[16]對原代肝細(xì)胞的研究表明,SIRT1或SIRT3的缺失均可下調(diào)Hsp10、Hsp60和CLpP的表達(dá),而這些改變可以通過補(bǔ)充NAD+而升高。綜上,在UPRmt中,NAD+扮演著重要的角色,而NAD+又進(jìn)一步影響著 Sirtuins的表達(dá)。因此,深入探討Sirtuins與UPRmt的作用機(jī)制對闡明衰老和線粒體相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制具有重要意義。

3 Sirtuins 和UPRmt在疾病中研究

3.1 Sirtuins和UPRmt與衰老的關(guān)系衰老在機(jī)體的整個(gè)生命周期中是一個(gè)及其復(fù)雜的過程。Sirtuins是最早在釀酒酵母中被發(fā)現(xiàn)的可延長壽命的基因,額外的Sirtuins等位基因可以增加酵母30%的壽命,而Sirtuins的消融會(huì)降低酵母的壽命[17]。這些研究為Sirtuins在長壽和衰老生物學(xué)中的作用奠定了基礎(chǔ)。

衰老是細(xì)胞損傷的慢性積累,但導(dǎo)致衰老的主要機(jī)制尚不明確。成體干細(xì)胞作為儲(chǔ)備細(xì)胞,在支持正常的組織更新和急性損傷后的再生反應(yīng)中起到重要作用。研究[18]表明,造血干細(xì)胞 (hematopoietic stem cells,HSCs)的退化是導(dǎo)致衰老的主要原因。在HSCs中,Mohrin et al[18]發(fā)現(xiàn)UPRmt可介導(dǎo)造血干細(xì)胞的老化,并證明了UPRmt的另一調(diào)控分支是由SIRT7和NRF1相互作用所介導(dǎo)的。Mouchiroud et al[15]在對衰老進(jìn)行研究時(shí),發(fā)現(xiàn)NAD+水平在C.elegans中降低,而NAD+水平的降低進(jìn)一步導(dǎo)致C.elegans壽命的縮短,相反,NAD+水平的恢復(fù)可以防止與衰老相關(guān)的代謝下降,并進(jìn)一步延長C.elegans的壽命,這些作用依賴于蛋白質(zhì)的去乙酰化酶SIRT1、SIRT2,并通過UPRmt和FOXO轉(zhuǎn)錄因子DAF-16的核易位和激活,誘導(dǎo)核蛋白失衡,激活應(yīng)激信號。有研究[19]發(fā)現(xiàn),老年小鼠中NAD+的水平較低,這與SIRT1的底物過化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α的過度乙?；嚓P(guān),使用PARP抑制劑喂養(yǎng)C.elegans可以使其壽命延長,且壽命延長與OXPHOS和ATP水平增加有關(guān)。綜上,通過調(diào)節(jié)NAD+水平進(jìn)而改變Sirtuins的活性能夠預(yù)防和治療年齡相關(guān)衰老。

3.2 Sirtuins和UPRmt與腫瘤的關(guān)系正常細(xì)胞主要利用OXPHOS產(chǎn)生能量。然而癌細(xì)胞的快速生長和分裂則通過調(diào)整能量代謝來滿足能量需求。為使癌細(xì)胞能適應(yīng)惡劣的生存環(huán)境,癌基因、腫瘤抑制基因和腫瘤微環(huán)境的改變,都會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞的代謝從OXPHOS向糖酵解發(fā)生轉(zhuǎn)變。但并非所有的癌細(xì)胞都依賴糖酵解產(chǎn)生能量,有些癌細(xì)胞也依賴OXPHOS產(chǎn)生能量[20]。

Vellinga et al[21]對結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移的術(shù)前接受或不接受化療治療的患者進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)了一種新的耐藥機(jī)制,這個(gè)機(jī)制涉及能量代謝的變化,結(jié)果顯示OXPHOS中的線粒體生物合成和電子傳遞鏈(electron transport chain,ETC)復(fù)合物是化療治療腫瘤中上調(diào)最多的途徑,這一發(fā)現(xiàn)提示化療誘導(dǎo)了癌細(xì)胞代謝的改變。此外,敲低SIRT1或PGC1α可阻止化療誘導(dǎo)的OXPHOS的改變,并顯著提高患者對化療的敏感性。提示結(jié)直腸癌化療誘導(dǎo)了SIRT1/PGC1α依賴的OXPHOS增加,在治療期間促進(jìn)腫瘤生存。

SIRT3可以協(xié)調(diào)抗氧化機(jī)制和線粒體自噬兩種途徑,而這兩種途徑在克服蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激和重建癌細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。Papa et al[22]發(fā)現(xiàn),SIRT3的這兩種途徑是獨(dú)立于CHOP或ERα的。SIRT3的表達(dá)由線粒體蛋白毒性應(yīng)激誘導(dǎo),從而激活抗氧化機(jī)制和線粒體自噬。Ahmed et al[23]在對來自巴基斯坦的500例頭頸癌患者和500例健康對照者UPRmt通路的多態(tài)性進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),UPRmt途徑的SIRT3/FOXO3a/SOD2軸基因的單核苷酸多態(tài)性與頭頸癌風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān),在線粒體蛋白毒性應(yīng)激下,FOXO3a在細(xì)胞核中積累并被去乙?；?。為明確SIRT3在其中的意義,Wang et al[24]研究發(fā)現(xiàn)通過shRNA抑制SIRT3后,FOXO3a的核易位被消除。綜上所述,對于UPRmt的全面了解能為腫瘤的診斷和治療提供新的思路。

3.3 Sirtuins和UPRmt與代謝性疾病的關(guān)系代謝性疾病主要是指機(jī)體的物質(zhì)代謝或能量代謝異常,通常表現(xiàn)為全身多系統(tǒng)異常。在飲食誘導(dǎo)的脂肪性肝炎的研究中發(fā)現(xiàn),miR-29a通過抑制糖原合成酶激酶-3β進(jìn)而抑制SIRT1介導(dǎo)的線粒體生物發(fā)生,從而緩解脂肪性肝炎中的線粒體應(yīng)激和UPRmt,為肝臟保護(hù)提供了新的見解[25]。

Zhao et al[26]發(fā)現(xiàn),鄰苯二甲酸二酯[Di (2-ethylhexyl) phthalate,DEHP]引起的肝毒性表現(xiàn)為肝臟脂肪變性和纖維化,線粒體超微結(jié)構(gòu)的損傷表現(xiàn)為線粒體膜電位下降、線粒體體積密度下降等,進(jìn)一步導(dǎo)致了PTEN 誘導(dǎo)假定激酶 1(PTEN-induced putative kinase 1,PINK1)/E3 泛素連接酶 Parkin(E3 ubiquitin protein ligase,Parkin)介導(dǎo)的線粒體自噬,進(jìn)一步,Pink1和Parkin與熱休克轉(zhuǎn)錄因子1激活的熱休克蛋白相互作用,激活UPRmt通路,從而使線粒體質(zhì)量控制穩(wěn)態(tài)失衡。此外,還發(fā)現(xiàn)番茄紅素可以通過調(diào)節(jié)SIRT1/PINK1/線粒體自噬軸和UPRmt減輕DEHP誘導(dǎo)的肝臟線粒體功能障礙[26]。

線粒體自噬與UPRmt對線粒體功能障礙具有保護(hù)作用,此外,線粒體功能障礙與阿爾茲海默病(Alzheimer′s disease,AD)的發(fā)病相關(guān)。Pillai et al[27]發(fā)現(xiàn)厚樸酚(magnolol,HKL)可以改善AD模型小鼠的認(rèn)知障礙、β淀粉樣蛋白積累和突觸損傷,并且HKL治療能夠促進(jìn)線粒體自噬和UPRmt,同時(shí)減輕線粒體功能障礙。HKL已被公認(rèn)為是多種疾病中SIRT3的激活因子,如心肌肥厚癥。而SIRT3活性與NAD+/NADH比值呈正相關(guān),因此,HKL可能通過介導(dǎo)NAD+/NADH比值調(diào)控SIRT3的表達(dá)和活性[28]。并且,HKL上調(diào)了AD模型小鼠中CHOP、Hsp60、Hsp10、ClpP的表達(dá),而SIRT3的缺失則降低了這些變化,同時(shí),SIRT3的缺失也降低了細(xì)胞AD模型中CHOP和Hsp60的表達(dá)水平,提示線粒體自噬和UPRmt之間可能存在潛在關(guān)系[28]。

SIRT3通過線粒體蛋白去乙酰化從而參與腦缺血/再灌注損傷,但UPRmt有利于線粒體在各種應(yīng)激條件下維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)[29]。Xie et al[29]發(fā)現(xiàn),在腦缺血異常后,大腦中SIRT3豐度受到抑制,體內(nèi)過表達(dá)SIRT3可抑制腦缺血/再灌注損傷后的梗死面積,減輕神經(jīng)炎癥反應(yīng)。SIRT3過表達(dá)通過減少線粒體ROS合成、維持線粒體膜電位和改善線粒體ATP合成來恢復(fù)神經(jīng)活力,并且這一過程是通過觸發(fā)FOXO3/鞘氨酸激酶1(sphingosine kinase-1,SPHK1)通路的UPRmt來保護(hù)神經(jīng)元線粒體免受腦缺血后功能障礙。綜上,UPRmt的激活有助于保護(hù)神經(jīng)活力和線粒體穩(wěn)態(tài),且SIRT3/FOXO3/SPHK1通路是促進(jìn)缺血性卒中治療的候選途徑。

線粒體疾病是由編碼線粒體結(jié)構(gòu)或功能蛋白的核DNA (nDNA)和線粒體DNA (mtDNA)基因突變引起的遺傳疾病。研究[30]顯示,CoC3(由紫檀苯乙烯、煙酷胺、核黃素、疏胺素、生物素、疏辛酸和 1-肉堿組成的線粒體雞尾酒組合)增加Sirtuins的活性和激活UPRmt,并在線粒體疾病的細(xì)胞模型中,CoC3聯(lián)合線粒體輔助因子治療可以激活SIRT3和UPRmt,提高Sirtuins水平和線粒體活性,從而改善線粒體穩(wěn)態(tài),減輕線粒體突變的負(fù)面影響。

4 小結(jié)與展望

UPRmt與衰老、腫瘤以及多種代謝性疾病有關(guān),Sirtuins具有調(diào)節(jié)表觀遺傳和翻譯后修飾的能力,可以調(diào)節(jié)線粒體應(yīng)激反應(yīng),是線粒體應(yīng)激反應(yīng)不可或缺的調(diào)節(jié)劑。因此,隨著Sirtuins的相關(guān)抑制劑以及激動(dòng)劑的出現(xiàn),有望通過改善UPRmt和線粒體應(yīng)激,來改變衰老、腫瘤以及一些代謝性疾病的進(jìn)展。然而,目前的研究僅限于干預(yù)Sirtuins后對UPRmt的影響,其潛在的分子機(jī)制仍有待于進(jìn)一步研究。