Sirtuins在缺血再灌注損傷中的作用

李魏芳，楊康 綜述 黃衛鋒 審校(.宜昌市三峽大學醫學院，湖北宜昌443000；.宜昌市三峽大學人民醫院，湖北宜昌443000)

·綜述·

Sirtuins在缺血再灌注損傷中的作用

李魏芳1，楊康2綜述 黃衛鋒1審校
(1.宜昌市三峽大學醫學院，湖北宜昌443000；2.宜昌市三峽大學人民醫院，湖北宜昌443000)

缺血再灌注損傷是臨床上一種復雜的病理生理過程，在器官移植中尤為重要。許多因素都能導致缺血再灌注損傷，如缺血過程中能量的缺失，再灌注過程中氧化應激的損傷均能啟動一系列的機制，最終導致細胞死亡和器官的衰竭。由于能廣泛調控細胞功能，sirtuins家族受到日益的關注。哺乳動物有7種sirtuins，在胞核和胞漿中表達的sirtuin 1(SIRT1)和在線粒體中表達的sirtuin 3(SIRT3)在多種組織器官中有廣泛的表達。在缺血再灌注損傷(IRI)過程中，Sirtuins通過抵抗細胞應激和調節代謝發揮著重要的保護性作用。本文主要綜述SIRT1和SIRT3在缺血的過程中抵御能量耗竭發揮的調節作用，及在再灌注過程中如何發揮其抗氧化、抗凋亡及抗炎的功能。

沉默信息調節因子1；沉默信息調節因子3；缺血再灌注損傷；作用

乙酰化酶是高保真的和酵母沉默信息調節因子高度同源的3類組蛋白去乙酰化酶，目前已知在哺乳動物中有7種去乙酰化酶。最近的研究表明，沉默調節蛋白調節多種細胞過程，如基因轉錄、代謝和細胞應激。作為家族中研究最多的蛋白，SIRT1從細胞周期調控到能量穩態的過程中均發揮著重要的作用，最近已報道SIRT3在線粒體能量代謝和功能中發揮著同樣重要的作用。臨床上常見的缺血再灌注損傷與能量代謝密切相關，因此本文主要綜述SIRT1和SIRT3在功能缺血再灌注損傷中的作用。

1 sirtuins的概述

沉默信息調節因子組成了高保真性的蛋白家族，其中的一種或多種sirtuins普遍地表達于細菌到哺乳動物體內。在哺乳動物體內已確定有7種sirtuin基因即SIRT1-SIRT7[1]。亞細胞定位發現，SIRT1、SIRT6和SIRT7表達于胞核，SIRT2表達于胞漿，SIRT3-SIRT5表達于線粒體[2]。已有研究發現SIRT1具有胞質活性，SIRT2已發現與核蛋白具有相關性。最近幾項研究表明，沉默調節蛋白調節各種各樣的細胞過程，如基因的轉錄、代謝和細胞應激反應[3-4]。在這7個哺乳動物去乙酰化酶中，SIRT1是研究最廣泛的一個[5]。SIRT1高表達于多種腦區域，在心、腎、肝、腦、胰腺、骨骼肌等組織中也高表達[6]。SIRT3也高表達于骨骼肌、心、肝、腎等其他具有代謝活性的線粒體內。

2 缺血再灌注損傷的機制

缺血再灌注損傷是器官移植中最重要的問題，將導致移植器官的功能紊亂和無功能[7]。缺血再灌注損傷的機制有很多，缺血過程中供氧的缺失導致ATP合成的降低和隨后離子通道的改變，由此所致的酸中毒和細胞腫脹均可能最終導致細胞死亡。血流恢復后，過度急性炎癥反應將引發再灌注損傷[8]。雖然缺血損傷引起顯著的細胞損傷，但組織損傷更嚴重。而再灌注期間，由于氧供的恢復，代謝加快，大量的氧自由基、細胞因子、炎癥因子導致炎癥細胞(單核細胞、樹突細胞和粒細胞)的聚集，活性氧(reactive oxygen species，ROS)和過量產生的一氧化氮(nitric oxide，NO)協同作用，誘導DNA損傷，激活多種細胞死亡通路[9]。

了解IRI的機制是減輕其損傷的首要步驟，而乙酰化酶是已知的能在缺血再灌注損傷、細胞代謝和應激反應中發揮作用的蛋白。因此，sirtuins可能成為治療IRI的重要靶點。

3 sirtuins在缺血中的作用

缺血過程中低能量的狀態能夠導致腺苷酸活化蛋白激酶(Adenosine Monophosphate Activated Protein Kinase，AMPK)的活化。AMPK的激活能維持ATP的水平，抑制其他消耗ATP的代謝過程[10]。已有研究表明，在缺血的條件下，AMPK和SIRT1可能具有相關性[11]。AMPK的激動劑5-am inoim idazole-4-carboxam ide-1-β-D-ribofuranoside能改善IRI，并能提高大鼠腎臟中SIRT1的表達量。此外，SIRT1的激動劑白藜蘆醇的運用也被證實能保護腦缺血再灌注損傷[12]。在缺氧狀態下誘發細胞保護作用的另一個重要因素是缺氧誘導因子(HIFs)。哺乳動物具有HIFα的三種亞型，HIF1α與HIF2α是研究的最多且結構最為相似。缺氧時，HIF2α蛋白水平略有增加，但其活性顯著增高，這表明它的活性是由其他的翻譯后調控機制來調節的。在人類癌細胞低氧刺激下，SIRT3也起著保護作用[13]。SIRT3的過表達能降低ROS的表達，影響HIF1α的穩定性，抑制腫瘤的發生[14]。SIRT1調節代謝最重要的一個因子是過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活劑1α(peroxisome proliferator-activated receptor-γcoactivator 1α，PGC1α)，它是許多核受體的轉錄共激活因子和轉錄因子。SIRT1與PGC1α相互作用，并導致其乙酰化，誘導ATP產生途徑中線粒體線粒體蛋白的表達。PGC1α活性的增高能降低缺血過程中氧化應激的損傷。已有研究表明，PGC1α降低導致的ROS增高將導致腦缺血損傷[15]。

線粒體內膜蛋白、解耦連蛋白2(uncoupling protein 2，UCP2)能夠調節質子電化學梯度，在神經細胞中，PGC1α參與UCP2的誘導進而抵抗氧化應激的損傷。缺血預處理或白藜蘆醇預處理能提高SIRT1活性，由此導致的UCP2表達的降低和ATP水平的增高能夠保護腦缺血損傷[16]。目前UCP2在缺血時的確切作用仍不完全清楚，對其作用研究結果并不統一。

4 sirtuins在再灌注中的作用

盡管移植的器官在缺血階段由于氧的缺失會產生嚴重的病變，但最嚴重的階段在于再灌注期間移植器官氧供的恢復。再灌注時，細胞代謝采取需氧途徑，將導致各種活性氧的聚集，包括超氧化物、過氧化氫和活性氮，如過氧亞硝酸鹽的產生。ROS主要產生于線粒體并觸發多種現象，如積累的鈣離子，胱天蛋白酶活化，細胞因子的上調，脂質、蛋白質和DNA損傷[17]。ROS可通過酶促途徑包括錳超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase，MnSOD)，過氧化氫酶(catalase，CAT)和過氧化物酶來消除。ROS的產生與消除失衡導致氧化應激損傷。在心臟，過表達的SIRT1通過上調抗氧化物如錳超氧化物、硫氧還原蛋白來抵御缺血再灌注過程中氧化應激的損傷[17]。SIRT1活化的水平決定了其是否有保護性作用，因為心臟中過高量表達的SIRT1會導致線粒體功能紊亂，提高氧化應激損傷。已有研究證實SIRT1在腦、腎、小腸的缺血再灌注過程中均有保護作用[18]。

大量研究證實，SIRT3在線粒體的生物功能中發揮著重要作用。SIRT3是一種重要的去乙酰化酶，SIRT3去乙酰化能提高許多在線粒體抗氧化機制中發揮重要作用的蛋白，如MnSOD，一種谷胱甘肽和硫氧還蛋白系統的調節蛋白[18]。SIRT3去乙酰化FoxO (forkhead boxcontaining protein O)轉錄因子，誘導核轉錄和其他抗氧化分子的轉錄，此外SIRT3也能去乙酰化FoxO3α誘導導致抗氧化酶，如MnSOD，過氧化物酶表達的上調[19]。細胞色素C具有清除過氧化物和超氧化物的能力，而SIRT3是提高細胞色素C表達所必需的[20]。再灌注損傷中線粒體功能的降低與一種多蛋白復合物即線粒體通透性轉換孔(themitochondrial permeability transition poremPTP)有關。已知SIRT3能去乙酰化mPTP中的調節成分cyclophilin D，從而降低其活性和心臟中線粒體腫脹[21]。

5 sirtuins在缺血再灌注炎癥反應中的作用

IRI能導致組織中炎性細胞的浸潤和炎癥反應。各種細胞因子、趨化因子、粘附分子以及胞外基質成分都能夠介導炎性損傷。這些因子的表達均受到炎性反應中關鍵調節因子(nuclear factorkappa B，NF-κB)的調節。活化后，轉錄因子遷移至核，并提高促炎性基因增效的炎癥反應的轉錄，之后淋巴細胞、單核細胞/巨噬細胞和粒細胞浸潤到損傷組織[22]。SIRT1可通過去乙酰化和抑制p53和NF-κB通路在腦缺血神經保護中發揮著重要的作用。在SIRT1過表達的心臟，SIRT1能夠降低NF-κB乙酰化水平阻止炎癥反應。此外，SIRT1能通過去乙酰化NF-κB而發揮抗炎作用，其在人主動脈內皮細胞抑制血管內皮粘附分子的表達也得到了證實[23]。

6 sirtuins在缺血再灌注中細胞凋亡中的作用

在IRI中，通過活化Caspases能夠導致凋亡性細胞死亡。研究表明，SIRT1與哺乳動物長壽有關，并能通過調節特異的底物提高哺乳動物應激狀況下的細胞存活率。事實上大量研究已提出SIRT1在IRI中的抗凋亡作用[9]。SIRT1能去乙酰化已知的凋亡介質，如腫瘤抑制基因p53，從而抑制其轉錄活性[24]。在缺血的腎臟和大腦SIRT1被證實為重要的存活介質，由于SIRT1表達量的增高會降低p53的表達，減少細胞凋亡[25]。此外，SIRT1還可以通過去乙酰化FoxO轉錄因子家族來調節凋亡相關分子。在IRI中，心臟特異性表達SIRT1的轉基因小鼠，SIRT1能誘導FoxO1核轉錄因子，通過上調抗凋亡因子Bcl-2和下調Bax的表達起到抗凋亡的作用[26]。

再灌注期間由mPTP打開所致的胱天蛋白酶活化分子的釋放能夠啟動凋亡通路，由于SIRT3位于線粒體內，可能在抗凋亡通路中發揮著作用[27]。SIRT3能保護多種細胞避免基因毒性和氧化應激損傷導致的凋亡性細胞死亡。SIRT3的促凋亡作用與腫瘤抑制和ROS的抑制作用有關。已有報道在人大腸癌細胞中SIRT3與Bcl-2和JNK凋亡途徑相關[28]。

7 小結

IRI是一種復雜的病理生理過程，會導致移植器官功能紊亂，因此闡明IRI的機制非常重要。近年研究表明sirtuins在多種細胞過程中均發揮著重要的作用。在本文中我們討論了SIRT1和SIRT3信號通路在IRI中的保護性作用，在IRI中SIRT1可以通過活化FoxO1、PGC1α、HIF2α或抑制NF-κB轉錄因子來發揮對IRI的保護作用。同時，SIRT3在IRI介導的保護作用也可通過活化FoxO3α和線粒體抗氧化酶來實現。本文綜述了SIRT1和SIRT3在IRI中的作用，闡明sirtuins家族在IRI的作用，為以后藥物的開發及緩解缺血再灌注損傷提供了新思路。

[1]Kong L,Wu H,ZhouW,etal.Sirtuin 1∶A target for kidney diseases [J].MolecularMedicine(Cambridge,Mass),2015,12(21)∶87-97.

[2]M ichishita E,Park JY,Burneskis JM,etal.Evolutionarily conserved and nonconserved cellular localizationsand functionsof human SIRT proteins[J].Molecular Biology of the Cell,2005,16(10)∶4623-4635.

[3]Nogueiras R,Habegger KM,Chaudhary N,etal.Sirtuin 1 and sirtuin 3∶physiological modulators of metabolism[J].Physiological Review s,2012,92(3)∶1479-1514.

[4]Pillarisetti S.A review of Sirt1 and Sirt1 modulators in cardiovascular and metabolic diseases[J].Recent Patents on Cardiovascular Drug Discovery,2008,3(3)∶156-164.

[5]Tang BL.Sirt1 and the M itochondria[J].Molecules and Cells,2016, 39(2)∶87-95.

[6]Shan T,Wang Y,Wu T,etal.Porcine sirtuin 1 gene clone,expression pattern,and regulation by resveratrol[J].Journal of Animal Science, 2009,87(3)∶895-904.

[7]Treska V,Kobr J,Hasman D,etal.Ischemia-reperfusion injury in kidney transplantation from non-heart-beating donor--do antioxidants or antiinflammatory drugs play any role?[J].Bratislavske Lekarske Listy,2009,110(3)∶133-136.

[8]Czubkowski P,Socha P,Paw lowaka J.Oxidative stress in liver transplant recipients[J].Annalsof Transplantation,2011,16(1)∶99-108.

[9]Datta G,Fuller BJ,Davidson BR.Molecular mechanisms of liver ischemia reperfusion injury∶insights from transgenic knockoutmodels[J].World Journalof Gastroenterology,2013,19(11)∶1683-1698.

[10]Ruderman NB,Xu XJ,Nelson L,et al.AMPK and SIRT1∶a long-standing partnership?[J].American Journal of Physiology Endocrinology and Metabolism,2010,298(4)∶751-760.

[11]SuchankovaG,Nelson LE,Gerhart-Hines Z,etal.Concurrent regulation of AMP-activated protein kinase and SIRT1 in mammalian cells [J].Biochem Biophys ResCommun,2009,378(4)∶836-841.

[12]Lempiainen J,Finckenberg P,Levijoki J,et al.AMPK activator AICAR ameliorates ischaemia reperfusion injury in the rat kidney [J].British Journalof Pharmacology,2012,166(6)∶1905-1915.

[13]Chen R,Dioum EM,Hogg RT,et al.Hypoxia increases sirtuin 1 expression in a hypoxia-inducible factor-dependent manner[J].The Journalof BiologicalChemistry,2011,286(16)∶13869-13878.

[14]Bell EL,Emerling BM,RicoultSJ,etal.SirT3 suppresseshypoxia inducible factor 1alpha and tumor grow th by inhibiting m itochondrial ROSproduction[J].Oncogene,2011,30(26)∶2986-2996.

[15]Chen SD,Lin TK,Yang DI,et al.Protective effects of peroxisome proliferator-activated receptors gamma coactivator-1alpha against neuronal cell death in the hippocampal CA1 subfield after transient global ischem ia[J].Journal of Neuroscience Research,2010,88(3)∶605-613.

[16]Della-Morte D,Dave KR,Defazio RA,et al.Resveratrol pretreatment protects rat brain from cerebral ischem ic damage via a sirtuin 1-uncoupling protein 2 pathway[J].Neuroscience,2009,159(3)∶993-1002.

[17]Sanderson TH,Reynolds CA,Kumar R,etal.Molecularmechanisms of ischemia-reperfusion injury in brain∶pivotal role of them itochondrialmembrane potential in reactive oxygen species generation[J]. Molecular Neurobiology,2013,47(1)∶9-23.

[18]Yamamoto T,Tamaki K,Shirakawa K,et al.Cardiac Sirt1 Mediates the Cardioprotective Effectof Caloric Restriction by Suppressing Local Complement System Activation after Ischem ia/Reperfusion[J]. American Journal of Physiology Heart and Circulatory Physiology, 2016,310(8)∶1003-1014.

[19]Daitoku H,Hatta M,MatsuzakiH,et al.Silent information regulator 2 potentiates Foxo1-mediated transcription through itsdeacetylaseactivity[J].Proc NatAcad Sci,USA,2004,101(27)∶10042-10047.

[20]Kong X,Wang R,Xue Y,etal.Sirtuin 3,anew targetof PGC-1alpha, plays an important role in the suppression of ROS andmitochondrial biogenesis[J].PLoSOne,2010,5(7)∶e11707.

[21]Hafner AV,Dai J,Gomes AP,et al.Regulation of the mPTP by SIRT3-mediated deacetylation of CypD at lysine 166 suppresses age-related cardiac hypertrophy[J].Aging,2010,2(12)∶914-923.

[22]Stein S,Matter CM.Protective roles of SIRT1 in atherosclerosis[J]. CellCycle(Georgetown,Tex),2011,10(4)∶640-647.

[23]Stein S,Schafer N,Breitenstein A,et al.SIRT1 reduces endothelial activation w ithout affecting vascular function in ApoE-/-mice[J]. Aging,2010,2(6)∶353-360.

[24]Cheng HL,Mostoslavsky R,Saito S,et al.Developmental defects and p53 hyperacetylation in Sir2 homolog(SIRT1)-deficient m ice [J].Proc NatAcad Sci,USA,2003,100(19)∶10794-10799.

[25]Fan H,Yang HC,You L,etal.The histone deacetylase,SIRT1,contributes to the resistance of young m ice to ischem ia/reperfusion-induced acute kidney injury[J].Kidney International,2013,83(3)∶404-413.

[26]YamamotoT,Sadoshima J.Protection of theheartagainst ischemia/reperfusion by silent information regulator 1[J].Trends in CardiovascularMedicine,2011,21(1)∶27-32.

[27]Zhao G,Ma H,Shen X,etal.Role of glycogen synthase kinase 3beta in protective effect of propofol against hepatic ischemia-reperfusion injury[J].The Journalof SurgicalResearch,2013,185(1)∶388-398.

[28]A llison SJ,M ilner J.SIRT3 is pro-apoptotic and participates in distinct basal apoptotic pathways[J].Cell Cycle(Georgetown,Tex), 2007,6(21)∶2669-2677.

Roles of sirtuins in ischem ia-reperfusion injury.

LIWei-fang1,YANG Kang2,HUANGWei-feng1.1.School of Medicine,China Three Gorges University,Yichang 443000,Hubei,CHINA;2.Yichang People's Hospital,China Three GorgesUniversity,Yichang 443000,Hubei,CHINA

Ischem ia-reperfusion injury(IRI)remains a complicated situation in clinical practice,especially in the case of organ transplantation.Large number of factors can contribute to its complexity.The depletion of energy during ischem ia and the induction of oxidative stress during reperfusion initiate a cascade of pathways that lead to cell death and finally to severe organ injury.In the recent years,the sirtuin family has gainedmountings of attention,due to their involvement in themodulation of aw ide variety of cellular functions.There are sevenmammalian sirtuins.The nuclear/cytoplasm ic sirtuin1(SIRT1)and them itochondrial sirtuin 3(SIRT3)arew idely expressed inmany tissues.Sirtuins are known to play a key role in protecting against cellular stress and in controlling metabolic pathways,which are key processes during IRI.In this review,wemainly focus on the roles of SIRT1 and SIRT3 in modulating pathways againstenergy depletion during ischemia and their involvement in oxidative stress,apoptosis,microcirculatory stressand inflammation during reperfusion.

SIRT1;SIRT3;Ischem ia-reperfusion injury(IRI);Roles

R364

A

1003—6350（2016）16—2671—03

2016-03-28)

doi∶10.3969/j.issn.1003-6350.2016.16.031

黃衛鋒。E-mail：81609903@qq.com