SIRT1與間充質干細胞衰老

朱厚毅，周凡，劉劍書，王運濤

(1.東南大學 醫學院，江蘇 南京　210009； 2.東南大學附屬中大醫院 脊柱外科，江蘇 南京　210009)

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SIRT1與間充質干細胞衰老

朱厚毅1，周凡1，劉劍書1，王運濤2

(1.東南大學 醫學院，江蘇 南京210009； 2.東南大學附屬中大醫院 脊柱外科，江蘇 南京210009)

[摘要]間充質干細胞(MSCs)是一種具有自我更新功能并可以分化為執行特定功能的體細胞，研究已經證實在體外培養的過程中MSCs會出現衰老的現象。哺乳動物沉默調節因子2相關酶1(SIRT1)是一類依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)的組蛋白去乙酰化酶，越來越多的研究表明， SIRT1 可以通過調控 P53、組蛋白乙酰化、NF- κb和FoxO等關鍵分子的表達，進而參與調控細胞的衰老、凋亡、代謝等生理活動。作者就SIRT1在MSCs衰老中的作用作一綜述。

[關鍵詞]沉默調節因子2相關酶1； 乙酰化； 間充質干細胞； 衰老； 文獻綜述

間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一種具有自我更新功能并可以分化為執行特定功能的體細胞，維持組織和器官結構完整和功能穩定的成體干細胞。研究已經證實，在體外培養的過程中MSCs會出現衰老的現象，與氧化反應損傷、端粒的磨損短縮有關。哺乳動物沉默調節因子2相關酶1(sirtuins1，SIRT1)是一類依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)的組蛋白去乙酰化酶,越來越多的研究表明，SIRT1 可以通過調控 P53、組蛋白乙酰化、NF- κb和FoxO等關鍵分子的表達，進而參與調控細胞的衰老、凋亡、代謝等生理活動。作者就SIRT1在MSCs衰老中的作用作一綜述。

1MSCs的衰老機制

MSCs是干細胞的一種，其臨床應用廣泛，可從包括骨髓、脂肪、羊水和臍帶等多種結締組織中分離提取。MSCs具有多向分化潛能及歸巢、免疫調節等多項功能[1]。理論上MSCs可以無限增殖、生長，進行自我更新和分化，但有許多關于MSCs體外培養數代后出現衰老的報道，包括培養了多代的人MSCs出現衰老征象[2]。當MSCs老化時，其數量和功能出現與年齡相關的下降，由此引起細胞干性、組織動態平衡、再生和修復功能的損失，影響機體生物學功能，破壞組織器官的穩態性，降低對損傷或應激的反應能力，并最終導致衰老和死亡。引起MSCs衰老原因的諸多，包括氧化應激、端粒的磨損短縮、DNA損傷，以及表觀遺傳學的改變等。

MSCs衰老主要表現為細胞阻滯在G1期，功能基本喪失，代謝活性下降，p53/p21和p16等細胞周期阻滯相關蛋白以及衰老相關β- 半乳糖苷酶(SA-β- gal)活性表達升高[3]。有研究發現，在急性氧化損傷誘導的衰老過程中，體內抗氧化系統失衡并產生大量活性氧族(ROS)；ROS可通過p53作用下游靶點p21，抑制細胞周期蛋白依賴激酶(CDK)/細胞周期蛋白(cyclin)復合體的活性，并下調pRb/E2F軸，從而降低MSCs的自我更新及再生能力，加速其衰老。另外，p53不僅上調Bax、Bak等促凋亡因子，還通過下調Bcl- 2、Bcl- x等抗凋亡因子來影響MSCs[4]。而有研究顯示，在低氧條件下，低氧誘導因子- 1α(HIF- 1α)和堿螺旋- 環- 螺旋結構的轉錄因子水平明顯升高，二者均可以抑制p21進而延緩MSCs的衰老。證明了在氧化應激反應誘導的衰老過程中p53/p21信號通路起到關鍵的作用[5]。有報道，MSCs端粒會以50～100 bp/PD的速率被磨損掉，端粒的平均長度從早期的平均10.4 kbp減少到晚期的7.1 bp，而當端粒長度小于10 kbp時則細胞不再分裂[6]。有研究報道，端粒酶逆轉錄酶過度表達可以提高端粒酶活性，延長MSCs的細胞壽命周期[7- 9]。這為研究由端粒短縮引起的MSCs老化提供了一種思路。

2沉默信息調節因子2(silent information regulator2，Sir2)與衰老

Sir2基因家族轉錄的Sir2蛋白首先在酵母中被發現可以延長釀酒酵母的壽命，是一類煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴的去乙酰化酶。人體內Sir2蛋白的同源蛋白SIRT1同樣具有NAD+依賴的去乙酰化酶活性，通過催化p53、 Ku60、叉頭框轉錄因子O(forkheadboxO，FoxO)去乙酰化實現其基本功能，調節細胞糖類與脂類代謝，促進DNA損傷修復，進而參與調控細胞的衰老、凋亡、代謝等生理活動。

對SIRT1抗衰老機制的研究已在多種細胞上進行。有研究顯示，在高糖誘導的腎小球系膜細胞(mesangial cells，MCs)的衰老過程中，SIRT1的表達和活性明顯降低，采用小干擾RNA (siRNA)干擾SIRT1基因表達且經過尼克酰胺處理的MCs會呈現衰老表型；而加入輔酶Ⅰ處理則能抑制高糖介導的MCs的衰老，顯示了SIRT1抗衰老的作用[10]。對不同年齡段人白細胞端粒長度與SIRT1基因關系的研究結果顯示，SIRT1單核苷酸的多態性(SNP)與人白細胞端粒長度變短有關。SIRT1基因位點與細胞壽命明顯相關，SIRT1的次要等位基因頻率在老年(90～103歲)組明顯高于青年(21~59歲)組，顯示SIRT1與端粒長度與人的壽命之間有著密切關聯[11]。對人臍帶來源的胚胎成纖維細胞(HUC- F2)的研究結果顯示，SIRT1及其激活劑都會增加人端粒酶逆轉錄酶(hTERT)的轉錄，并且是以c- MYC依賴的方式，觸發c- MYC基因的轉錄，增加c- MYC動員hTERT啟動子的數量及轉錄激活能力，相應地增加hTERT啟動子中乙酰化的H4組蛋白的數量，進而延長HUC- F2的生命周期[12]。

有研究表明，AMP依賴的蛋白激酶(AMPK)和SIRT1之間有相似性，這可能是因為兩者之間能夠相互調節，且有一些相同的目標分子；SIRT1與AMPK上游主要的激酶肝臟激酶B1(Liver Kinase B1)之間可能存在著聯系[13]。有研究顯示，用中等劑量白藜蘆醇處理成年小鼠后，其骨骼肌細胞的線粒體的生物活性及功能、AMPK活化作用、NAD+水平等明顯升高；通過SIRT1的過表達可模擬類似的效應，而全身敲除SIRT1基因后的成年小鼠同樣接受處理后，卻沒有上述表現，表明SIRT1在中等劑量白藜蘆醇刺激的AMPK活化過程中起到關鍵作用[14]。

3SIRT1與間充質干細胞衰老

目前已有研究表明，SIRT1活性及表達的變化與MSCs衰老有關，雖然SIRT1調節MSCs衰老的機制因為細胞來源及實驗條件而報道各異，但都肯定了SIRT1對抗MSCs衰老的積極作用[15]。

Yuan等[16]通過慢病毒轉染選擇性地敲除人骨髓MSCs中的SIRT1基因，結果在早期即發現MSCs細胞生長減緩、逐漸進入細胞停滯期及細胞衰老的加速，SA-β- gal陽性細胞明顯增多，并且S期細胞明顯減少；而過表達SIRT1基因的細胞則衰老延緩，其成骨及成脂潛能仍然存在。并且干擾骨髓來源的MSCs的SIRT1基因表達，則在促進細胞衰老的同時伴有P16INK4a的高表達，而P21Cip1變化不明顯；干擾脂肪來源的MSCs則發現，P16INK4a與P21Cip1都有所升高。這說明SIRT1對不同組織來源的MSCs衰老的影響機制也是不同的。Chen等[17]研究發現，老化的MSCs中過表達SIRT1可以逆轉衰老表型、刺激細胞增殖，而老化相關的蛋白P21、P16是SIRT1調節的抗衰老機制的下游效應蛋白，SIRT1可以保護細胞免受與衰老相關的DNA損傷，誘導TERT表達和增強端粒酶活性，但并不影響端粒長度；他們還發現SIRT1可以上調shelterin復合體中具有保護染色體末端免受DNA損傷作用的TPP1組件來提高端粒酶活性和減少DNA損傷。Yoon等[18]研究發現，對人骨髓來源的MSCs中SIRT1的RNA干擾會導致胚胎干細胞關鍵蛋白(SOX2)的表達降低、自我更新和分化功能減退。其中涉及到乙酰化、出核轉運、SOX2泛素化，導致骨髓來源MSCs中的蛋白酶降解。被組蛋白脫乙酰酶曲古抑菌素A(TSA)抑制的SOX2可以被SIRT1的激活劑白藜蘆醇恢復功能。而通過白藜蘆醇所增強的自我更新及分化功能則會因為SOX2的RNA受到干擾而下降。這充分顯示了SIRT1- SOX2在保持骨髓來源的MSCs自我更新能力及多分化潛能方面有著重要作用。

此外，在MSCs移植治療大鼠心肌梗死(myocardial infarction，MI)的實驗中，對從衰老大鼠獲得MSCs中SIRT1表達進行調控，發現過表達SIRT1 的MSCs治療效果較未干預組明顯增強，促血管生成因子、血管生成素水平、Bcl- 2/Bax明顯升高，血小板反應素- 1mRNA水平下降，與心肌重塑有關的MI梗死區血管密度明顯增多，直接改善心臟功能。顯示SIRT1對衰老MSCs的細胞表型有明顯改善作用[19]。此外，在電離輻射介導的MSCs炎性損傷導致的衰老過程中，經SIRT1激活劑白藜蘆醇處理組MSCs中IL- 1β表達明顯低于未干預組，而SIRT1基因敲除組IL- 1β表達則明顯升高。該研究發現SIRT1通過乙酰化可抑制NF- κb通路，進而抑制 NLRP- 3炎性小體的轉錄及其炎性活化作用，說明SIRT1對此炎性損傷導致MSCs過早衰老具有保護作用[20]。

4小結

由于MSCs的應用優勢及前景，探討MSCs衰老的分子機制對干細胞移植療法的臨床應用具有重要的意義。機體環境的復雜性及不確定性是目前這項研究面臨的重要難題。SIRT1作為SIRT家族極其重要的一類，在維持細胞自我更新能力、促進DNA損傷修復等方面具有重要作用。闡明SIRT1在MSCs衰老中的作用與機制，將有利于尋找MSCs衰老的關鍵環節，進而尋找到可以緩解MSCs衰老、提高其應用效果的相應作用靶點，為MSCs的基礎研究和最終臨床應用開拓思路。

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doi：10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.02.037

[中圖分類號]R681

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671- 6264(2016)02- 0281- 03

[通信作者]王運濤E- mail:wangyttod@seu.edu.cn

[作者簡介]朱厚毅(1989-)，山東德州人，在讀研究生。E- mail:houyi916@163.com

[基金項目]國家自然科學基金面上項目(31070876)；江蘇省醫學創新團隊和領軍人才基金(LJ201145)

[收稿日期]2015- 11- 23[修回日期] 2015- 12- 26

[引文格式] 朱厚毅，周凡，劉劍書，等.SIRT1與間充質干細胞衰老[J].東南大學學報:醫學版，2016，35(2)：281- 283.

·綜述·