SIRT1與間充質(zhì)干細(xì)胞衰老

朱厚毅，周凡，劉劍書，王運(yùn)濤

(1.東南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京　210009； 2.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 脊柱外科，江蘇 南京　210009)

?

SIRT1與間充質(zhì)干細(xì)胞衰老

朱厚毅1，周凡1，劉劍書1，王運(yùn)濤2

(1.東南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京210009； 2.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 脊柱外科，江蘇 南京210009)

[摘要]間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)是一種具有自我更新功能并可以分化為執(zhí)行特定功能的體細(xì)胞，研究已經(jīng)證實(shí)在體外培養(yǎng)的過程中MSCs會(huì)出現(xiàn)衰老的現(xiàn)象。哺乳動(dòng)物沉默調(diào)節(jié)因子2相關(guān)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(diào)控 P53、組蛋白乙酰化、NF- κb和FoxO等關(guān)鍵分子的表達(dá)，進(jìn)而參與調(diào)控細(xì)胞的衰老、凋亡、代謝等生理活動(dòng)。作者就SIRT1在MSCs衰老中的作用作一綜述。

[關(guān)鍵詞]沉默調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1； 乙酰化； 間充質(zhì)干細(xì)胞； 衰老； 文獻(xiàn)綜述

間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一種具有自我更新功能并可以分化為執(zhí)行特定功能的體細(xì)胞，維持組織和器官結(jié)構(gòu)完整和功能穩(wěn)定的成體干細(xì)胞。研究已經(jīng)證實(shí)，在體外培養(yǎng)的過程中MSCs會(huì)出現(xiàn)衰老的現(xiàn)象，與氧化反應(yīng)損傷、端粒的磨損短縮有關(guān)。哺乳動(dòng)物沉默調(diào)節(jié)因子2相關(guān)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(diào)控 P53、組蛋白乙酰化、NF- κb和FoxO等關(guān)鍵分子的表達(dá)，進(jìn)而參與調(diào)控細(xì)胞的衰老、凋亡、代謝等生理活動(dòng)。作者就SIRT1在MSCs衰老中的作用作一綜述。

1MSCs的衰老機(jī)制

MSCs是干細(xì)胞的一種，其臨床應(yīng)用廣泛，可從包括骨髓、脂肪、羊水和臍帶等多種結(jié)締組織中分離提取。MSCs具有多向分化潛能及歸巢、免疫調(diào)節(jié)等多項(xiàng)功能[1]。理論上MSCs可以無限增殖、生長(zhǎng)，進(jìn)行自我更新和分化，但有許多關(guān)于MSCs體外培養(yǎng)數(shù)代后出現(xiàn)衰老的報(bào)道，包括培養(yǎng)了多代的人MSCs出現(xiàn)衰老征象[2]。當(dāng)MSCs老化時(shí)，其數(shù)量和功能出現(xiàn)與年齡相關(guān)的下降，由此引起細(xì)胞干性、組織動(dòng)態(tài)平衡、再生和修復(fù)功能的損失，影響機(jī)體生物學(xué)功能，破壞組織器官的穩(wěn)態(tài)性，降低對(duì)損傷或應(yīng)激的反應(yīng)能力，并最終導(dǎo)致衰老和死亡。引起MSCs衰老原因的諸多，包括氧化應(yīng)激、端粒的磨損短縮、DNA損傷，以及表觀遺傳學(xué)的改變等。

MSCs衰老主要表現(xiàn)為細(xì)胞阻滯在G1期，功能基本喪失，代謝活性下降，p53/p21和p16等細(xì)胞周期阻滯相關(guān)蛋白以及衰老相關(guān)β- 半乳糖苷酶(SA-β- gal)活性表達(dá)升高[3]。有研究發(fā)現(xiàn)，在急性氧化損傷誘導(dǎo)的衰老過程中，體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)失衡并產(chǎn)生大量活性氧族(ROS)；ROS可通過p53作用下游靶點(diǎn)p21，抑制細(xì)胞周期蛋白依賴激酶(CDK)/細(xì)胞周期蛋白(cyclin)復(fù)合體的活性，并下調(diào)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(diào)Bax、Bak等促凋亡因子，還通過下調(diào)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(dǎo)因子- 1α(HIF- 1α)和堿螺旋- 環(huán)- 螺旋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子水平明顯升高，二者均可以抑制p21進(jìn)而延緩MSCs的衰老。證明了在氧化應(yīng)激反應(yīng)誘導(dǎo)的衰老過程中p53/p21信號(hào)通路起到關(guān)鍵的作用[5]。有報(bào)道，MSCs端粒會(huì)以50～100 bp/PD的速率被磨損掉，端粒的平均長(zhǎng)度從早期的平均10.4 kbp減少到晚期的7.1 bp，而當(dāng)端粒長(zhǎng)度小于10 kbp時(shí)則細(xì)胞不再分裂[6]。有研究報(bào)道，端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶過度表達(dá)可以提高端粒酶活性，延長(zhǎng)MSCs的細(xì)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(diào)節(jié)因子2(silent information regulator2，Sir2)與衰老

Sir2基因家族轉(zhuǎn)錄的Sir2蛋白首先在酵母中被發(fā)現(xiàn)可以延長(zhǎng)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(nèi)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(zhuǎn)錄因子O(forkheadboxO，F(xiàn)oxO)去乙酰化實(shí)現(xiàn)其基本功能，調(diào)節(jié)細(xì)胞糖類與脂類代謝，促進(jìn)DNA損傷修復(fù)，進(jìn)而參與調(diào)控細(xì)胞的衰老、凋亡、代謝等生理活動(dòng)。

對(duì)SIRT1抗衰老機(jī)制的研究已在多種細(xì)胞上進(jìn)行。有研究顯示，在高糖誘導(dǎo)的腎小球系膜細(xì)胞(mesangial cells，MCs)的衰老過程中，SIRT1的表達(dá)和活性明顯降低，采用小干擾RNA (siRNA)干擾SIRT1基因表達(dá)且經(jīng)過尼克酰胺處理的MCs會(huì)呈現(xiàn)衰老表型；而加入輔酶Ⅰ處理則能抑制高糖介導(dǎo)的MCs的衰老，顯示了SIRT1抗衰老的作用[10]。對(duì)不同年齡段人白細(xì)胞端粒長(zhǎng)度與SIRT1基因關(guān)系的研究結(jié)果顯示，SIRT1單核苷酸的多態(tài)性(SNP)與人白細(xì)胞端粒長(zhǎng)度變短有關(guān)。SIRT1基因位點(diǎn)與細(xì)胞壽命明顯相關(guān)，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(zhǎng)度與人的壽命之間有著密切關(guān)聯(lián)[11]。對(duì)人臍帶來源的胚胎成纖維細(xì)胞(HUC- F2)的研究結(jié)果顯示，SIRT1及其激活劑都會(huì)增加人端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(hTERT)的轉(zhuǎn)錄，并且是以c- MYC依賴的方式，觸發(fā)c- MYC基因的轉(zhuǎn)錄，增加c- MYC動(dòng)員hTERT啟動(dòng)子的數(shù)量及轉(zhuǎn)錄激活能力，相應(yīng)地增加hTERT啟動(dòng)子中乙酰化的H4組蛋白的數(shù)量，進(jìn)而延長(zhǎng)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?yàn)閮烧咧g能夠相互調(diào)節(jié)，且有一些相同的目標(biāo)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(lián)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(xì)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(dá)可模擬類似的效應(yīng)，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(xiàn)，表明SIRT1在中等劑量白藜蘆醇刺激的AMPK活化過程中起到關(guān)鍵作用[14]。

3SIRT1與間充質(zhì)干細(xì)胞衰老

目前已有研究表明，SIRT1活性及表達(dá)的變化與MSCs衰老有關(guān)，雖然SIRT1調(diào)節(jié)MSCs衰老的機(jī)制因?yàn)榧?xì)胞來源及實(shí)驗(yàn)條件而報(bào)道各異，但都肯定了SIRT1對(duì)抗MSCs衰老的積極作用[15]。

Yuan等[16]通過慢病毒轉(zhuǎn)染選擇性地敲除人骨髓MSCs中的SIRT1基因，結(jié)果在早期即發(fā)現(xiàn)MSCs細(xì)胞生長(zhǎng)減緩、逐漸進(jìn)入細(xì)胞停滯期及細(xì)胞衰老的加速，SA-β- gal陽性細(xì)胞明顯增多，并且S期細(xì)胞明顯減少；而過表達(dá)SIRT1基因的細(xì)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(dá)，則在促進(jìn)細(xì)胞衰老的同時(shí)伴有P16INK4a的高表達(dá)，而P21Cip1變化不明顯；干擾脂肪來源的MSCs則發(fā)現(xiàn)，P16INK4a與P21Cip1都有所升高。這說明SIRT1對(duì)不同組織來源的MSCs衰老的影響機(jī)制也是不同的。Chen等[17]研究發(fā)現(xiàn)，老化的MSCs中過表達(dá)SIRT1可以逆轉(zhuǎn)衰老表型、刺激細(xì)胞增殖，而老化相關(guān)的蛋白P21、P16是SIRT1調(diào)節(jié)的抗衰老機(jī)制的下游效應(yīng)蛋白，SIRT1可以保護(hù)細(xì)胞免受與衰老相關(guān)的DNA損傷，誘導(dǎo)TERT表達(dá)和增強(qiáng)端粒酶活性，但并不影響端粒長(zhǎng)度；他們還發(fā)現(xiàn)SIRT1可以上調(diào)shelterin復(fù)合體中具有保護(hù)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(fā)現(xiàn)，對(duì)人骨髓來源的MSCs中SIRT1的RNA干擾會(huì)導(dǎo)致胚胎干細(xì)胞關(guān)鍵蛋白(SOX2)的表達(dá)降低、自我更新和分化功能減退。其中涉及到乙酰化、出核轉(zhuǎn)運(yùn)、SOX2泛素化，導(dǎo)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(fù)功能。而通過白藜蘆醇所增強(qiáng)的自我更新及分化功能則會(huì)因?yàn)镾OX2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(shí)驗(yàn)中，對(duì)從衰老大鼠獲得MSCs中SIRT1表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，發(fā)現(xiàn)過表達(dá)SIRT1 的MSCs治療效果較未干預(yù)組明顯增強(qiáng)，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(yīng)素- 1mRNA水平下降，與心肌重塑有關(guān)的MI梗死區(qū)血管密度明顯增多，直接改善心臟功能。顯示SIRT1對(duì)衰老MSCs的細(xì)胞表型有明顯改善作用[19]。此外，在電離輻射介導(dǎo)的MSCs炎性損傷導(dǎo)致的衰老過程中，經(jīng)SIRT1激活劑白藜蘆醇處理組MSCs中IL- 1β表達(dá)明顯低于未干預(yù)組，而SIRT1基因敲除組IL- 1β表達(dá)則明顯升高。該研究發(fā)現(xiàn)SIRT1通過乙酰化可抑制NF- κb通路，進(jìn)而抑制 NLRP- 3炎性小體的轉(zhuǎn)錄及其炎性活化作用，說明SIRT1對(duì)此炎性損傷導(dǎo)致MSCs過早衰老具有保護(hù)作用[20]。

4小結(jié)

由于MSCs的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及前景，探討MSCs衰老的分子機(jī)制對(duì)干細(xì)胞移植療法的臨床應(yīng)用具有重要的意義。機(jī)體環(huán)境的復(fù)雜性及不確定性是目前這項(xiàng)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(xì)胞自我更新能力、促進(jìn)DNA損傷修復(fù)等方面具有重要作用。闡明SIRT1在MSCs衰老中的作用與機(jī)制，將有利于尋找MSCs衰老的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)而尋找到可以緩解MSCs衰老、提高其應(yīng)用效果的相應(yīng)作用靶點(diǎn)，為MSCs的基礎(chǔ)研究和最終臨床應(yīng)用開拓思路。

[參考文獻(xiàn)]

[1] YU K R,KANG K S.Aging- related genes in mesenchymal stem cells:a mini- review[J].Gerontology,2013,59(6):557- 563．

[2] REDAELLI S,BENTIVEGNA A,FOUDAH D,et al.From cytogenomic to epigenomic profiles:monitoring the biologic behavior of in vitro cultured human bone marrow mesenchymal stem cells[J].Stem Cell Res Ther,2012,3(6):47．

[3] BUROVA E,BORODKINA A,SHATROVA A,et al.Sublethal oxidative stress induces the premature senescence of human mesenchymal stem cells derived from endometrium[J].Oxid Med Cell Longev,2013,2013：474931．

[4] MIMEAULT M,BATRA S K.Recent insights into the molecular mechanisms involved in aging and the malignant transformation of adult stem/progenitor cells and their therapeutic implications[J].Ageing Res Rev,2009,8(2):94- 112．

[5] TSAI C C,CHEN Y J,YEW T L,et al.Hypoxia inhibits senescence and maintains mesenchymal stem cell properties through down- regulation of E2A- p21 by HIF- TWIST[J].Blood,2011,117(2):459- 469．

[6] ASUMDA F Z,CHASE P B.Age- related changes in rat bone- marrow mesenchymal stem cell plasticity[J].BMC Cell Biol,2011,12:44．

[7] TENG Y,HU Y Y,LI X S,et al.Telomerase reverse transcriptase mediated immortalization of human bone marrow stromal cells[J].Braz Arch Biol Techn,2014,57(1):37- 44.

[8] TSAI C C,CHEN C L,LIU H C,et al.Overexpression of hTERT increases stem- like properties and decreases spontaneous differentiation in human mesenchymal stem cell lines[J].J Biomed Sci,2010,17:64．

[9] DESPARS G,CARBONNEAU C L,BARDEAU P,et al.Loss of the osteogenic differentiation potential during senescence is limited to bone progenitor cells and is dependent on p53[J].PLoS One,2013,8(8):e73206．

[10] ZHANG S,CAI G,FU B,et al.SIRT1 is required for the effects of rapamycin on high glucose- inducing mesangial cells senescence[J].Mech Ageing Dev,2012,133(6):387- 400．

[11] KIM S,BI X,CZARNY- RATAJCZAK M,et al.Telomere maintenance genes SIRT1 and XRCC6 impact age- related decline in telomere length but only SIRT1 is associated with human longevity[J].Biogerontology,2012,13(2):119- 131．

[12] YAMASHITA S,OGAWA K,IKEI T,et al.SIRT1 prevents replicative senescence of normal human umbilical cord fibroblast through potentiating the transcription of human telomerase reverse transcriptase gene[J].Biochem Biophys Res Commun,2012,417(1):630- 634．

[13] FARGHALI H,KUTINOVA C N,LEKIC N.Resveratrol and related compounds as antioxidants with an allosteric mechanism of action in epigenetic drug targets[J].Physiol Res,2013,62(1):1- 13．

[14] PRICE N L,GOMES A P,LING A J,et al.SIRT1 is required for AMPK activation and the beneficial effects of resveratrol on mitochondrial function[J].Cell Metab,2012,15(5):675-

690.

[15] CHOUDHERY M S,KHAN M,MAHMOOD R,et al.Bone marrow derived mesenchymal stem cells from aged mice have reduced wound healing,angiogenesis,proliferation and anti- apoptosis capabilities[J].Cell Biol Int,2012,36(8):747- 753．

[16] YUAN H F,ZHAI C,YAN X L,et al.SIRT1 is required for long- term growth of human mesenchymal stem cells[J].J Mol Med(Berl),2012,90(4):389- 400．

[17] CHEN H,LIU X,ZHU W,et al.SIRT1 ameliorates age- related senescence of mesenchymal stem cells via modulating telomere shelterin[J].Front Aging Neurosci,2014,6:103．

[18] YOON D S,CHOI Y,JANG Y,et al.SIRT1 Directly Regulates SOX2 to Maintain Self- Renewal and Multipotency in Bone Marrow- Derived Mesenchymal Stem Cells[J].Stem Cells,2014，32(12)：3219- 3231．

[19] LIU X,CHEN H,ZHU W,et al.Transplantation of SIRT1- engineered aged mesenchymal stem cells improves cardiac function in a rat myocardial infarction model[J].J Heart Lung Transplant,2014,33(10):1083- 1092．

[20] FU Y,WANG Y,DU L,et al.Resveratrol inhibits ionising irradiation- induced inflammation in MSCs by activating SIRT1 and limiting NLRP- 3 inflammasomeactivation[J].Int J Mol Sci,2013,14(7):14105- 14118．

doi：10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.02.037

[中圖分類號(hào)]R681

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1671- 6264(2016)02- 0281- 03

[通信作者]王運(yùn)濤E- mail:wangyttod@seu.edu.cn

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

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31070876)；江蘇省醫(yī)學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和領(lǐng)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(zhì)干細(xì)胞衰老[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):醫(yī)學(xué)版，2016，35(2)：281- 283.

·綜述·