SIRT1調控細胞衰老在慢性阻塞性肺疾病中的研究進展

劉元順 應希旺 李亞清* 周宏斌 顧超

SIRT1調控細胞衰老在慢性阻塞性肺疾病中的研究進展

劉元順 應希旺 李亞清* 周宏斌 顧超

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一種常見的以持續氣流受限為特征的可以預防和治療的疾病，氣流受限進行性發展，與氣道和肺臟對有毒顆粒或氣體的慢性炎性反應增強有關。預計在2020年，COPD將成為世界上第三個最常見的死亡原因，第五位的疾病負擔［1］，我國不同城市之間COPD的患病率為5%~8%［2］。COPD已經成為發達國家和發展中國家主要的社會和醫療負擔。COPD的疾病負擔日益增加部分原因是由于世界人口的老齡化和持續暴露于含危險因素的環境中。香煙煙霧是本病最重要的危險因素。COPD的發病機制尚不清楚，目前認為其發病機制主要涉及以下方面：炎癥反應，氧化/抗氧化失衡，蛋白酶/抗蛋白酶失衡，凋亡/抗凋亡作用，端粒縮短，自噬，細胞衰老，遺傳傾向。然而，目前的治療方法不能有效地阻止肺功能的逐漸惡化以及持續的氣道和肺部炎癥的發生［3］。越來越多的證據表明COPD患者中肺臟衰老明顯加速，細胞衰老在COPD發病中起重要作用［4］，沉默信息調節因子2相關酶1（silent information regulator2-related enzymes 1，Sirtuin l，SIRTl）介導的細胞衰老參與COPD發生發展［5］，因此深刻理解SIRT1調控細胞衰老在COPD中的作用并重視對其的研究和應用，以確定新的生物標志物和治療靶點。

1 細胞衰老的定義、生物學特性和機制

細胞衰老是一個累積損傷相關的內穩態進行性下降的過程，發生在生殖過程完成之后，增加了疾病和死亡的風險。細胞衰老導致細胞形態和功能發生一系列改變，包括細胞增殖活性的永久性喪失，稱為復制性衰老。形態上細胞體積增大［6］，形狀扁平，高爾基體變形，內質網減少，出現不正常分葉核，不規則空泡狀線粒體，色素等物質沉著，細胞膜脂過氧化。功能上細胞衰老是不可逆的生長停滯，表達衰老相關的β-半乳糖苷酶（senescence-associated β-galactosidase，SA-β-gal）［7］和腫瘤抑制因子p16INK4a。衰老的細胞大量分泌生長因子、細胞因子、蛋白酶和其他蛋白質，呈現衰老相關分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP），核灶包含DDR蛋白（DNA-SCARS/TIF）和衰老相關異染色質聚集灶（senescence-associated heterochromatin foci，SAHF）［8］。

細胞衰老的分子機制是多因素的，包括DNA損傷的累積效應［9］和修復功能受損［10］，核DNA的表觀遺傳修飾［11］，氧自由基的過度產生和蛋白質損傷［12］，端粒縮短［13］。

DNA損傷的累積效應被認為是細胞衰老的一個重要機制，該理論的基礎是細胞基因持續暴露于內源性和外源性的損傷性介質。這些損傷性介質包括氧自由基（reactive oxygen species，ROS）、一氧化氮代謝物、脂質過氧化產物、還原糖、烷化劑。如果細胞的防御修復系統受損不能對抗這些持續性的基因損傷，DNA的復制、轉錄功能會受到嚴重影響，激活細胞周期檢查點，尤其是p53/p21/pRb系統，最終導致暫時性或永久性細胞周期阻滯（復制性衰老）［14］。

近年來，表觀遺傳學是衰老表型的一個主要影響因素［15］。廣義上，表觀遺傳學是基因型和表型之間的橋梁，指非DNA序列變化引起的表型或基因表達發生可遺傳的變化的一種現象［16］。最近的研究表明特異轉錄因子結合位點發生的DNA甲基化改變和重組與復制性衰老有關［17］。廣泛的核改變包括染色質重塑作為細胞衰老的整體步驟［18］。結構異染色質松弛和衛星DNA轉錄表明表觀遺傳影響染色體完整性，而表觀基因組的改變引起細胞衰老［19］。此外，廣泛的組蛋白去乙酰化酶抑制劑對于細胞衰老的發生發揮重要的表觀遺傳作用。氧化性修飾蛋白質的積累是細胞衰老的特點。蛋白質氧化性損傷分為主鏈和側鏈的氧化［20］，由活性氧（超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），過氧化氫和羥基自由基）和活性氮（一氧化氮和過氧亞硝基陰離子）引起。最近的研究表明ROS通過p21誘導DNA損傷灶介導細胞衰老［21］。

人類細胞有限增殖，部分原因是染色體末端端粒的喪失。端粒長度是細胞復制能力的敏感預測指標［22］。端粒消耗與細胞衰老有關［23］。DNA聚合酶在端粒是單向的，不能合成新的DNA鏈，此外，大部分細胞不表達具有維持端粒序列長度的端粒酶，隨著細胞有絲分裂，一旦端粒縮短至臨界長度，引發持久的DNA損傷反應（DNA damage response，DDR），包括p53的活化，誘導細胞周期阻滯和復制性衰老。

2 Ⅱ型肺泡上皮細胞（typeⅡalveolar epithelial cells，AECⅡ）

肺泡上皮細胞主要由Ⅰ型肺泡上皮細胞（typeⅠalveolar epithelial cells，AECⅠ）和AECⅡ組成。AECⅡ約占肺實質細胞總數的16%，但僅覆蓋肺泡總面積的5%；AECⅠ數量僅為AECⅡ的一半，卻覆蓋著肺泡總面積的95%。AECⅡ是AECⅠ的祖細胞。AECⅡ不僅可通過有絲分裂補充自身數量，還可分化為AECⅠ、合成和分泌肺泡表面活性物質、維持肺泡內外液體平衡等［24］。因此，AECⅡ數量與功能穩定對于維持肺泡的正常結構和功能均具有重要意義。Li等［25］研究表明：香煙煙霧誘導的肺氣腫大鼠肺泡腔擴大，單位面積平均肺泡數減少，AECⅡ凋亡水平增加；羊水間充質干細胞（rat amniotic fluid-derived mesenchymal stromalcells，rAF-MSCs）移植至肺氣腫大鼠肺內后定向分化為AECⅡ、其表面活性蛋白C（surfactant protein C，SPC）表達及單位面積平均肺泡數增加。因此，干細胞移植，修復損傷的肺組織、使丟失的AECⅡ再生將來可能成為治療COPD的一種新方法。

3 3SIRT1在COPD發生發展中的作用

sirtuins是Ⅲ型組蛋白去乙酰化酶，其家族成員包括SIRT1-7，其中SIRT1與酵母沉默信息調節因子2（silentinformation regulator 2，Sir2）同源性最高［26］。Sir2是一種NAD+依賴性蛋白去乙酰化酶，可延長酵母、線蟲及果蠅等多種生物的壽命。SIRT1則被稱為人類長壽基因。SIRT1不僅對H1、H3、H4組蛋白去乙酰化，同時還可對p53、叉頭框蛋白O（forkhead box protein O，FOXO）等多種非組蛋白進行去乙酰化，在基因轉錄、細胞衰老及能量代謝中起著重要作用［27］。有研究表明：COPD患者及吸煙者外周肺組織細胞核內SIRT1水平顯著降低［28］；SIRT1水平下降促進COPD患者內皮祖細胞衰老及功能異常［5］。且COPD患者肺組織SIRT1水平的下降使吸煙誘導的組織金屬蛋白酶抑制劑（tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP）-1乙酰化作用增強，導致TIMP-1/MMP-9平衡失調，促進肺組織損傷［29］。因此SIRT1參與COPD進展過程，但其在COPD中調控細胞衰老的作用仍需進一步研究。

4 lncRNA介導的SIRT1信號網絡調控細胞衰老的研究現狀

長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是真核生物中一類長度>200個核苷酸、無長閱讀框架、但多具有mRNA結構特征的RNA［30］。近年來發現lncRNA在多個水平調控基因表達，在胚胎發育、細胞衰老等過程中起著重要調控作用［31-32］。迄今為止，直接參與調控SIRT1表達的lncRNA的神秘面紗仍未揭曉。2013年Abdelmohsen等首次報道：在增殖期人胚肺二倍體成纖維細胞（WI-38HDFs）中，SAL-RNA2（Sescence-associated lncRNA2，XLOC-025931）和SAL-RNA3（XLOC-025918）呈低表達，SAL-RNA1（XLOC-023166）呈高表達；在衰老的WI-38HDFs中SALRNA1呈低表達，SAL-RNA2和SAL-RNA3呈高表達，同時SIRT1表達水平顯著下降，p21和p53蛋白表達升高。且降低SAL-RNA1水平可增加WI-38HDFs衰老性狀，而SAβgal的活性及p53的表達水平顯著增加［33］。然而SAL-RNA1是否在SIRT1信號網絡介導的細胞衰老中起到關鍵性調控作用仍不清楚，SAL-RNA1在AECⅡ衰老中的作用亦需進一步研究。

5 討論

COPD居全球死亡原因的第4位。小氣道阻塞、肺彈性組織降解、肺泡結構破壞和丟失及氣腔擴大是COPD患者的特征性病理表現，同時也是肺功能進行性下降的關鍵因素。目前仍無一種藥物能改善COPD患者肺功能長期下降的趨勢。而細胞衰老在COPD患者中加速，并促進COPD進展。過早細胞衰老會顯著影響肺部祖細胞功能，使其失去組織修復功能，導致干細胞耗竭、肺組織損傷。SIRT1調節氧化應激，慢性炎癥，是細胞衰老、早衰［34］、COPD［35-36］發生和發展的重要反應。因此，深入研究SIRT1調控AECⅡ衰老在COPD中的作用，可揭示促進COPD發展的機制，為COPD治療提供新的藥物靶點。

［1］ Vestbo J, Hurd SS, Agustí AG, et al. Global Strategy for the Diagnosis, Management, and Prevention of Chronic Obstructive Pulmonary Disease. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, 2013, 187(4):347-365.

［ 2］ Fang X, Wang X, Bai C. COPD in China:the burden and importance of proper management. Chest, 2011, 139(4):920-929.［ 3］ Pelaia G, Vatrella A, Gallelli L, et al. Biological targets for therapeutic interventions in COPD:clinical potential. International Journal of COPD, 2006, 1(3):321-334.

［ 4］ Ito K, Barnes PJ. COPD as a disease of accelerated lung aging. Chest, 2009, 135(1):173-180.

［ 5］ Paschalaki KE, Starke RD, Hu Y, et al. Dysfunction of endothelial progenitor cells from smokers and chronic obstructive pulmonary disease patients due to increased DNA damage and senescence. Stem Cells, 2013, 31(12):2813-2826.

［ 6］ L Hayflick. The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains. Experimental cell research, 1965, 37:614-636.

［ 7］ Lee BY, Han JA, Im JS, et al. Senescence-associated betagalactosidase is lysosomal beta-galactosidase. Aging Cell, 2006, 5(2):187-195.

［ 8］ Rodier F, Campisi J. Four faces of cellular senescence. J Cell Biol, 2011, 192(4):547-556.

［ 9］ ZT Von, A Burkle, TB Rirkwood. Stress, DNA damage and ageing-an integrative approach. Experimental Gerontology, 2001, 36:1049-1062.

［ 10］ Lou Z, Chen J. Cellular senescence and DNA repair. Exp Cell Res, 2006, 312(14):2641-2646.

［ 11］ Fraga MF, Agrelo R, Esteller M. Cross-talk between aging and cancer:the epigenetic language. Ann N Y Acad Sci, 2007, 1100:60-74.

［ 12］ Friguet B. Oxidized protein degradation and repair in ageing and oxidative stress. FEBS Lett, 2006, 580(12):2910-2916.

［ 13］ Boukamp P. Ageing mechanisms:the role of telomere loss. Clin Exp Dermatol, 2001, 26(7):562-565.

［ 14］ Von Zglinicki T. Stress, DNA damage and ageing-an integrative approach. Experimental Gerontology, 2001, 36(7):1049-1062.

［15］ Fraga MF, Ballestar E, Paz MF, et al. Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proc Natl Acad Sci USA, 2005, 102(30):10604-10609.

［16］ Goldberg AD, Allis CD, Bernstein E. Epigenetics:a landscape takes shape. Cell, 2007, 128(4):635-638.

［17］ Hanzelmann S, Beier F, Gusmao EG, et al. Replicative senescence is associated with nuclear reorganization and with DNA methylation at specific transcription factor binding sites. Clin Epigenetics, 2015, 7(1):19.

［18］ Baker DJ, Sedivy JM. Probing the depths of cellular senescence. J Cell Biol, 2013, 202(1):11-13.

［19］ Berdasco M, Esteller M. Hot topics in epigenetic mechanisms of aging: 2011. Aging Cell, 2012, 11(2):181-186.

［20］ Stadtman BS, Ba ER. Protein Oxidation in Aging, Disease, and Oxidative Stress. The journal of biological chemistry, 1997, 272: 20313-20316.

［21］ Passos JF, Nelson G, Wang C, et al. Feedback between p21 and reactive oxygen production is necessary for cell senescence. Mol Syst Biol, 2010, 6:347.

［22］ Allsopp RC, Vaziri H, Patterson C, et al. Telomere length predicts replicative capacity of human fibroblasts. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1992, 89(21):10114-10118.

［23］ Shay JW. At the end of the millennium, a view of the end. Nat Genet, 1999, 23(4):382-383.

［24］ Guillot L, Nathan N, Tabary O, et al. Alveolar epithelial cells:master regulators of lung homeostasis. Int J Biochem Cell Biol, 2013, 45(11):2568-2573.

［25］ Li Y, Gu C, Xu W, et al. Therapeutic effects of amniotic fluidderived mesenchymal stromal cells on lung injury in rats with emphysema. Respir Res, 2014, 15:120.

［26］ Bordo D. Structure and evolution of human sirtuins. Curr Drug Targets, 2013, 14(6):662-665.

［27］ Satoh A, Stein L, Imai S. The role of mammalian sirtuins in the regulation of metabolism, aging, and longevity. Handb Exp Pharmacol, 2011, 206:125-162.

［28］ Rajendrasozhan S, Yang SR, Kinnula VL, et al. SIRT1, an antiinflammatory and antiaging protein, is decreased in lungs of patients with chronic obstructive pulmonary disease. Am J Respir Crit Care Med, 2008, 177(8):861-870.

［29］ Yao H, Hwang JW, Sundar IK, et al. SIRT1 redresses the imbalance of tissue inhibitor of matrix metalloproteinase-1 and matrix metalloproteinase-9 in the development of mouse emphysema and human COPD. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2013, 305(9):L615-624.

［30］ Kung JT, Colognori D, Lee JT. Long noncoding RNAs:past, present, and future. Genetics, 2013, 193(3):651-669.

［31］ Batista PJ, Chang HY. Long noncoding RNAs:cellular address codes in development and disease. Cell, 2013, 152(6):1298-1307.［32］ Ohsawa R, Seol J-H, Tyler JK. At the intersection of noncoding transcription, DNA repair, chromatin structure, and cellular senescence. Frontiers in Genetics, 2013, 4.

［33］ Abdelmohsen K, Panda A, Kang MJ, et al. Senescence-associated lncRNAs:senescence-associated long noncoding RNAs. Aging Cell, 2013, 12(5):890-900.

［34］ Tsutomu Sasaki BM, Andrzej Bartke, Heidi Scrable. Progressive loss of SIRT1 with cell cycle withdrawal. Aging Cell, 2006, 5(5):413-422.

［35］ Barnes PJ. Cellular and molecular mechanisms of chronic obstructive pulmonary disease. Clin Chest Med, 2014, 35(1):71-86.

［36］ Yao H, Rahman I. Current concepts on oxidative/carbonyl stress, inflammation and epigenetics in pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease. Toxicol Appl Pharmacol, 2011, 254(2):72-85.

國家自然科學基金資助項目（81470241）

310053 浙江中醫藥大學（劉元順 應希旺）

310014浙江省人民醫院（李亞清 周宏斌）

314000浙江省嘉興市第一醫院（顧超）

*通信作者