SIRTUIN 基因家族的生物學功能及其在畜禽肉質性狀上的研究進展

石 崗，李 尚，馮韶華，劉 刁，蘆春蓮，曹洪戰

（河北農業大學動物科技學院，河北保定 071000）

哺乳動物SIRTUIN（以下簡稱SIRT）可與P53、FOXO 和KU70 等蛋白相互作用，參與調控細胞代謝、應激反應、衰老和凋亡等生理過程。SIRT 是一種高度保守的去乙酰化酶類，從細菌到人類具有高度保守性。目前人類公認的SIRT 基因家族成員有7 個：SIRT1、SIRT2、SIRT3、SIRT4、SIRT5、SIRT6 和SIRT7，且有不同的亞細胞定位，SIRT2 主要分布在細胞漿中，SIRT1、SIRT6 和SIRT7 主要定位在細胞核內，SIRT3、SIRT4 和SIRT5 則定位于線粒體內。SIRT 家族基因在哺乳動物細胞中廣泛分布說明其功能具有多樣性。本文主要對 SIRT 基因家族的生物學功能及其與畜禽肉質、生長等性狀的關聯分析進行綜述。

1 SIRT 基因家族成員的生物學功能

1.1 SIRT1 在SIRT 基因家族中，SIRT1 是研究內容最多、研究最深入的一個成員。人類SIRT1 基因是SIRT2的同源物，定位在SSC10，全長22 kb，包括8 個內含子和9 個外顯子[1]。其主要分布于細胞核的核仁中，在肝臟、心臟、脂肪、生殖器官和肌肉等器官中高度表達，SIRT1 參與去乙酰化過程，可以去乙酰化組蛋白和很多重要的轉錄因子和調節蛋白，從而調控能量代謝、胰島素分泌和調節細胞壽命等多種生物學功能，比如能通過抑制前體脂肪細胞的分化來促進脂肪細胞的代謝、與抑制解偶聯蛋白2（UCP-2）來促進胰島細胞分泌胰島素、能夠通過去乙酰化P53 蛋白第382 號位置上的賴氨酸殘基，負調控P53 活性，進而抑制細胞衰老和凋亡[2-4]。除此之外，SIRT1 基因在保護神經元和腦組織方面同樣發揮著重要的生理作用。

1.2 SIRT2 人類SIRT2 定位于SSC19，全長21 kb，包括13 個外顯子[1]，主要定位于細胞質中，在腦、脂肪和睪丸中的蛋白表達量最高[5]，在細胞有絲分裂、熱量限制和細胞增殖等生物學過程中發揮作用。比如在細胞有絲分裂過程中，SIRT2 蛋白水平升高，其作為組蛋白去乙酰化酶能在一定程度上使有絲分裂過程延遲[6]。SIRT2 在熱量限制的小鼠腎臟和白色脂肪組織中的表達量增加，而熱量限制的嚙齒動物更能抵御帕金森氏病、阿爾茨海默氏病等帶來的損害[7]，因此，研究這兩者的關系成為熱點。SIRT2 是一種有效的腫瘤抑制基因，敲除小鼠SIRT2 基因后其腫瘤細胞的生長速度明顯加快。但有學者認為SIRT2 基因是否能作為腫瘤的抑制基因有待進一步研究[8]。此外，SIRT2 基因還是細胞程序后壞死的一個重要調節因子，若沒有SIRT2，細胞壞死過程就不會發生，因此可以作為防止壞死性受傷中的藥物作用目標。

1.3 SIRT3 SIRT3 是第1 個被定位于哺乳動物細胞線粒體的Sirtuin，人類SIRT3 基因定位于SSC11，全長21 kb，在肝臟、腎臟、心臟、肌肉和脂肪等與代謝過程有關和富含線粒體的組織中高度表達。SIRT3 基因也參與去乙酰化過程，如果敲除小鼠的SIRT3 基因，其線粒體蛋白會呈現高度乙酰化狀態[9]，導致新陳代謝異常。SIRT3 基因同樣與FOXO 基因家族相互作用參與調控細胞壽命，還參與氧化應激、線粒體代謝穩定和癌變等生物學過程[10]。隨著機體年齡的增長，SIRT3 活性降低，也進一步解釋了線粒體滲透性轉移的增加和心肌功能隨年齡增加而衰退。當機體發生應激反應時，SIRT3 基因的表達增多部分通過阻礙Bax 轉位到線粒體來保護心肌細胞免于損傷。越來越多的研究表明，SIRT3 基因能夠直接參與多種病理學過程，如癌癥和應激反應等，還需要進一步研究其遺傳變異的機理，達到治療癌癥和延長壽命等目的。

1.4 SIRT4 人類SIRT4 基因定位于SSC12 上，其基因結構研究很少，主要在腦、肝臟、胰腺、甲狀腺和肌肉等組織細胞中廣泛表達。SIRT4 蛋白被定位于線粒體內，是一種線粒體蛋白，且具有NAD+依賴的二磷酸腺普核糖體轉移酶活性，能夠參與調控機體的脂肪酸氧化和線粒體中的基因表達[11-12]。SIRT4 基因同樣能通過調控胰島素的分泌來參與能量代謝過程，雖然它不具有去乙酰化酶活性，但也可使線粒體基質中的GDH 酶失活（Glutamate Dehydrogenase），SIRT4 依賴的GDH 受到抑制后可提高胰島素的分泌水平[13]。同時，SIRT4基因還參與多種病理過程，如調控低氧誘導的心肌凋亡（SIRT4 的高表達量能夠維持機體脂肪酸新陳代謝，在低氧誘導的心肌凋亡中，SIRT4 基因表達量明顯下降）和降低吸煙導致的慢性阻塞性肺病的發病率。

1.5 SIRT5 人類SIRT5 基因位于SSC6 中，是單拷貝基因，具有8 個外顯子，SIRT5 蛋白定位于線粒體基質中，具有NAD+依賴的去乙酰化酶活性較弱，其在動物組織中廣泛表達，尤其是在肝臟、腎臟、心臟和腦中的表基因表達量最高[14]，此外，其在淋巴細胞中也大量表達，提示若SIRT5 的染色體斷裂則可引起粒細胞白血病。CPS1 蛋白在尿素循環中扮演著重要角色，在轉基因小鼠的研究中發現SIRT5 可以對CPS1 進行去乙酰化作用并激活其活性，進而調控尿素循環過程[15-16]。研究還發現，SIRT5 基因還可去乙酰化作用于UOX，增加其活性，促進尿酸鹽轉化為尿囊素，進而調控機體中的嘌呤分解代謝過程[17]。在病理學研究方面，SIRT5 基因缺乏會導致運動缺陷，并且會使線粒體特異性氧化酶SOD2 的表達水平降低，進而說明SIRT5 基因可以通過調控線粒體氧化酶活性，為帕金森氏病的預防和治療提供新的研究思路[18]。同時，研究發現SIRT5 基因與機體的癌癥相關，如果敲除該基因，則癌細胞的生長和轉化會受到抑制[19]。

1.6 SIRT6 人類SIRT6 基因位于SSC19，全長39.1 kb，包含8 個外顯子，其位于細胞核內，是一種核內蛋白，在肝臟、腎臟、生殖器官和脂肪等組織細胞中高度表達[5]。SIRT6 基因不僅ADP-核糖基轉移酶活性較強，還具有去乙酰化酶活性，駁斥了之前SIRT6 基因在細胞中無去乙酰化酶活性的言論[20]。大量研究表明，SIRT6 能夠維持基因組穩定（在DNA 同源重組中發揮著重要作用）[21-22]，并能延長機體壽命，因為熱量限制會影響SIRT6 基因的蛋白表達量。對饑餓小鼠體內的SIRT6 基因進行研究，發現其蛋白穩定性和表達量均提高，促進了基因組穩定性，進而延長小鼠壽命[23]。同時，SIRT6基因的過表達還能降低關節炎等炎癥的發生率[24]，其還是一個腫瘤抑制基因，能通過增強基因組的穩定性而使機體的腫瘤和衰老發生的幾率降低。

1.7 SIRT7 人類SIRT7 基因位于SSC17，全長6.2 kb，包含10 個外顯子，廣泛在肝臟、脾臟和睪丸等增生組織表達和腦、心臟和骨骼肌等非增生組織中低水平表達。雖然SIRT7 不具備去乙酰化酶活性及ADP-核糖基轉移酶活性，但是依然具備參與應激反應、細胞凋亡和腫瘤發生等生物學功能。若把小鼠SIRT7 基因敲除，不僅會將低其壽命（細胞凋亡的速度提高2 倍以上，并提高對氧化或毒性的敏感性，應急抗性能力降低），還會引起心臟并發癥。同時，SIRT7 基因與腫瘤發生有關，會抑制腫瘤細胞的生長，維持機體重要的細胞新陳代謝通路[25-26]。另有研究表明，如果把小鼠中的SIRT7 基因敲除，會引發慢性脂肪肝癥狀，說明SIRT7 可以抑制內質網應激反應并緩解慢性肝脂肪變性癥狀[27]。

2 SIRT 基因家族對畜禽重要性狀的關聯分析研究

家畜的生長性狀、肉質性狀和體尺性狀具有重要的經濟價值，受環境影響較大。采取傳統的育種方法對性狀的提高進展緩慢，近年來，主要采取分子育種方法對性狀加以改善，常用方法是研究基因的分子標記與目標性狀的關聯分析，確定影響性狀的基因及其分子標記，為家畜的分子標記輔助選擇提供基礎。目前，SIRT 基因的功能研究已成熟，且國內外有很多關于SIRT 基因家族與家畜重要性狀的關聯分析，取得了一定的成果。

2.1 SIRT 基因家族對牛重要性狀的關聯分析 目前主要在小鼠和人類方面研究SIRT 基因家族的生物學功能。在家畜生產中，主要是對SIRT 基因家族與牛和豬的重要性狀進行相關性分析，在羊和雞上的研究報道很少。國內對SIRT 基因家族與牛經濟性狀的影響研究主要集中在肉質性狀、生長性狀和體尺性狀上。鄧冠群等[28]研究表明，SIRT3 基因突變位點的基因型與秦川牛的體高、體斜長、背膘厚和眼肌面積等性狀具有顯著或極顯著關系，說明SIRT3 基因顯著影響著秦川牛的體尺和肉質性狀，可能是一個候選基因。桂林生[29]研究發現，SIRT1 基因的3 個SNP 位點g.25764G＞A、g.25846A＞G和g.25868T＞C 能夠顯著影響秦川牛的部分生長性狀和肉質性狀，此外還發現了其他6 個SIRT 基因家族成員中能夠影響秦川牛生長發育和肉質性狀的SNP 位點，且確定了在各個性狀中表現最佳的單倍型組合。姚玉妮等[30]利用PCR-SSCP 和測序技術研究SIRT1 基因多態性與利雜牛等肉牛屠宰性狀的相關分析，檢測到了4 個SNPs 位點：g.-382A＞G、-306T＞C、-274G＞C和-271G＞C，并確定了顯著影響性狀的基因型。Li 等[31]研究發現，SIRT1 基因的突變位點 -274C＞G 和-382G＞A分別顯著影響24 和18 月齡南陽牛的體重和體高性狀。這些研究成果為牛重要性狀的改善及其分子育種提供了理論基礎，并加快肉質改良和生長速度等的遺傳進展。

2.2 SIRT 基因家族對豬重要性狀的關聯分析 有關SIRT 基因家族對豬重要性狀的影響的研究報道很少。王候光等[32]通過RT-PCR、免疫印跡分析、重組質粒和測序鑒定等分子生物學和生物信息學方法成功在大腸桿菌中表達了豬去乙酰化酶SIRT3 基因，并初步鑒定重組蛋白的抗原性和特異性，為進一步研究豬的生理和病理機制奠定基礎。劉炳婷等[33]以1～3 日齡長白仔豬為研究對象，研究發現SIRT2 基因可抑制豬前體脂肪細胞的分化，對調控脂肪細胞分化具有重要作用，與Jing 等[34]和Wang 等[35]的研究結果一致。張敏[36]研究了SIRT2基因的多態性與537 頭長白豬生產性狀的關聯性，得到了4 個SNP 多態性位點，并確定了初生重和平均日增重的優勢基因型，但未發現SIRT 基因對眼肌面積、背膘厚和斷奶重等性狀有顯著性差異。崔清明等[37]研究發現，SIRT2 第8 外顯子存在1 處C/T 突變，SIRT3 第5 外顯子處存在1 處A/G 突變，并分別在中國地方豬湘村黑豬和大圍子豬肉質上進行關聯分析發現存在的3 種基因型均對肉質有顯著影響。王利紅等[38]以蘇姜豬為研究對象，發現SIRT1 在公豬胃組織的mRNA 表達量顯著高于其他組織，在母豬小腸組織中表達量顯著高于其他組織。除此之外，未見關于SIRT 基因與豬其他性狀的關聯分析。

2.3 SIRT 基因家族對家禽上的研究報道 目前在SIRT基因在家禽上的研究報道相對較少。魏守海等[39]以鵝為研究對象，發現PI3K-AKt-mTOR 信號通路、FoxO1、胰島素均可通過SIRT1 調控細胞的生長和增殖。王榮霞等[40]以雞為研究對象，發現白藜蘆醇通過影響SIRT 的表達來調控肌肉代謝。葉保國等[41]研究發現，SIRT1 基因在北京鴨6 周齡時表達量顯著低于出殼時。但相關機理機制還不夠清楚。劉三風等[42]以泰和絲毛骨雞、杏花雞和隱形白洛克雞為研究材料，發現SIRT1 基因的c.1753G＞A 位點有3 種基因型，GG 基因型顯著高于AA 基因型，且不同品種之間不同基因型差異較大。但并未與性狀進行關聯分析，無法得知與性狀之間的關系。

3 小 結

SIRT 基因家族在細胞凋亡、增殖、新陳代謝和應激反應等生理和病理過程扮演著重要角色，是機體中重要的基因家族。牛、豬和羊等在中國畜牧業中是重要的畜種，研究、培育和推廣優良畜禽品種，提高畜禽質量是調整畜牧業產業結構的重點。而肉質性狀和生長性狀被作為評估畜禽遺傳育種工作效果的重要衡量指標，因此有很多關于基因多態性與目標性狀關聯分析的報道。SIRT 基因家族的研究報道多集中在人類疾病和動物模型上，研究發現SIRT 基因的多態性能顯著影響豬肉質和日增重，但這些性狀都是多基因控制，還需要大量試驗來證明單個突變或多個突變如何影響了這些性狀。SIRT 基因在牛等畜禽中具有調節脂肪沉積過程等作用，可能會對其肉質等性狀產生顯著影響。但是目前這方面的研究報道很少，已有的研究成果還需要運用大量的試驗樣本進行驗證，以確定SIRT 基因的多態性位點及其優勢基因型。如果能夠發現影響肉質和生長等性狀的基因變異位點，為應用分子標記輔助選擇，對改良畜禽的性能具有一定的實際意義。