Sirtuins家族蛋白及其在糖脂代謝中的作用

韋 曉，汪奇峰，陳 煜，楊 雪，陳國芳，劉 超

(南京中醫藥大學附屬中西醫結合醫院內分泌科 江蘇省中醫藥研究院癭病證治重點研究室，南京 210028)

隨著現代醫學的發展，人類的壽命正在延長，但壽命延長也會導致很多疾病如心血管疾病、糖尿病、阿爾茨海默病等患病率的增加，延緩衰老已成為生命科學研究的熱點之一。糖脂代謝紊亂是影響以上疾病發生發展的重要因素，如何調節代謝平衡已成為對抗衰老的關鍵。代謝平衡是人體內一系列精確調節的過程，此過程包含能量的攝取、利用和儲存。當食物充足，多余的能量會被儲存起來，以備能量不足時使用。人體中有一套經長期進化而來的精確調控系統，其中涉及許多信號通路，包括胰島素、胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1，IGF1)、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)、AMP活化的蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)以及Sirtuins信號通路[1]。限制熱量已被證實可以對抗衰老性疾病[2]，而熱量限制可以激活Sirtuins家族蛋白，從而發揮重要作用[3]。Sirtuins是一種去乙酰化酶，在細胞核和細胞質中均發揮作用，如去乙酰化核酸、去乙酰化胞質蛋白、去乙酰化線粒體內蛋白，其可以從細胞層面調控糖脂代謝的相關分子，整體改善壽命和生存時間[4]。在代謝研究領域，Sirtuins蛋白的激活劑如白藜蘆醇、SRT(sirtuin modulator)已成為研究熱點，通過發揮類似熱量限制的作用緩解代謝性疾病的進展[5]。現就Sirtuins蛋白與糖脂代謝的關系進行綜述，旨在總結Sirtuins蛋白調節糖脂代謝的分子機制。

1 Sirtuins信號通路

Sirtuins自發現以來就成為代謝研究的熱點，甚至被命名為長壽蛋白。沉默信息調節因子2(silent information regulator 2，Sir2)基因首先在酵母菌中發現，認為具有激活端粒酶和核糖體DNA、延長壽命的作用[6]，其通過去乙酰化組蛋白發揮功能。哺乳動物中發現的Sir2同源蛋白被命名為Sirtuins，Sirtuins是一種具有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)依賴性的組蛋白去乙酰化酶[7]。隨著研究的深入發現，Sirtuins不僅是能量代謝的調控器，還可以作為基因轉錄的調控因子，調控除組蛋白外其他代謝相關分子的乙酰化[8]，如Sirtuins可以直接激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α)、叉頭蛋白轉錄因子O1(forkhead box protein O1，FOXO1)的表達[9]，通過影響代謝相關酶的表達和活性，影響細胞對糖脂的代謝功能。因此，研究Sirtuins信號通路對緩解代謝類疾病具有重要作用。

2 Sirtuins的種類與功能

Sirtuins家族蛋白包括SIRT1～SIRT7，其在器官和組織中普遍表達。基于氨基酸序列Sirtuins家族蛋白可分為4型，SIRT1～SIRT3為1型，SIRT4為2型，SIRT5為3型，SIRT6、SIRT7為4型[10]。SIRT1在器官和組織中廣泛分布，主要存在于胞質，需進入細胞核內才能發揮作用。有些藥物可通過抑制SIRT1入核，調控一些基因的表達[11]。SIRT2存在于胞質中，在G2期向M期過度時入核，影響細胞周期[12]。SIRT3、SIRT4、SIRT5具有線粒體信號肽序列，可進入線粒體影響細胞內的能量平衡。SIRT6和SIRT7存在于細胞核內，其對代謝的作用還需要進行更深入的研究。

Sirtuins最初是作為NAD依賴的去乙酰酶被發現的，不僅在細胞核內具有去乙酰化功能，也可以去乙酰化胞質內的一些蛋白[11]。如SIRT4和SIRT6可以去乙酰化ADP-核糖體轉移酶，SIRT5可以去乙酰化氨甲酰磷酸合酶1(carbamoyl phosphate synthe-tase 1，CPS1)[13]。Sirtuins的酶促反應需要以NAD+作為底物，NAD+可以被Sirtuins轉化為煙酰胺，高水平的煙酰胺會非競爭性抑制Sirtuins的活性，從而形成負反饋調節[11]。

2.1SIRT1 SIRT1作為熱量限制的靶蛋白已進行了大量研究，其活化可有效緩解代謝性疾病。SIRT1可以去乙酰化組蛋白，也可以去乙酰化其他胞質蛋白。p53蛋白是第1個發現的SIRT1的胞質靶蛋白[14]，乙酰化的p53蛋白會增加與DNA的結合能力，并通過激活下游靶基因的轉錄抑制細胞增殖。在DNA損傷或氧化應激的情況下，SIRT1會去乙酰化p53蛋白，p53蛋白去乙酰化會降低自身的活性，激活細胞周期的表達，增加細胞增殖率[15]。p53蛋白屬于抑癌蛋白，其活性的降低有可能會導致腫瘤的發生，但目前并未發現SIRT1具有致癌作用[12]。PGC-1α也可被SIRT1去乙酰化，SIRT1可通過調控PGC-1α，控制線粒體內的氧化還原反應，影響線粒體功能[16]。SIRT1還可以調控FOXO1的乙酰化。FOXO1是糖脂代謝過程中的關鍵調控因子，其乙酰化調節不同于磷酸化調節，不是對FOXO1活性的激活或抑制，而是改變FOXO1作用的底物，從而影響其功能[17]。

白藜蘆醇存在于干紅葡萄酒、藍莓、花生等食物中[18]，可以激活SIRT1通路，對糖尿病、肥胖、阿爾茨海默病以及帕金森病等具有改善作用[19]。

2.2SIRT3 SIRT3是線粒體內最重要的去乙酰化酶，其作用的底物在代謝過程中發揮了重要作用[20]。Sirt3基因敲除小鼠會出現脂肪代謝障礙[21]。3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A合成酶2參與了酮體的生成，血糖降低時體內酮體的含量會升高，為大腦直接供能，其乙酰化位點可以被SIRT3去乙酰化[22]。熱量限制可以促進SIRT3去乙酰化草酰琥珀酸脫羧酶2和谷氨酸脫氫酶，這兩種酶均參與了三羧酸循環[23]。此外，熱量限制會通過SIRT3提高超氧化物歧化酶2的活性，減少活性氧類，緩解細胞內的氧化應激，調節細胞內氧化還原反應[24]。

2.3其他Sirtuins 相對于SIRT1和SIRT3，其他Sirtuins家族成員研究的較少。胞質內的SIRT2可以去乙酰化微管蛋白[25]，還可以去乙酰化蛋白酶激活受體3，減少有活性的蛋白激酶C，這種作用會影響神經鞘細胞髓鞘的形成[26]。SIRT2可通過去乙酰化磷酸烯醇丙酮酸羧激酶調節代謝過程[27]。FOXO1也會被SIRT2去乙酰化，進而改變催化活性[26]。

SIRT4存在于線粒體內，有研究顯示，Sirt4基因敲除小鼠血清胰島素的水平較正常小鼠低[28]。SIRT4可以調節肝臟和肌肉的脂肪酸氧化，但SIRT4與SIRT3對谷氨酸脫氫酶的調節作用是相反的。SIRT5最初不是作為去乙酰化酶被發現的，而是作為CPS1的琥珀酰化和丙二酰化酶被發現的[29]。在熱量限制期間，SIRT5通過激活CPS1啟動尿素循環。SIRT6與基因組DNA的穩定性相關，在新陳代謝和衰老過程中起著修復DNA的作用。Sirt6基因敲除小鼠IGF1的水平降低，并發生嚴重低血糖癥[30]。這可能與敲除小鼠的肌肉和棕色脂肪組織大量攝取葡萄糖，導致血糖降低有關[31]。選擇性沉默神經細胞中Sirt6基因表達的小鼠出生體型小，并出現追趕生長的現象，在成年后更易發生肥胖，這種現象可能與組蛋白H3的去乙酰化相關[32]。SIRT7可以去乙酰化p53蛋白，Sirt7基因敲除小鼠會表現出心臟肥大，這可能是p53過度乙酰化的結果，但此過程不能排除SIRT1的影響[33]。

3 Sirtuins與糖代謝

Sirtuins對維持血糖的穩定十分重要，可對肝臟、肌肉、脂肪以及胰腺進行細胞水平的調控，影響各個器官對胰島素信號的敏感性，調節對糖類的攝取和利用，參與血糖的穩定。攝入能量不足或消耗能量增加時，如熱量限制、進行鍛煉時肝臟會增加葡萄糖的合成，SIRT1在此過程中扮演雙重角色。一方面，可通過去乙酰化降低環腺苷酸效應元件結合蛋白調節轉錄輔助激活因子2的活性，抑制肝糖原的生成；另一方面，SIRT1通過增加FOXO1和PGC-1α的表達，增加糖異生，抑制糖酵解[34]。但SIRT1引起PGC-1α表達的變化，導致糖原合成增加的作用微弱。目前仍需要證明環腺苷酸效應元件結合蛋白調節轉錄輔助激活因子2、FOXO1以及PGC-1α在糖異生中的作用，才能更好地揭示SIRT1所扮演的角色。從已知的研究看，SIRT1的功能傾向于將血糖維持在一個穩定的水平。

SIRT2、SIRT3、SIRT4可增加糖異生[35]。SIRT2可增加糖異生相關酶的水平，而SIRT3和SIRT4可在熱量限制過程中上調糖異生。SIRT1、SIRT3和SIRT6可通過抑制缺氧誘導因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)的轉錄，抑制糖酵解過程。SIRT1通過去乙酰作用抑制HIF-1α的活性[36]，而SIRT3通過激活超氧化物歧化酶2以及增加谷胱甘肽的水平抑制HIF-1α的表達，提高抗氧化作用[37]。SIRT6與HIF-1α可協同降低糖酵解[38]。Sirtuins參與糖異生和糖酵解的過程，對血糖的穩定至關重要。

SIRT1除影響細胞內的糖酵解與糖異生外，還參與了胰島素對血糖的調節。胰島素可以增加器官對血糖的吸收，促進糖原合成，阻止糖異生過程，是體內最重要的降血糖激素。體內實驗證實，激活SIRT1可提高胰島素的敏感性，還可增加胰島素的分泌，這些作用可能是通過降低解偶聯蛋白2的活性實現的[39]。Sirt3基因的缺失可能導致線粒體功能紊亂和胰島素抵抗。以上研究提示，Sirtuins可作為治療糖尿病的一個潛在靶點。

在血糖的調控過程中AMPK具有重要作用。AMPK是一個異源三聚體，由α、β以及γ亞基構成，其中α亞基為催化亞基，具有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶位點。AMPK廣泛存在于真核生物中，是能量代謝過程中的一種重要激酶，受AMP/ATP比值的調節，當細胞耗能增加、儲存能量減少時，AMP/ATP比例升高，AMPK被激活，ATP的消耗降低合成增加，維持細胞內能量代謝的正常進行，因此AMPK又被稱為“細胞內能量檢測器”。

Yang等[40]發現，在C57BL/J小鼠肝臟和HepG2細胞中，α-硫辛酸可以增強SIRT1去乙酰化酶的活性，通過去乙酰化肝臟激酶1，激活SIRT1/肝臟激酶1/AMPK信號通路，發揮調節代謝的作用。Wang等[41]發現，成纖維細胞生長因子21的抗氧化作用是通過SIRT1的去乙酰化作用實現的，成纖維細胞生長因子21可以通過激活SIRT1使肝臟激酶1去乙酰化，繼而激活AMPK信號通路。但也有研究認為，AMPK可作為SIRT1的上游蛋白調節其活性[42]。Chang等[42]發現，AMPK磷酸化激活后可以磷酸化甘油醛-3-磷酸脫氫酶，磷酸化后的甘油醛-3-磷酸脫氫酶可以進入細胞核，使SIRT1與其抑制蛋白乳腺癌抑制基因1蛋白解離，誘導SIRT1活化，激活其生物學功能。目前仍需要更深入的研究闡明SIRT1與AMPK在代謝中的相關性。

4 Sirtuins與脂代謝

脂類代謝包括脂類的合成、儲存和消耗，脂類在體內的代謝受嚴格調控。營養過剩時，胰島素會增加肝臟脂類的合成；營養不足時，胰高血糖素和腎上腺素會增加脂肪的氧化分解。肝臟X受體(liver X receptor，LXR)是調控脂類代謝的重要轉錄因子，通過增加固醇反應性元素結合蛋白1c的水平調節脂類代謝[43]。SIRT1可通過激活LXR的轉錄因子，增強LXR的表達；也可通過去乙酰化作用降低固醇反應性元素結合蛋白1c的表達，抑制脂肪酸的合成，這種雙重作用類似于SIRT1對血糖平衡的調節，旨在將脂類代謝穩定在一個平衡水平[44]。除SIRT1之外，SIRT6也參與了脂肪酸的合成，Sirt6基因沉默小鼠肝臟內高表達與三酰甘油合成相關的基因[45]，推測SIRT6可以反饋調控三酰甘油的合成。

脂類的儲存受過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)的調控，SIRT1可促進PPARγ轉錄因子復合物的組裝，調控PPARγ轉錄起始位點與反式作用因子結合[46]，進而增加細胞對脂類的利用。除此之外，SIRT1還可以通過激活FOXO1間接激活PPARγ的轉錄[47]。

營養不足時，SIRT1可通過激活脂肪酸的氧化磷酸化途徑生成能量，此過程需要激活PPARγ和PGC-1α[48]。PPARγ和PGC-1α在Sirt1基因沉默小鼠的肝臟中低水平表達，高脂飲食下會誘發小鼠肝臟脂肪性病變[49]。此結果證實SIRT1調節了肝臟的脂肪代謝。其他Sirtuins家族蛋白，如SIRT3、SIRT4和SIRT6也參與了肝臟脂肪代謝過程，但其機制需要進一步研究。

5 小 結

Sirtuins家族蛋白是依賴于NAD+的去乙酰化酶，可調控多種與代謝相關的轉錄因子。Sirtuins活化具有潛在的治療肥胖、降低癌癥風險、改善應激反應的作用。如Sirtuins的表達降低或被抑制，會嚴重影響細胞內的代謝平衡；增強Sirtuins的表達或功能，可以一定程度地對抗肥胖等疾病。熱量限制作為對抗衰老的手段，可以改善代謝水平，如增加胰島素敏感性，調節生理節律，提高基因組穩定性、抑制腫瘤、減輕炎癥、保護神經細胞、緩解焦慮等，Sirtuins家族蛋白的活化可能是發揮這些作用的分子機制。白藜蘆醇是SIRT1的激活劑，可以改善代謝延緩衰老，可能對緩解代謝類疾病和延緩衰老有積極作用[50]。Sirtuins被認為是治療代謝與衰老性疾病的潛在靶點，但其確切的作用仍需要更多的臨床研究證明。