SIRT3在急性腎損傷中的作用研究進展

王曉鳳，杜國強，張 媛，王 鸞，徐 璨，趙 正，趙 敏※

(1.中國醫科大學附屬盛京醫院急診科，沈陽 110004； 2.青島市市立醫院耳鼻喉科，山東 青島 266000)

急性腎損傷是以腎小球濾過率突然下降為主要特征的疾病，可由腎臟缺血、腎毒性藥物、膿毒血癥及泌尿系梗阻等多種病因造成，臨床表現為血清肌酐濃度增加以及少尿[1]，治療措施主要包括針對病因進行的對癥支持治療，如保護腎臟功能、預防和處理并發癥等。急性腎損傷以及其并發癥無法單獨使用藥物控制時應及時使用腎臟替代療法。然而，即便經過精心治療，國外研究表明危重癥患者的急性腎損傷的發病率為50.1%[2]、死亡率為41.8%[2](最終納入401例患者),另一項國內研究表明急性腎損傷的發生率為54.7%[3](最終納入3 687例患者)，且90 d死亡率隨著急性腎損傷的嚴重程度的加重而增加(急性腎損傷1、2和3期的死亡率分別為16.7%、27.5%和48.3%)，部分存活患者脫離透析后有可能會進展為終末期腎病。研究發現，線粒體損傷是急性腎損傷最重要的病理生理學表現之一，而沉默信息調節因子(silent information regulator，SIRT)3參與線粒體蛋白穩態的調節，在線粒體生成、分裂、融合及自噬中發揮重要作用[4]。SIRTs是DNA編碼的Ⅲ型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴性蛋白，屬于組蛋白脫乙酰基酶類[4]，可以通過乙酰化水平來調節蛋白的活性[5]。SIRTs由大約270個氨基酸殘基構成，具有兩個不一樣的結構域，結構域之間存在一個裂縫，含有煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的結合位點，結合煙酰胺腺嘌呤二核苷酸后發生催化反應。在哺乳動物中，發現該家族具有七個亞型，N端和C端結構的不同決定了各亞型在各亞細胞結構中的定位和功能各不相同[6]：SIRT1、SIRT6和SIRT7主要存在于細胞核中，SIRT2在細胞質和細胞核中發現，而SIRT3、SIRT4和SIRT5主要存在于線粒體中。SIRT3、SIRT4、SIRT5負責蛋白質乙酰化的調節。因此SIRT3在急性腎損傷的發生發展機制中可能具有潛在的研究價值。現就SIRT3在急性腎損傷中的作用研究進展進行綜述。

1 SIRT3與線粒體相關的生物學作用

SIRT3是一種高度保守的依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的去乙酰化酶。SIRT3以長鏈形式存在，并有一個線粒體相關的靶向序列位于N端，當發生氧化應激等刺激時，細胞中的長鏈SIRT3經基質加工肽酶水解脫去其N端線粒體序列成為短鏈SIRT3，并進入線粒體發揮功能。據報道，超過65%的線粒體蛋白質轉化修飾需通過乙酰化完成[7]。在敲除SIRT3基因小鼠的肝臟組織、棕色脂肪組織及梗死后心肌組織中，線粒體蛋白高度乙酰化，這種變化與SIRT3表達下調同時發生[8]，說明SIRT3是主要的線粒體去乙酰化酶，可以調控線粒體蛋白乙酰化水平，進而調節機體代謝[4]。

1.1SIRT3調節線粒體的生物發生 線粒體的生物發生是線粒體代謝的一種機制，主要由過氧化物酶增殖體激活受體γ輔激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)調控。PGC-1α屬于核受體超家族，介導線粒體蛋白DNA序列的轉錄翻譯[9]。研究表明PGC-1α可以通過雄激素相關受體α調控SIRT3的表達，雌激素相關受體α是SIRT3的啟動子區，介導PGC-1α引起的SIRT3的轉錄[4]，敲減SIRT3的表達能明顯減弱PGC-1α對線粒體的轉錄調節。對人臍靜脈內皮細胞的研究表明，SIRT3介導叉頭框轉錄因子O3 亞型的去乙酰化，誘導其易位至細胞核內，為線粒體生物的合成提供了關鍵蛋白，如PGC-1α、動力相關蛋白1、線粒體融合蛋白2和線粒體轉錄因子A。這些發現證明SIRT3在調節線粒體生物合成，保護線粒體代謝中的核心作用。

1.2SIRT3調節線粒體裂變與融合 細胞對能量的需求依靠線粒體裂變和融合之間的動態平衡。裂變由細胞質內的動力相關蛋白1和線粒體外膜上的分裂蛋白共同介導。線粒體通過裂變適應細胞不斷生長需求。同時，視神經萎縮蛋白1和線粒體融合蛋白共同介導了線粒體的融合，融合的過程實現了線粒體應對細胞應激時對能量需求的增加。裂變導致線粒體分裂，而融合則意味著線粒體內代謝產物和線粒體DNA在線粒體之間的交換。這種正常的裂變與融合的平衡受多種內、外部因素影響。據報道，SIRT3通過去乙酰化，激活視神經萎縮蛋白1來維持甚至增強線粒體呼吸鏈膜蛋白復合體的活性，同時也提出，SIRT3對視神經萎縮蛋白1的去乙酰化調節可能是阻斷線粒體介導細胞凋亡的機制之一[10-11]。Morigi等[12]發現在腎小管上皮細胞中，SIRT3過表達可降低動力相關蛋白1在線粒體中的聚集，并證實SIRT3可通過調節動力相關蛋白1和線粒體外膜上的分裂蛋白的表達，限制線粒體分裂。有研究表明，SIRT3在鈣離子動態中起重要作用，并與細胞的凋亡調控相關[6]。細胞凋亡依賴于線粒體滲透性轉換孔，線粒體滲透性轉換孔的持續開放將會導致線粒體膜電位流失、細胞色素C的釋放，激活前凋亡通路。SIRT3可以通過細胞色素D的去乙酰化阻止線粒體滲透性轉換孔的持續開放，進而阻止活性氧類的產生，使鈣離子動態穩定，穩定線粒體動力學，減少細胞的凋亡。因此，SIRT3是調節線粒體動力學的重要蛋白。

1.3SIRT3調節線粒體生物能量的合成 能量的生成是細胞生存的核心元素，ATP產生降低是細胞凋亡的強烈信號。SIRT3調節呼吸鏈中酶復合物Ⅰ、酶復合物Ⅱ和酶復合物Ⅴ的活性以及線粒體核糖體蛋白10的活性，因而SIRT3幾乎可以調節整個呼吸鏈的轉錄[6]。

當細胞中主要供能物質丙酮酸供給不足時，細胞中的線粒體可以通過轉換供能途徑為脂肪酸、氨基酸以及乙酸分解代謝，從而為細胞提供能量，這種叫華寶效應(Warburg effect)的代謝轉換也受SIRT3表達水平的調節。在SIRT3敲低小鼠的肝臟中有43%的蛋白質乙酰化增加，參與三羧酸循環，說明乙酰化可能在調節三羧酸循環中的能量代謝方面發揮重要作用。研究證實，在線粒體能量生產中，SIRT3介導了脫乙酰化和活化的過程，包括異檸檬酸脫氫酶2、乙酰輔酶A合成酶2、谷氨酸脫氫酶以及電子傳遞鏈相關蛋白[13]。Hirschey等[14]發現心臟組織中廣泛存在長鏈脂肪酸輔酶A脫氫酶的乙酰化，而SIRT3缺陷型動物顯示心臟中長鏈脂肪酸輔酶A脫氫酶乙酰化增加，脂肪酸氧化水平減少33%。最近的研究表明，SIRT3通過線粒體蛋白的去乙酰化參與心臟ATP的調節，在SIRT3缺陷小鼠的心臟中ATP水平明顯降低[15]。這些均說明SIRT3對蛋白乙酰化的調節，可能是線粒體能量合成的關鍵。

1.4SIRT3對抗氧化防御系統的調節 谷胱甘肽、超氧化物歧化酶參與人體內的氧化還原反應，是重要的還原劑，可以清除體內過氧化后產生的有害代謝物質，可以阻止脂質的過氧化。活性氧類是判斷氧自由基產生和組織損傷的重要生物標志物。線粒體是產生活性氧類的主要場所。生理情況下，活性氧類可以調節細胞穩態、細胞分裂與分化等多種生理活動，而在特殊環境下，因長期的缺血、缺氧或藥物的毒性作用，呼吸鏈無法正常獲得電子，呼吸鏈被中斷，大量的電子堆積，與再灌注后攝入的游離氧結合，繼而產生活性氧類。過多的活性氧類直接影響線粒體氧化和抗氧化系統的平衡，使活性氧類的清除作用受抑制，導致活性氧類大量聚集，最終造成線粒體膜脂質、蛋白質的過氧化，從而影響線粒體膜的通透性，同時破壞線粒體嵴的結構，引發線粒體損傷，影響線粒體產能，無法提供足夠能量。SIRT3的過度表達抑制核因子κB的轉錄活性，并下調胞外調節蛋白激酶1/2和p38的磷酸化，降低活性氧類水平，故在近端腎小管上皮細胞中可能存在SIRT3介導的抗氧化機制[16]。有研究表明，SIRT3可以通過錳超氧化物歧化酶減少細胞內活性氧類水平，作為去乙酰化酶，SIRT3非特異性地使組蛋白和非組蛋白去乙酰化，可通過使超氧化物歧化酶兩個關鍵的賴氨酸殘基去乙酰化來增強細胞的抗氧化活性。另外，SIRT3可增加錳超氧化物歧化酶及異檸檬酸脫氫酶2的活性，將線粒體中咽酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸向還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸轉換，有助于維持谷胱甘肽處于還原狀態，同時，與硫氧還蛋白-2相互作用參與過氧化氫的清除，提高機體抗氧化防御能力[17]。細胞核中的SIRT3可以通過去乙酰化增加叉頭框轉錄因子O3亞型的表達，進一步促進錳超氧化物歧化酶和異檸檬酸脫氫酶2表達，減輕氧化應激對細胞的損傷[7]；SIRT3還可以減少p38促分裂原活化的蛋白激酶、胞外調節蛋白激酶1/2的磷酸化作用，抑制核因子κB活化，提高錳超氧化物歧化酶的表達水平來抑制活性氧類的生成，進而減少活性氧類導致的小管間質性腎炎的惡化[18]。研究表明缺乏SIRT3的細胞和組織顯示出高的氧化應激指數，但Parodi-Rullán等[19]觀察到在缺血后恢復期間，SIRT3缺乏會加劇心臟功能障礙，并增加活性氧類生成，而不會對線粒體蛋白質和DNA造成氧化破壞。在氧化應激方面，SIRT3隨著活性氧類的增加而上調，這種上調機制可能受缺氧誘導因子-1α調控。另一種可能存在的通路是E2相關調節因子抗氧化應激通路，一旦發生氧化應激，E2相關調節因子轉移至核內，使具有抗氧化反應原件結合位點的基因激活并表達[20]，而SIRT3和E2相關調節因子的功能主要在于調控能量代謝和線粒體生成[8]。

2 SIRT3在急性腎損傷中的作用機制

急性腎損傷主要指急性腎小管壞死，管狀細胞富含線粒體，對能量需求更高，近端小管更加依賴有氧代謝過程，較遠端小管更容易處于氧化應激狀態[21]，有文獻提出近端小管的線粒體改變是腎臟疾病發生和發展的重要標志[22]，而SIRT3作為線粒體酶參與線粒體的多種生物調節，推測SIRT3在急性腎損傷中發揮重要作用，也確有文獻證明SIRT3在急性腎損傷中重要的保護作用[11,23]。

2.1SIRT3與膿毒癥導致的急性腎損傷 膿毒癥是急性腎損傷最常見的致病因素。在成人和兒童的數據中，膿毒癥占發達國家所有急性腎損傷的26%～50%，而在原發性腎臟疾病相關的急性腎損傷中膿毒癥占7%～10%[22]。基礎實驗表明，在小鼠膿毒癥導致的急性腎損傷模型中，SIRT3可以減輕急性腎損害以及腎臟的病理損傷，甚至延長生存期[11]。Zhao等[24]在盲腸結扎與穿刺所致小鼠膿毒癥模型中發現SIRT3基因敲除小鼠腎臟組織中的活性氧類生成增加，SIRT3可以通過NOD樣受體家族3炎性小體/白細胞介素-1β和白細胞介素-12的炎癥反應信號通路減少腎小管上皮細胞損傷及細胞凋亡，從而改善腎功能。同時該課題組還發現，SIRT3通過調節AMP活化的蛋白激酶/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路，對膿毒癥所導致的急性腎損傷具有保護作用。

2.2SIRT3與缺血再灌注所導致的急性腎損傷 缺血再灌注所是急性腎損傷的第二大原因，通常由泌尿系手術、腎臟移植、結石梗阻解除等相關操作導致，此原因誘發的急性腎損傷機制可能是缺血、缺氧導致線粒體功能障礙，導致細胞壞死，或者再灌注的級聯放大反應，如炎癥反應、氧自由基增多、鈣離子超載等。關于缺血再灌注導致急性腎損傷的研究較少，Pan等[25]利用斯鈣素1轉基因小鼠和Hek細胞通過體內體外實驗發現，斯鈣素1對激活腎臟中的AMP活化的蛋白激酶有重要作用，AMP活化的蛋白激酶介導了斯鈣素1上調解偶聯蛋白2和SIRT3蛋白的過程，并對缺血再灌注導致的急性腎損傷具有保護作用。

2.3SIRT3與藥物導致的急性腎損傷 我國一項多中心研究表明，約40%的急性腎損傷病例可能與藥物有關[26]，抗癌藥物毒性仍然是急性腎損傷的一個重要原因[27]。

順鉑是一種高效的化療藥物，用于治療睪丸、卵巢癌、非小細胞肺癌和頭頸部鱗狀細胞癌[28]，但其臨床作用受到其腎毒性的極大限制。在順鉑所致急性腎損傷的實驗模型中，氧化應激和線粒體損傷的增加與SIRT3表達的減少有顯著相關性[12]。Kim等[29]的研究表明，SIRT3基因敲除小鼠的腎損傷更嚴重，腎臟炎癥和腎小管凋亡也更明顯，SIRT3可能在順鉑引起的腎毒性中起重要作用。Morigi等[12]研究表明，在順鉑導致的急性腎損傷模型中，SIRT3基因敲除鼠的腎損傷程度更重，死亡率更高，同時在細胞實驗中得以驗證，順鉑處理人腎小管細胞后SIRT3的蛋白表達量降低，線粒體功能降低，而經過SIRT3的激活劑處理后線粒體功能障礙得以改善，表明SIRT3對急性腎損傷有保護作用。

2.4SIRT3與其他原因導致的急性腎損傷 造影劑性腎病是醫院獲得性急性腎損傷的病因之一。Huang等[30]利用人腎近端小管上皮細胞系(HK-2細胞)進行了體外實驗，發現白藜蘆醇處理可減少細胞DNA斷裂，增加抗凋亡蛋白Bcl-2和存活蛋白的表達，激活胱天蛋白酶3，防止細胞自噬性死亡，抑制活性氧類生成，但沒有發現SIRT3在這些效應中發揮作用，所以SIRT3在造影劑腎病中的作用值得商榷。

3 展 望

臨床工作中，急性腎損傷缺乏有效的早期標志性診斷指標和有效的防治措施，但線粒體損傷在腎損傷中發生較早，針對線粒體的保護對于保護腎功能作用重大，因而SIRT3作為線粒體蛋白理論上有望成為早期診治急性腎損傷的有效指標及治療靶點。近年來，針對SIRT3的治療相對局限，有證據表明通過補充煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和注射5-氨基-4-甲酰胺咪唑核糖核苷酸可以提高SIRT3的表達[31]。此外，從玉蘭樹的樹皮中提取的和厚樸酚[32]，也具有抗氧化和抗炎活性的作用，可以增加SIRT3的表達量，減少相關器官的損害，但尚處于研究階段。目前的基礎研究中有關SIRT3的上、下游通路以及SIRT3的調控機制并不十分清楚。因此，具體應用到臨床還需要更多證據的積累。