SIRT3介導的線粒體功能和代謝調控機制在2型糖尿病中作用的研究進展

楊 靜，李 民

(北京大學第三醫院 麻醉科，北京 100191)

2型糖尿病(diabetes mellitus type 2，T2DM)是一種代謝失調性疾病，其慢性高血糖狀態會影響線粒體功能，引起代謝紊亂，在若干組織造成損害和功能障礙，并導致諸多疾病，包括周圍神經病變[1]、心血管疾病[2]、視網膜病變[3]和腎臟疾病[4]，是嚴重影響人類健康的公共衛生問題之一。

T2DM形成的機制非常復雜，近些年研究發現，β細胞功能缺陷、線粒體功能障礙、胰島素抵抗、糖代謝異常、脂代謝異常、氧化應激、自噬異常及遺傳因素等可能是T2DM重要的發病機制[5]。現有的治療方法包括胰島素、雙胍類以及格列奈類等，療效有限，且會產生不同的副作用。例如，雙胍類藥物隨著使用時間的延長以及劑量的增加會引起消化道反應、乳酸性酸中毒及皮膚過敏等嚴重的不良反應[6]。因此，急需新的藥物及方法來治療T2DM。本文主要綜述了近年來關于SIRT3介導的線粒體功能和代謝調控機制在T2DM中作用的研究進展。

1 SIRT3的分類及特征和在糖尿病中的作用

Sirtuins(SIRTs)是III類組蛋白去乙酰酶，可調節多種生物功能。在哺乳動物細胞中，有7種SIRT，即SIRT1～7，其中SIRT3、SIRT4和SIRT5主要定位于線粒體內，其通過翻譯后修飾參與多種細胞代謝途徑的調控。SIRT3是一種定位于線粒體的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)依賴的去乙酰化酶，調控多種線粒體蛋白的功能，維持代謝、ATP 產生等多種生理功能的穩定[5]。NAD+是SIRT3活性的直接調節因子，SIRT3在體內的表達與活性還受到多種因素如運動、高脂飲食、熱量限制的調控[7]。越來越多的證據表明，線粒體乙酰化是普遍存在的，許多位點的乙酰化狀態受NAD+依賴性去乙酰酶SIRT3的酶活性控制[8]。SIRT3在調節線粒體氧化還原穩態、代謝性適應、廣泛的酶活性、應激反應、胰島素應答和自噬過程中起重要作用。SIRT3缺乏與代謝障礙性疾病的發病機制有關，如T2DM[9]。

2 SIRT3介導的線粒體功能調控機制對2型糖尿病的影響

2.1 線粒體呼吸鏈功能與2型糖尿病

在線粒體上，有很多種與呼吸作用有關的顆粒，即多種呼吸酶。它是細胞進行呼吸作用的場所，通過呼吸作用，將有機物氧化分解，并釋放能量。呼吸酶系統障礙可導致活性氧(reactive oxygen species，ROS)積累、外周組織胰島素信號傳導和葡萄糖攝取受損，也可加劇T2DM的發生與發展。在T2DM中，葡萄糖依賴的氧消耗率的急劇下降是由于高乙酰化呼吸酶引起的線粒體功能障礙[10]。Sirt3可以通過去乙酰化激活呼吸酶從而促進線粒體功能。Sirt3缺乏或表達水平低下可以通過翻譯后修飾導致呼吸酶功能下降。在Sirt3缺失的小鼠模型中，其線粒體顯示出嚴重的選擇性的呼吸酶缺陷，細胞內腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)水平明顯降低。表明SIRT3可以介導ATP合酶蛋白去乙酰化，從而促進線粒體能量穩態[11]。此外，在Sirt3 敲除小鼠的胰島β細胞中，線粒體活性下降，葡萄糖刺激的胰島素分泌和ATP合成受損。進一步強調了SIRT3在線粒體呼吸功能中具有重要作用[12]。因此，以SIRT3為靶點來增強線粒體呼吸功能，可能提供一種新的T2DM治療方法。

2.2 線粒體氧化還原穩態與2型糖尿病

SIRT3在氧化還原穩態中具有重要作用，特別是對抗糖尿病組織高糖/脂環境誘導的氧化應激。在糖尿病大鼠模型中，與非糖尿病的正常大鼠相比，糖尿病大鼠SIRT3活性和線粒體功能降低，同時伴隨著血液和尿液中8-羥基脫氧鳥苷(8-hydroxydeoxyguanosine，8-OHDG)水平升高。SIRT3可以使8-氧代鳥嘌呤DNA糖基化酶(8-oxoguanine DNA glycosylase，OGG1)去乙酰化，修復DNA中的8-OHDG，保護其不降解，促進氧化DNA損傷的修復，尤其是線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)[13]。所以沉默Sirt3會對mtDNA和核DNA造成更嚴重的損傷，并觸發細胞凋亡以應對氧化應激的挑戰。因此，增強Sirt3介導的抗氧化應激反應可能為治療T2DM提供新的思路。

氧化還原穩態失衡和活性氧過量積累是導致胰島素抵抗、糖尿病等代謝紊亂的主要原因。SIRT3是限制熱量以降低細胞內ROS水平的有益作用所必需的[14]。Sirt3缺乏的小鼠表現出乙酰化增加和超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase-2,MnSOD)活性降低。MnSOD作為超氧陰離子清除劑，可以應對線粒體呼吸鏈電子泄漏引起的氧化應激[14]。在糖尿病Sirt3敲除小鼠中，線粒體功能受損，氧化應激增強。糖尿病皮膚傷口愈合速度延遲，血液供應和血管內皮生長因子的表達減少，超氧化物生成增多，總抗氧化能力降低，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性降低，從而加劇皮膚超微結構障礙糖尿病小鼠的傷口[15]。提示SIRT3是一種有前途的治療T2DM及其并發癥的藥物。

2.3 線粒體自噬作用與2型糖尿病

線粒體作為一種清除細胞內衰老蛋白和損傷細胞器的保護性機制，被認為參與T2DM的形成[16]。在鏈脲佐菌素(streptozocin,STZ)誘導的糖尿病大鼠模型中，坐骨神經單磷酸腺苷活化蛋白激酶(adenosine monophosphate activated potein kinase,AMPK)表達降低，線粒體生物發生和線粒體自噬減少。提示慢性高糖狀態下細胞線粒體自噬通路受損，可能是導致線粒體功能紊亂引起T2DM的重要原因[17]。此外，SIRT3可以通過激活Foxo3a通路，上調Parkin表達，增強線粒體自噬作用以應對線粒體損傷，幫助解除細胞氧化應激狀態并維持線粒體正常的生物合成，同時阻止線粒體毒性物質向胞內釋放，維持細胞的正常存活，從而抵抗T2DM誘發的心臟病的發生發展[18]。因此調節SIRT3的表達促進線粒體自噬可能是潛在的T2DM控制靶點。

3 SIRT3介導的代謝調控機制對2型糖尿病的影響

3.1 鈣離子代謝與2型糖尿病

Ca2+代謝失調與肥胖、胰島素抵抗、T2DM等代謝性疾病有關。鈣超載是一些有害因素引起的鈣平衡系統功能失調導致細胞內鈣濃度異常性升高。SIRT3可以保護皮質神經元免受氧化應激誘導的線粒體Ca2+超載。下調Sirt3可加重氧化應激誘導的細胞死亡，而過表達Sirt3可減輕氧化應激處理誘導的線粒體內Ca2+超載[19]。此外，在高脂飲食處理的小鼠模型中，SIRT3可以通過AMPK依賴途徑降低啟動子區H3K27ac的水平，抑制線粒體鈣單向轉運體(mitochondrial calcium uniporter,MCU)的表達，從而減輕線粒體鈣超載對棕色脂肪細胞的有害影響[20]。因此，SIRT3介導的鈣離子代謝與T2DM的發生發展密切相關。

3.2 葡萄糖代謝與2型糖尿病

葡萄糖是生物的主要供能物質。SIRT3可以促進骨骼肌攝取葡萄糖有效改善胰島素抵抗，在一定程度上阻礙T2DM的發生發展。SIRT3通過去乙酰化激活丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)，促進丙酮酸轉化為乙酰輔酶A(acetyl coenzyme-A,acetyl-CoA)，這將葡萄糖的利用從無氧糖酵解轉變為有氧代謝，從而影響葡萄糖的攝取。在Sirt3敲除小鼠中，葡萄糖轉運蛋白的水平以及葡萄糖的攝取顯著降低，表現出葡萄糖轉運被破壞，葡萄糖的利用率降低[21]。此外，已經證實，在高胰島素血癥條件下，SIRT3被激活，葡萄糖耐量降低，從而引起糖尿病性腎損傷[22]。在Sirt3缺失小鼠模型中，喂養高脂飲食后血糖、胰島素水平顯著升高，表現為胰島素抵抗、葡萄糖耐受不良和葡萄糖輸注速率顯著下降，表明Sirt3缺失會引起外周葡萄糖攝取不敏感，組織對胰島素產生抵抗。進一步研究發現，這一表現主要與骨骼肌葡萄糖攝取能力受損有關[23]。因此，調控SIRT3的表達從而糾正葡萄糖代謝在T2DM的治療中具有重要意義。

3.3 脂肪酸代謝與2型糖尿病

游離脂肪酸(free fatty acid,FFA)是三酰甘油的水解產物,其可影響葡萄糖的氧化、攝取以及糖異生,影響胰島素分泌,干擾胰島素信號系統的傳導，從而誘導T2DM的發生。在T2DM小鼠模型中，調節脂肪酸成分可以降低β細胞脂毒性，使β細胞增殖增加，凋亡減少，胰島素適應性增加，血糖改善，提示脂肪酸在2型糖尿病中具有重要作用[24]。SIRT3可以調節脂質利用，消除體內過量脂肪酸。質譜分析明確了涉及脂肪酸氧化的酶為SIRT3底物，如長鏈酰基輔酶A脫氫酶(long chain 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase deficiency,LCAD)。LCAD是一種關鍵的線粒體脂肪酸氧化酶，在Sirt3敲除小鼠中，LCAD賴氨酸乙酰化程度增加，活性降低，脂肪酸氧化減少。表明了SIRT3分子是脂肪代謝調控的重要分子，在利用能量方面具有重要調節作用，能夠通過對一系列的底物去乙酰化修飾反應來參與調節脂肪酸氧化等生物學過程，與T2DM的發病及進展關系密切[25]。因此干預SIRT3介導的脂肪代謝途徑在T2DM的治療中具有臨床應用價值。

4 問題與展望

綜上所述，SIRT3作為線粒體功能完整性的重要調節因子，能夠針對T2DM線粒體損傷和代謝紊亂的重要機制進行調控從而有效減緩或抑制T2DM及其并發癥的發生發展。補充SIRT3或對SIRT3作用通路關鍵分子進行修飾可能是一種重要治療策略。目前臨床上缺乏治療T2DM的特效藥，SIRT3分子對于治療T2DM顯示出積極作用，但現階段對線粒體損傷調節機制及SIRT3作用的認識有限，未來有必要對SIRT3發揮作用的具體機制、重要分子靶點進行深入研究，以便早日開發出有效藥物應用于臨床。