SIRT1改善糖尿病血管內(nèi)皮功能的機(jī)制研究進(jìn)展

雷永芳，聶雪坤，林敏華，汪余嘉，陳子春

(1.福建中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，福建 福州 350122；2.寧德市醫(yī)院臨床藥學(xué)室，福建 寧德 352100)

據(jù)國(guó)際糖尿病聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)我國(guó)2018年約有1.09億糖尿病患者，是糖尿病發(fā)病率最高的國(guó)家[1]。近年，我國(guó)糖尿病發(fā)病率持續(xù)上升，預(yù)計(jì)在2050年患病率增加一倍[2]。糖尿病可引發(fā)多種慢性并發(fā)癥，主要包括神經(jīng)病變、大血管病變(外周血管、腦血管、冠狀動(dòng)脈病變)、微血管病變(糖尿病視網(wǎng)膜病變及糖尿病腎病)等，其中大血管病變導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化是患者主要的致死原因。血管內(nèi)皮功能障礙，表現(xiàn)為內(nèi)皮依賴性血管舒張功能受損，是動(dòng)脈粥樣硬化的早期標(biāo)志[3]。SIRT1(sirtuins 1)，一種分布廣泛的去乙酰化酶，可調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、凋亡、衰老等，在心血管系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用[4]。研究表明SIRT1對(duì)高糖引起的血管內(nèi)皮功能障礙具有保護(hù)作用，本文將簡(jiǎn)要闡述SIRT1改善血管內(nèi)皮功能障礙的機(jī)制研究。

1 SIRT1概述

Sirtuins，起源于酵母，屬于Ⅲ類煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴性組蛋去乙酰化酶，是沉默調(diào)控基因SIR2的同源物，由7個(gè)家族成員(SIRT1-7)組成，有長(zhǎng)壽基因之稱[5]。SIRT1是sirtuin家族成員中研究最廣泛的蛋白質(zhì)，可調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子與激活因子，如叉頭轉(zhuǎn)錄因子(forkhead box transcription factor O，F(xiàn)OXO)、核因子-κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)、過氧化物酶體增殖物激活受體-γ協(xié)同刺激因子1α(peroxisome proliferator activated receptorγcoactivator-1α，PGC-1α)及腫瘤抑制基因P53等，并參與DNA修復(fù)、線粒體生物活性、胰島素穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)等相關(guān)信號(hào)通路，可對(duì)抗癌癥、阿爾茲海默癥和糖尿病等多種疾病[6]。

2 SIRT1與內(nèi)皮功能障礙

內(nèi)皮細(xì)胞覆蓋在整個(gè)系統(tǒng)的血管表面，給血液與血管之間形成一層保護(hù)屏障[7]。同時(shí)內(nèi)皮細(xì)胞可分泌一氧化氮(nitric oxide，NO)、超極化因子(endothelium-derived hyperpolarizing factor，EDHF)、內(nèi)皮素-1(endothelin-1，ET-1)、血管緊張素Ⅱ(angiotensinⅡ，Ang-Ⅱ)、前列環(huán)素等調(diào)控血管舒張，分泌抗凝血酶維持血液流動(dòng)，釋放組織型纖溶酶原激活物(tissue type plasminogen activator，t-PA)及纖溶酶原激活物抑制劑-1(plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1)平衡血管穩(wěn)態(tài)[8]。在高血糖環(huán)境中，血管內(nèi)皮功能易發(fā)生紊亂，如血管內(nèi)皮細(xì)胞受損，舒張因子NO分泌減少、ET-1釋放增多、血管平滑肌增生等，其中NO產(chǎn)量和生物利用度的降低是內(nèi)皮功能障礙的關(guān)鍵因素。Strycharz等[9]提出血管內(nèi)皮功能障礙與SIRT1之間聯(lián)系密切，SIRT1可參與調(diào)控NF-κB、腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)、磷酯酰肌醇-3 激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein Kinase B，PI3K/Akt)等信號(hào)通路，刺激內(nèi)皮細(xì)胞中NO的合成并減輕內(nèi)皮細(xì)胞衰老、氧化應(yīng)激、炎癥等來改善血管內(nèi)皮功能，提示SIRT1可能是糖尿病血管并發(fā)癥的重要靶點(diǎn)。

2.1 SIRT1與一氧化氮 NO是維持內(nèi)皮正常功能的重要血管擴(kuò)張劑[8]。NO主要由一氧化氮合酶(nitric oxide synthas，NOS)激活產(chǎn)生，NOS有三種亞型：內(nèi)皮型NOS(endothelial nitric oxide synthas，eNOS)、誘導(dǎo)型NOS(inducible nitric oxide synthas，iNOS)和神經(jīng)元NOS(neuronal nitric oxide synthas，nNOS)，它們以L-精氨酸和分子氧為底物，伴隨著幾種共底物和輔助因子，在內(nèi)皮細(xì)胞中合成NO[5]。內(nèi)皮細(xì)胞中的乙酰膽堿、緩激肽和組胺等激動(dòng)劑與其特異性受體結(jié)合后，可增加胞內(nèi)Ca2+的濃度，Ca2+與鈣調(diào)蛋白結(jié)合并激活eNOS上的鈣調(diào)蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生NO。類似的，SIRT1與eNOS共定位，介導(dǎo)eNOS去乙酰化和激活，并通過496和506位的賴氨酸殘基與eNOS的鈣調(diào)蛋白結(jié)構(gòu)域結(jié)合，增強(qiáng)eNOS活性并促進(jìn)NO合成。SIRT1受抑制后，NO生物活性和內(nèi)皮依賴性血管舒張下降。Yang等[10]研究證實(shí)2型糖尿病大鼠腹主動(dòng)脈中SIRT1的表達(dá)明顯低于正常組大鼠的水平，大鼠出現(xiàn)動(dòng)脈粥樣硬化早期改變。同時(shí)用高糖培養(yǎng)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVEC)，發(fā)現(xiàn)高糖組SIRT1表達(dá)減少，NO水平降低。而用SIRT1激活劑預(yù)處理細(xì)胞后，NO水平明顯上升，提示SIRT1可能具有改善糖尿病患者動(dòng)脈粥樣硬化病變的作用。Vikram等[11]發(fā)現(xiàn)在高糖高脂飲食的小鼠主動(dòng)脈中miR-204(microRNA-204)表達(dá)上調(diào)，同時(shí)miR-204與SIRT1連接，降低血管中SIRT1表達(dá)，誘發(fā)血管炎癥。當(dāng)抑制miR-204并上調(diào)SIRT1表達(dá)后可提高NO水平，改善內(nèi)皮依賴性血管舒張功能。

2.2 SIRT1與氧化應(yīng)激 糖尿病是以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，其中高血糖可引起氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、胰島素抵抗等反應(yīng)[12]。其中氧化反應(yīng)與血管內(nèi)皮舒張因子NO密切相關(guān)，在eNOS合成NO過程中，電子會(huì)從NADPH氧化酶轉(zhuǎn)移到C端還原酶結(jié)構(gòu)域，結(jié)合血紅素鐵和輔助因子四氫生物蝶呤(tetrahydrobiopterin，BH4)偶聯(lián)，產(chǎn)生NO和瓜氨酸。而氧化因子活性氧(reactive oxygen species，ROS)可使BH4與eNOS“解偶聯(lián)”，繼而將O2轉(zhuǎn)化為超氧化物(O2-)自由基，降低NO生成量，導(dǎo)致血管內(nèi)皮功能受損。研究顯示SIRT1激活劑白藜蘆醇通過上調(diào)SIRT1表達(dá)，有效防御ROS引起的氧化損傷，并完全消除高糖依賴性內(nèi)皮細(xì)胞毒性，增加NO表達(dá)水平[13-14]。SIRT1作為組蛋白去乙酰化酶，還可去乙酰化P53、FOXO、PGC-1a等，其中SIRT1降低細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激主要通過去乙酰化FOXO，使FOXO發(fā)生核轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)FOXO轉(zhuǎn)錄活性促進(jìn)錳超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase，MnSOD)表達(dá)[15]。MnSOD可及時(shí)清除細(xì)胞內(nèi)過多的ROS水平，減少氧化損傷，從而改善血管內(nèi)皮氧化應(yīng)激狀態(tài)。高糖環(huán)境下，Shc蛋白家族成員之一p66Shc可通過氧化細(xì)胞色素C產(chǎn)生ROS，增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激。Kumar等[16]提出SIRT1是P66Shc的靶標(biāo)，經(jīng)特異性調(diào)控P66Shc去乙酰化，可降低P66Shc生成ROS的氧化功能。Hu等[17]提出在糖尿病小鼠與高糖培養(yǎng)的HUVEC中miR-383的表達(dá)明顯上升，SIRT1表達(dá)受到抑制。miR-383抑制劑處理后可抑制高糖誘導(dǎo)的ROS水平和細(xì)胞凋亡。在敲除SIRT1后逆轉(zhuǎn)了miR-383抑制劑對(duì)ROS和細(xì)胞凋亡的作用，提示上調(diào)SIRT1的表達(dá)可抑制miR-383并有效改善氧化應(yīng)激并增強(qiáng)血管內(nèi)皮活性。

2.3 SIRT1與炎癥反應(yīng) 炎癥反應(yīng)被認(rèn)為是動(dòng)脈粥樣硬化的主要原因，在糖尿病中，單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell，NK cell)浸潤(rùn)至脂肪組織，改變免疫細(xì)胞數(shù)量，釋放炎癥因子、黏附因子，血小板聚集等，最終形成危險(xiǎn)斑塊，造成血管栓塞[18]。在慢性炎癥期間，SIRT1表達(dá)受到抑制，相關(guān)促炎因子的水平明顯上調(diào)。研究顯示活化SIRT1可調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子如NF-κB信號(hào)和動(dòng)脈粥樣硬化中相關(guān)的炎性纖溶酶原激活物抑制物-1(PAI-1)，抑制單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的黏附，進(jìn)而改善炎癥反應(yīng)[19]。Liu等[20]同樣提出，白藜蘆醇可激活內(nèi)皮細(xì)胞AMPK/SIRT1信號(hào)通路，抑制炎癥反應(yīng)，并介導(dǎo)PI3K/Akt/eNOS信號(hào)通路來改善內(nèi)皮功能。NLRP3炎癥小體(Nod-like receptor protein 3，NLRP3)，在心血管疾病中被異常激活，研究稱NLRP3炎癥小體在高糖誘發(fā)血管內(nèi)皮功能障礙方面起重要作用[21]。高糖培養(yǎng)的內(nèi)皮細(xì)胞中線粒體ROS表達(dá)升高并激活相關(guān)蛋白硫氧還蛋白(thioredoxin interaction protien，TXNIP)誘導(dǎo)NLRP3炎癥小體表達(dá)，NLRP3炎癥小體激活后釋放炎癥因子白介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)。過表達(dá)SIRT1時(shí)則負(fù)調(diào)控NLRP3表達(dá)，降低炎癥因子產(chǎn)生，同時(shí)提高NO水平。Jiang等[22]利用高糖孵育人視網(wǎng)膜血管內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)SIRT1的表達(dá)和AMPK磷酸化明顯降低，而乙酰化NF-κB、NLRP3、caspase-1，IL-1β等蛋白表達(dá)異常升高。當(dāng)白藜蘆醇干預(yù)后，細(xì)胞內(nèi)NLRP3炎癥小體表達(dá)恢復(fù)正常，提出激活SIRT1/AMPK/NF-κB信號(hào)通路，可以減少NLRP3炎癥小體水平，改善血管中高糖誘導(dǎo)的炎癥損傷。

2.4 SIRT1與內(nèi)皮細(xì)胞衰老 細(xì)胞衰老是指細(xì)胞應(yīng)激指細(xì)胞處于不可逆的永久性細(xì)胞周期生長(zhǎng)停滯狀態(tài)，并伴有形態(tài)、生化、功能等改變[23]。糖尿病的高血糖環(huán)境和ROS水平異常升高、NO生物活性下降可導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞端粒長(zhǎng)度縮短和DNA受損，使內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)停滯，促使細(xì)胞早衰，并直接引起血管內(nèi)皮功能障礙[10]。SIRT1在調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)、衰老和凋亡中起核心作用，可調(diào)控P53、P21等細(xì)胞周期調(diào)控因子[15]。在高糖誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞衰老中P53、P21、乙酰化叉頭轉(zhuǎn)錄因子(AC-FOXO1)表達(dá)顯著增加，抗凋亡蛋白BCL-2、SIRT1表達(dá)下降。二甲雙胍處理后上調(diào)SIRT1表達(dá)，衰老相關(guān)蛋白表達(dá)量逆轉(zhuǎn)。而沉默SIRT1后衰老相關(guān)蛋白及AC-FOXO1表達(dá)再次上升。證實(shí)了SIRT1可調(diào)控SIRT1/FOXO1/BCL-2和SIRT1/P53/P21信號(hào)通路，改善血管衰老[24]。Chen等[25]在糖尿病小鼠中得出同樣結(jié)論，糖尿病小鼠高水平表達(dá)P53、P21、PAI-1等衰老標(biāo)記因子，而經(jīng)內(nèi)皮特異性SIRT1轉(zhuǎn)基因的糖尿病小鼠衰老因子表達(dá)下降，進(jìn)一步驗(yàn)證SIRT1/P53/P21信號(hào)通路介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞衰老。此外，SIRT1可抑制高糖誘導(dǎo)的內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cells，EPCs)衰老，促進(jìn)血管新生，改善血管生成能力[26]。

2.5 SIRT1與內(nèi)皮細(xì)胞凋亡 內(nèi)皮細(xì)胞通過分泌多種細(xì)胞因子來維持血管內(nèi)皮功能，高血糖環(huán)境會(huì)誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞死亡或凋亡，使內(nèi)皮細(xì)胞從血管壁脫落，直接導(dǎo)致血管內(nèi)皮功能障礙。其中高糖環(huán)境誘導(dǎo)的腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF-α)和ROS可直接調(diào)控c-Jun氨基末端激酶(JNK)/絲裂原活化蛋白激酶p38(p38Mito-gen-activatedProteinKinase，p38MAPK)信號(hào)通路激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶8和10(caspase-8和caspase-10)，并將procaspase-3活化為caspase-3，激活胞內(nèi)凋亡程序誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[27]。研究顯示，高糖會(huì)下調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞中SIRT1表達(dá)并激活JNK信號(hào)通路，引起線粒體損傷，并促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡。而SIRT1可降低胞內(nèi)ROS水平及JNK信號(hào)表達(dá)，減少高糖誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞損傷[28]。同時(shí)，SIRT1激動(dòng)劑處理后能夠降低P38/MAPK信號(hào)通路表達(dá)，部分逆轉(zhuǎn)高糖對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)、凋亡及ROS水平的影響[29]。血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是血管新生的重要介質(zhì)，也是內(nèi)皮功能的重要標(biāo)志物。高糖或低氧條件下，藥物誘導(dǎo)SIRT1、HIF-1α、VEGF高表達(dá)，內(nèi)皮細(xì)胞凋亡率明顯下降，提示激活SIRT1/HIF-1α/VEGF信號(hào)通路可促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)，改善糖尿病血管內(nèi)皮功能[30]。

2.6 SIRT1與胰島素抵抗 SIRT1還可通過改善胰島素抵抗、高血糖內(nèi)環(huán)境、線粒體障礙等方面改善糖尿病血管內(nèi)皮功能障礙[31]。其中，胰島素抵抗(Insulin resistance，IR)是2型糖尿病的關(guān)鍵病理過程[32]。研究表明，血管內(nèi)皮對(duì)胰島素敏感，胰島素可促進(jìn)NO介導(dǎo)的血管舒張，抑制內(nèi)皮細(xì)胞凋亡和炎癥因子水平[33]。在胰島素抵抗條件下，NO依賴性血管內(nèi)皮舒張功能下降，同時(shí)激活內(nèi)皮細(xì)胞中MAPK信號(hào)通路，誘導(dǎo)血管細(xì)胞黏附因子(vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1)、細(xì)胞間黏附分子1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)和PAI-1的表達(dá)，加重血管內(nèi)皮炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)血管內(nèi)皮功能障礙的發(fā)生。單云等[34]研究小檗堿介導(dǎo)SIRT1改善胰島素抵抗的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)SIRT1通過調(diào)控激活A(yù)MPK/AKT信號(hào)通路及JNK信號(hào)通路，降低炎癥因子IL-1β、IL-6、TNF-α等表達(dá)，發(fā)揮抗炎特性，從而改善小鼠體內(nèi)的胰島素抵抗。Yoshizaki等[35]提出敲除SIRT1基因后，胰島素介導(dǎo)的葡萄糖攝取與轉(zhuǎn)運(yùn)受抑制，同時(shí)JNK磷酸化水平升高。當(dāng)特定的小分子SIRT1激活劑處理細(xì)胞后，可抑制JNK信號(hào)通路，并改善TNF-α誘導(dǎo)的胰島素抵抗。此外，在高糖條件下白藜蘆醇處理內(nèi)皮細(xì)胞可激活SIRT1表達(dá)，增加eNOS轉(zhuǎn)錄水平，并誘導(dǎo)胰島素分泌NO[36]。從而證實(shí)SIRT1可改善高糖環(huán)境的胰島素抵抗，恢復(fù)胰島素介導(dǎo)的NO依賴性功能，進(jìn)而改善糖尿病所致血管內(nèi)皮功能障礙。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段，糖尿病仍是嚴(yán)重威脅人類生活質(zhì)量的主要因素之一，糖尿病伴隨的慢性并發(fā)癥是患者致死致殘的重要因素。研究提示治療糖尿病的最終目的是預(yù)防微血管與大血管病變。Sirtuins家族在心血管疾病中具有多方面作用，其中SIRT1在血管并發(fā)癥方面發(fā)揮重要調(diào)節(jié)功能。大量研究表明，SIRT1激活劑白藜蘆醇可提高糖尿病患者SIRT1表達(dá)，幫助血管內(nèi)皮調(diào)節(jié)高血糖引起的炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和血管衰老等，改善血管內(nèi)皮功能障礙。同時(shí)，SIRT1作為一個(gè)分布廣泛的去乙酰化酶，可調(diào)控細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路從而改善血管功能，其具體機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，有待深入研究。