沉默信息調節因子1相關信號通路與腎纖維化關系的研究進展

黃欣，程帆

(武漢大學人民醫院泌尿外科，武漢 430060)

腎臟疾病帶來的健康問題日益嚴峻，腎臟疾病可增加心血管疾病、糖尿病、高血壓等疾病的發病風險，導致全球終末期腎病患者的發病率和病死率顯著升高[1]。因此，慢性腎臟病(chronic kidney disease，CKD)已成為全球范圍內的重大公共衛生問題，給受影響的個人、家庭和社會帶來巨大的經濟負擔。腎纖維化是多種CKD的共同病理變化，腎小管細胞外基質的過度堆積導致的腎間質纖維化是腎纖維化的特征，慢性炎癥損傷和實質細胞減少，衰老、遺傳、性別和肥胖等因素均與腎纖維化的發生和進展相關[2-5]，而進行性腎纖維化會導致腎功能持續降低，最終發展為CKD。隨著糖尿病和肥胖癥患者人數的不斷增加，未來可能存在CKD患病率上升的趨勢，盡管這個問題很嚴峻，同時針對腎纖維化已進行了大量研究，但目前，針對腎纖維化的治療選擇很少，并且通常是無效的。

腎小管間質纖維化的病理特點主要包括：炎癥細胞浸潤、各種來源的成纖維細胞活化和擴增、大量細胞外基質成分的產生和堆積以及腎小管萎縮和微血管減少。隨著對腎纖維化研究的不斷深入，人們發現沉默信息調節因子1(silent information regulator 1，SIRT1)，一種Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶，通過使底物蛋白去乙酰化，參與多個器官的生長、衰老和代謝過程的調控，并且在器官損傷和纖維化中其表達水平及活性顯著下調，同時在組織氧化應激和炎癥中發揮關鍵作用，尤其與腎纖維化關系十分密切[6]。因此，SIRT1有望成為預防和治療腎間質纖維化的一個有前景的靶點。現就SIRT1的基本特點以及SIRT1相關信號通路與腎纖維化關系的研究進展進行綜述。

1 SIRT1的概述

乙酰化酶是一種依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的Ⅲ類組蛋白去乙酰化酶。最早Almeida和Porter[7]發現哺乳動物中存在7種乙酰化酶成員，并將其分別命名為SIRT1～7，這些去乙酰化酶主要位于細胞核和線粒體中。其中，SIRT1第一個被識別出來，它由747個氨基酸和3個獨立結構域構成，不僅擁有最大的分子量，且人們對其的研究最廣泛[8]，隨著對SIRT1的不斷深入研究，發現翻譯后修飾，例如磷酸化、亞硝基化、類泛素化，可調節SIRT1蛋白表達水平及其去乙酰化活性。而磷酸化修飾最為常見，因為SIRT1包含多個磷酸化位點(N端有7個殘基，C端有8個殘基)。在大多數情況下，SIRT1的磷酸化修飾由不同激酶參與其中，例如絲氨酸蘇氨酸激酶、酪蛋白激酶2、細胞周期蛋白依賴性激酶1等，通過磷酸化修飾能增強SIRT1去乙酰化活性并以底物依賴性方式調節SIRT1的功能[9]。SIRT1通過在轉錄和翻譯水平對組蛋白或非組蛋白的賴氨酸殘基進行去乙酰化修飾，在調節病理生理過程中起樞紐作用，這些生理過程包括細胞凋亡、DNA損傷修復、炎癥反應、代謝和氧化應激[10]。此外，研究人員還發現SIRT1在抗衰老方面極為重要，它通過調節與長壽相關的轉錄因子去乙酰化發揮作用[11]，例如p53基因、叉頭框蛋白O(forkhead box protein O，FoxOs)、核因子κB和過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1α(peroxlsome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1α，PGC-1α)等[7,12-14]。

隨著研究的深入，學者發現SIRT1能夠通過調控AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶、內皮型一氧化氮合酶、哺乳動物雷帕霉素靶蛋白等減弱氧化應激[15]，發揮其抗氧化應激作用。SIRT1不僅在抗氧化應激和抗炎過程中起關鍵作用，還能通過調節細胞自噬、代謝和細胞凋亡發揮重要作用[16]。隨著年齡的增長，SIRT1的表達水平逐漸降低，從而逐漸失去抗氧化、抗炎等作用[17]。炎癥是一種常見的損傷免疫反應，可加速疾病的進展，因此隨著年齡的增長以及氧化應激的過度積累，SIRT1的表達水平和活性逐漸降低[18-19]。SIRT1可以通過與細胞周期檢查點激酶2結合和去乙酰化作用保護細胞免受氧化應激誘導的細胞DNA損傷，從而減輕氧化應激引起的損傷[20-21]。

上述研究證實，SIRT1參與了氧化應激、炎癥反應等病理生理過程。SIRT1在組織纖維化中發揮抗纖維化作用，與其具有抗氧化應激、抗炎和抗凋亡、抗損傷活性密切相關。因此，深入研究SIRT1及其介導的信號通路，有利于預防和治療由氧化應激和炎癥等誘發的腎臟損傷和腎纖維化，使其成為治療腎纖維化的一個靶點。

2 SIRT1相關信號通路與腎間質纖維化

SIRT1有可能充當腎間質纖維化的關鍵調控因子，雖然SIRT1在其中發揮作用的具體機制仍存在一定爭議[22]。腎小管上皮細胞的氧化應激、炎癥、凋亡、自噬等是腎間質纖維化發生發展的重要危險因素，而SIRT1相關信號通路能夠參與調控氧化應激、炎癥等過程。這些相關信號通路相互作用，影響腎間質纖維化的發生和發展。

2.1氧化應激相關通路與腎間質纖維化 活性氧是氧化應激的關鍵增強劑，而線粒體是活性氧產生的主要來源[23]。在生理條件下，低水平的活性氧充當第二信使，通過氧化參與細胞信號通路的氧化還原敏感蛋白來調節生物和生理過程[24]。因此，活性氧受到抗氧化系統對其產生和消除的嚴格控制。然而，氧化劑分子的產生與抗氧化系統失衡會發生氧化應激，導致蛋白質的不可逆氧化[25-26]。此外，線粒體是腎臟通過氧化磷酸化進行腎小管重吸收所需的主要能量來源，線粒體功能障礙與腎臟疾病的發生和發展有關，主要由于產生的活性氧過多所致[27-28]。活性氧還可以誘導多種信號通路的激活，促進炎癥和纖維化[29-30]。因而活性氧產生和消除的失衡導致氧化應激的發生，最終導致腎小管上皮細胞凋亡或壞死，并且還誘導腎臟成纖維細胞的活化，產生大量細胞外基質，促進腎間質進行性纖維化[31-32]。

PGC-1α由PPARGC1A基因編碼。PGC-1α是線粒體能量代謝和控制的主要調節劑[33-34]。研究發現，PGC-1α的表達水平降低會加劇氧化應激誘導的線粒體功能障礙，而激活PGC-1α通過增強細胞線粒體生成功能減輕氧化應激導致的細胞損傷[35-36]，這一保護作用是通過激活抗氧化酶發揮作用。SIRT1通過去乙酰化作用可激活PGC-1α進而激活核呼吸因子2，調節線粒體轉錄因子A,促進線粒體生物合成[33,37]。SIRT1通過激活PGC-1α/核呼吸因子/線粒體轉錄因子A信號通路增加線粒體能量合成，發揮抗氧化應激作用。高齡是腎間質纖維化的易感因素，隨著年齡的增長腎功能逐漸減退，腎臟氧化應激相關產物逐漸增加，而腎臟SIRT1的表達水平逐漸降低，這與腎纖維化的進展高度相關[38-39]。毛芒花苷是具有抗氧化活性和SIRT1激活作用的黃酮類化合物，研究發現，毛芒花苷通過上調SIRT1的表達，激活核呼吸因子2/抗氧化反應元件信號通路，抑制腎組織中與氧化應激相關蛋白質的表達，抑制糖尿病腎病中的氧化應激以延緩腎纖維化的進展[40]。此外，SIRT1能夠通過調節PGC-1α和雌激素相關受體抑制腎臟氧化應激反應，進而改善腎功能，抑制腎纖維化的進展[39]。

AMPK是由α、β、γ 3個亞基組成的異源三聚體復合物,是調節能量穩態的重要激酶，也是參與多種信號轉導通路的關鍵蛋白[41]。SIRT1激動劑白藜蘆醇通過上調SIRT1表達激活AMPK，抑制糖尿病小鼠腎細胞內活性氧的產生，減輕腎間質纖維化的進展[42-43]。此外，FoxOs家族作為一種長壽基因，可以調節細胞周期，主要包括FoxO1、FoxO3a、FoxO4和FoxO6。研究發現,SIRT1通過去乙酰化激活FoxO1，進而激活抗氧化酶系統，降低細胞內活性氧水平，從而減輕糖尿病小鼠腎纖維化病理損傷[44]。

綜上所述，細胞能量代謝紊亂導致活性氧產生與清除的失衡與腎間質纖維化發生和嚴重程度密切相關，而SIRT1通過去乙酰化作用激活PGC-1α/雌激素相關受體α、PGC-1α/核呼吸因子2/抗氧化反應元件、AMPK和FoxO1等信號通路，發揮抗氧化應激作用，最終減輕腎間質纖維化進展。由此可見，以SIRT1為靶點在預防和治療腎纖維化方面有廣泛前景。

2.2炎癥相關信號通路與腎間質纖維化 腎小管間質纖維化的特點之一是炎癥細胞浸潤。炎癥是人體應對損傷的一種主動防御機制，但長時間的炎癥刺激是纖維化疾病發生發展的主要驅動力[45-46]。炎癥細胞浸潤在CKD腎小管間質損傷中起關鍵作用，炎癥細胞浸潤后會產生破壞組織的分子，并促使成纖維細胞和腎小管上皮轉變，產生大量細胞外基質。炎癥細胞的募集和激活可能是誘導腎纖維化發生的重要因素，在B、T淋巴細胞成熟缺陷小鼠腎損傷后，其腎間質纖維化的程度大大降低[47]。炎癥區域中局部炎癥介質水平較高，附近的成纖維細胞核腎小管上皮細胞易受到纖維化激活的影響，炎癥細胞與腎小管細胞的直接接觸可通過核因子κB依賴途徑誘導腎小管間質纖維化[48]。

核因子κB是一個高度保守的二聚體轉錄因子家族，包含5個亞基(p65/RelA、RelB、cRel、p50和p52)，是炎癥和氧化還原反應的最重要調節因子[49]。它們的活性形式為p50和p52，兩者轉移到細胞核中，參與調節炎癥相關各種基因的表達[50]。白細胞介素、活性氧等可刺激核因子κB易位到細胞核并與其他轉錄因子結合，如信號轉導及轉錄活化因子(signal transducer and activator of transcription，STAT)3，進而產生大量趨化因子和促炎性細胞因子，從而引發不受控制的炎癥反應[51]。在腎間質纖維化中，核因子κB表達明顯升高，抑制核因子κB的激活可顯著延遲腎同種異體移植纖維化的發生[52-53]。

核因子κB活性受到轉錄后磷酸化、乙酰化和甲基化修飾的調節，SIRT1通過使p65去乙酰化減輕核因子κB的促炎作用[54]。此外，敲除SIRT1后小鼠核因子κB、STAT3活性顯著上調，從而使一些促炎性細胞因子上調，誘發強烈炎癥反應[55]。研究發現，抑制SIRT1的表達水平或其活性，可通過促進核因子κB/基質金屬蛋白酶9通路激活，加重腎損傷和纖維化。上調糖尿病小鼠SIRT1的表達，使靶蛋白p65核因子κB和STAT3去乙酰化，減少高糖引起的氧化應激和炎癥反應以及上皮-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)進展，從而減輕腎間質纖維化[56]。通過特異性抑制劑EX-527、干擾小RNA、脫硫劑二硫蘇糖醇或Cys371/374和Cys395/398位點突變使SIRT1失活后，核因子κB和STAT3表達水平明顯上調，誘發超強炎癥反應，顯著加劇了腎損傷和腎間質纖維化[56]。

總之，腎損傷后炎癥微環境中促纖維化細胞因子的升高將導致基質生成細胞的激活，這是腎間質纖維化的核心。慢性損傷后持續的炎癥反應是腎纖維化的持續驅動因素，會造成炎癥、組織損傷和纖維化的惡性循環。核因子κB是公認的炎癥介質，SIRT1能夠通過核因子κB、STAT3去乙酰化，抑制促炎性細胞因子的釋放，減少炎癥細胞聚集，減弱炎癥反應，減輕炎癥誘導的腎間質纖維化進程。

2.3EMT相關信號通路與腎間質纖維化 腎小管間質中有許多細胞類型，如成纖維細胞、腎小管上皮細胞、血管平滑肌細胞和巨噬細胞，雖然這些細胞均產生細胞外基質，但是成纖維細胞是主要產生細胞外基質的細胞。除了上述途徑，管狀上皮細胞的EMT是產生細胞外基質的另一個來源，這是一種發生在胚胎發育、腫瘤轉移和器官纖維化過程中的細胞表型轉換[57]。并且，部分成纖維細胞和肌成纖維細胞是由毛細血管內皮細胞通過EMT而形成[58]。

轉化生長因子(transforming growth factor,TGF)-β1是TGF-β配體中的一種，此外還有TGF-β2和TGF-β3，它們在各種細胞和組織中廣泛表達，以TGF-β1為主[59]。活化的TGF-β1與受體結合后激活Smad蛋白2和Smad蛋白3，然后與Smad蛋白4結合易位至細胞核，并參與細胞增殖、發育和凋亡等基因轉錄過程[60]。促纖維化因子TGF-β1可誘導腎小管上皮細胞發生EMT,TGF-β1/Smad2/3通路激活在腎間質纖維化中發揮重要作用[61-62]。

SIRT1隨年齡增加而表達降低[39],抑制或敲除SIRT1會顯著加劇腎間質纖維化，而激活SIRT1能夠顯著減輕腎間質纖維化[63]。其中部分原因是SIRT1能夠抑制TGF-β1/Smad2/3通路激活，而SIRT1對TGF-β1的抑制作用可能是通過使Smad2、Smad3、Smad4去乙酰化發揮作用，這些是TGF-β1的關鍵下游靶點，且與腎纖維化的形成密切相關[64]。研究發現，在單側輸尿管梗阻誘導的腎纖維化小鼠模型中，TGF-β1的表達水平明顯升高，而SIRT1的表達水平和活性卻顯著降低。且SIRT1的過表達顯著抑制了TGF-β1誘導的腎細胞凋亡和纖維化[61]。此外，SIRT1不僅能夠抑制TGF-β1誘導的膠原蛋白Ⅳ和纖連蛋白信使RNA水平的上調，同時SIRT1激活劑白藜蘆醇可逆轉Smad2/3的乙酰化，給予SIRT1激活劑SRT1720干預后不僅增加了SIRT1表達水平并部分減弱了單側輸尿管梗阻誘導的腎纖維化[62]。腎損傷后，腎小管上皮細胞內的核因子κB信號通路被激活，從而觸發炎癥細胞因子的產生和釋放，并引發腎小管周圍炎癥，受損的腎小管上皮細胞對TGF-β1敏感性增強，并加強EMT在內的纖維化。

上述研究表明，EMT作為細胞外基質的第二來源，在腎損傷后腎間質纖維化中發揮十分關鍵的作用，氧化應激、炎癥等相關信號通路的激活均能促進EMT的發生和進展。而TGF-β1/Smad2/3信號通路的激活起重要作用。SIRT1能夠通過乙酰化修飾調節Smad2/3活化，進而抑制TGF-β1/Smad2/3通路的激活，顯著抑制腎小管上皮細胞的EMT，減輕腎間質纖維化。

3 小 結

目前各種原因導致的CKD腎纖維化尚無特效的治療方法，嚴重威脅著公眾健康，雖然仍在不斷探索各種治療策略來預防和治療腎間質纖維化，但患者的治療效果仍然有限[65]。通過綜述SIRT1與氧化應激、炎癥、EMT等相關信號通路和腎間質纖維化之間的關系，揭示了SIRT1在腎纖維化中的樞紐作用，通過抑制氧化應激、炎癥、EMT等一系列反應而起抗纖維化作用。目前大量的研究僅局限于基礎實驗和動物模型，研究成果較難運用于臨床治療中，且腎纖維化的分子機制相互交織，相互影響，仍有待深入研究，從而為腎纖維化的靶向治療提供理論依據。