SIRT6蛋白在肝臟能量穩態中的調控作用

程義堯 韓小娟 徐文靜

組織或細胞中的葡萄糖、脂肪酸和氨基酸等能量物質一直處于動態平衡,維系細胞能量穩態,肝臟是人體最大、最重要的能量代謝器官。隨著生活方式的改善,熱量攝入過多是導致機體能量失衡的重要原因。常表現為肥胖、非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)、非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis,NASH)、胰島素抵抗、T2DM等代謝性疾病。NAFLD目前流行的學說為“二次打擊”學說,初次打擊是肝細胞內脂質蓄積,為疾病的初始階段,肝內脂質蓄積過多主要是由于肝臟甘油三酯的來源增多或去路減少,導致代謝紊亂和胰島素抵抗;二次打擊是脂質氧化和應激,表現為氧化應激和炎癥增加[1]。在此條件下,NAFLD易發展為非酒精性脂肪肝炎,相較于肝臟普通炎癥,NASH更易發展為肝纖維化甚至肝細胞癌。

沉默信息調節蛋白(silent information regulatory protein, Sirtuin)家族蛋白是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸依賴的去乙酰化酶,具有NAD+依賴性的去乙酰化酶活性及ADP-核糖基轉移酶活性等作用[2]。目前,哺乳動物已發現7種Sirtuin家族蛋白,每種都包含保守的Sirtuin核心結構域,該結構域賦予NAD+依賴性的去乙酰化酶作用。Sirtuin家族在機體的生理和病理過程中均發揮重要作用。SIRT6首次由人脾cDNA文庫中克隆,位于細胞核中,具有多種酶活性,包括:NAD+依賴性的去乙酰化酶活性、去琥珀酰化酶活性和去甲基化酶活性。目前SIRT6被研究較深入的功能是其乙酰化酶作用,已鑒定出組蛋白H3的三個賴氨酸位點為SIRT6去乙酰化底物,分別為H3K9、H3K18、H3K56位點。此外,SIRT6也能使多種非組蛋白底物去乙酰化[2]。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[3]。近年來,SIRT6在代謝相關性疾病,尤其是維持肝臟能量穩態方面的調控能力越來越受到關注。

一、SIRT6對糖代謝的影響

SIRT6是葡萄糖穩態的調節因子,主要與葡萄糖攝取、胰島素分泌和敏感性、糖異生有關。在以往研究中,SIRT6基因敲除小鼠在早期即出現致命性低血糖,SIRT6缺乏導致葡萄糖轉運蛋白-1(glucose transporter type-1,GLUT1)、胰島素受體底物1/2和胰島素受體表達也有所增加,從而激活AKT信號通路,組織葡萄糖的攝取增加,發生低血糖狀態[4-6]。在喂養小鼠時升高血糖即可增加突變小鼠的存活率[7]。胰腺β細胞的葡萄糖傳感能力由循環中葡萄糖濃度變化而激活。SIRT6通過去乙酰化插頭框蛋白-1(forkhead box O1,FoXO1),增加胰島素促進因子-1、GlUT2的表達,維持胰腺β細胞的葡萄糖傳感能力和系統糖耐量[8]。SIRT6可能通過維持線粒體功能和調節細胞內Ca2+動態來調節胰島素分泌[9],但胰腺β細胞若長期暴露于游離脂肪酸較高的環境中,會導致β細胞功能障礙或致細胞凋亡[10]。SIRT6對棕櫚酸誘導下的胰腺β細胞功能及存活也具有一定保護作用[11]。

β細胞功能障礙是T2DM病理生理學的重要原因[4]。SIRT6具有促進胰腺胰島素分泌、抑制肝糖異生和甘油三酯合成以及緩解肥胖的功能。在使用一些胰島素增敏劑(RGZ)時,SIRT6通過參與RGZ介導的代謝作用,對肝細胞脂肪變性具有一定保護作用[9],而SIRT6的抑制劑可增加和骨骼肌中GLUT-1/4的表達改善2型糖尿病模型小鼠的糖耐量異常[12]。而過表達SIRT6后,高糖誘導的細胞凋亡和氧化應激通過激活AMPK途徑得到緩解[13]。SIRT6還具有抑制肝臟糖異生作用,糖異生作為非糖物質的轉換,在肝臟中是甘油、丙酮酸等糖異生前體的一種代謝途徑。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)是糖異生過程中重要的兩種限速酶。FoxO1是G6Pase和PEPCK的關鍵轉錄因子,在細胞核中作用于PEPCK和G6Pase的啟動子,從而加強轉錄過程,加速肝臟中葡萄糖的生成[14]。SIRT6肝臟特異性敲除小鼠顯示過氧化物酶增殖物激活受體γ輔助活化因子-1(PGC1)和FoxO1被過度激活,糖異生減少[15]。PGC1與線粒體發生密切相關,并能與多種核受體及轉錄因子相互作用,調控糖代謝穩態。P53作為一種腫瘤抑制因子,通過激活FoxO1促進其自細胞核轉位至細胞質,從而影響PEPCK和G6Pase的轉錄。當FoxO1 與SIRT6相互作用時,利用SIRT6的去乙酰化作用為FoxO1出核鋪墊。P53激活后SIRT6表達增加,進而導致SIRT6與FoxO1的相互作用增加,FoxO1易位后,PEPCK和G6Pase表達下降,從而抑制肝臟糖異生[16]。

二、SIRT6在脂肪酸代謝中的作用

SIRT6肝臟特異性敲除小鼠肝臟中脂質蓄積增多,肝臟脂肪變性增加,表現為脂肪酸攝入增加,甘油三酯合成增加,肝內甘油三脂、膽固醇水平顯著升高;脂肪酸β氧化減少,促進脂肪肝形成。SIRT6脂肪組織特異性敲除導致高脂飲食誘導下胰島素抵抗,肥胖敏感[17]。

脂肪酸脂解作為肝臟脂肪細胞的甘油三酯的一條去路,脂解減少可導致甘油三酯在肝臟脂肪細胞中蓄積。SIRT6通過對脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)的表達調控以及磷酸化激素敏感性甘油三酯脂肪酶(HSL)和脂滴包被蛋白-1(Perilipin-1)調控脂解。在過表達SIRT6的脂肪細胞中,ATGL的蛋白水平以及HSL和Plin-1的磷酸化水平較高,減少了甘油三酯在肝臟脂肪細胞中的蓄積。上述機制可能SIRT6 乙酰化FoxO1來抑制其對ATGL基因啟動子的占據,從而達到調控脂解的作用。SIRT6的敲除促進了FoxO1的核輸出及其細胞質積累,FoxO1轉錄活性降低[18]。

(一)SIRT6增強脂肪酸β氧化 β氧化即脂肪酸經活化后轉移入線粒體生成乙酰CoA,后乙酰CoA進入三羧酸循環徹底氧化,釋放大量ATP,是脂肪酸分解的關鍵步驟。SIRT6雜合子小鼠的基因表達分析可發現過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferators-activated receptors α,PPARα)信號通路顯著降低,該信號通路調節多種能量代謝途徑,PPARα可通過上調肉堿棕櫚酰轉移酶-1和中鏈酰基輔酶A脫氫酶,增強肝臟脂肪酸β氧化。SIRT6不能使PPARα直接去乙酰化,而是通過對PPARα的共激活因子NCOA2 K780去乙酰化,從而導致PPRE染色質的組蛋白乙酰化轉移酶乙酰化增加,進而激活PPARα依賴的信號[19]。同時,上文中提到SIRT6敲除小鼠中 PGC1a 活性的增加,PGC1α 是 PPARα 的主要激活劑,PPARα通過調控靶基因消耗能量,表現為脂肪酸氧化增加,甘油三酯合成下降,HDL升高,LDL下降。目前,對SIRT6和PPARα的相互作用途徑尚不完全清楚,但可以確定二者均位于脂質代謝網絡的中心,共同調節脂肪酸代謝[15]。

(二)SIRT6抑制肝臟脂質生成 固醇調節元件結合蛋白-1(SREBP1)、肝臟X受體α(LXRα)是肝臟促進脂肪生成中的關鍵調節因子[20]。在高脂高糖膽固醇飲食下的SIRT6肝臟特異性敲除小鼠模型,肝臟中SREBP1-c1的蛋白水平顯著升高。SIRT6敲除肝細胞中的pSREBP1(SREBP1前體)、mSREBP1(SREBP1成熟體)、LXRα/β和SREBP1靶基因lipin 1、SCD1和ELOVL5表達水平增加[21]。上述基因表達增加均可導致脂肪酸合成增加,促進肝臟脂質蓄積。

在SIRT6特異性敲除的小鼠肝原代細胞中,甘油三酯含量明顯增加,SIRT6過表達小鼠高脂飲食條件,肝臟游離脂肪酸和甘油三酯顯著增高,參與甘油三酯合成的關鍵基因,同時也是PPARγ的靶基因甘油酰基轉移酶(diacylglycerolacyltransferase,DGAT1)表達明顯下降。肥胖與超重情況下,皮下脂肪組織中DGAT1減少,而肥胖中DGAT1水平的下降也可導致炎癥反應。缺乏SIRT6,脂肪組織特異性敲除SIRT6,會引起DGAT1表達的增加,促進小鼠高脂飲食誘導的肥胖引起炎癥反應的發生并降低胰島素敏感性[22],更易形成脂肪肝。

三、SIRT6缺乏影響肝臟酮生成

酮體是脂肪酸氧化代謝過程中的中間代謝產物,包括乙酰乙酸、β羥丁酸和丙酮。通常酮體在肝臟內生成,后運出肝臟在其他組織被利用。酮生成由肝臟脂質代謝信號網絡控制。生酮飲食下,肝細胞特異性SIRT6敲除小鼠酮生成受損,而小鼠原代肝細胞中SIRT6的過度表達促進了酮生成。SIRT6通過影響線粒體利用脂肪酸底物從而影響酮生成。脂肪特異性蛋白-27(fat-specific protein 27,Fsp27)是一種脂質包被蛋白,通過限制脂質的利用,起到脂肪酸氧化的屏障作用。而脂解抑制劑 G0/G1 開關基因-2(G0S2)蛋白主要功能是直接與脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)結合,從而抑制ATGL脂肪水解,促進脂質聚集。Fsp27和G0S2是Crebh(反應元件結合蛋白H)的直接靶基因。在高酮飲食下,SIRT6缺乏引起Fsp27表達增加,其機制可能是SIRT6與Crebh競爭性搶占Fsp27啟動子,抑制Fsp27和G0s2的表達,從而影響肝臟酮生成[23]。

四、SIRT6缺乏增加蛋白質合成

在長期高熱量進食條件下,蛋白質合成的增加會引起內質網應激,進一步引起VLDL受體上調、介導脂質攝取,從而導致肝臟脂肪變性。SIRT6基因敲除小鼠中,肝細胞脂肪變性,未折疊蛋白反應上調[24]。X框結合蛋白(Xbp1)是一種轉錄因子,可增加內質網生物發生以及蛋白質分泌的特定基因和相關分子伴侶的表達。SIRT6直接介導XBP1s去乙酰化,使XBP1在Lys65、Lys146、Lys257和Lys297位點去乙酰化,并依賴其去乙酰化活性,導致XBP1的蛋白酶體降解。NAFLD患者相較于健康受試者,肝組織中XBP1s的總水平和乙酰化水平明顯高于健康對照組,而SIRT6蛋白水平在NAFLD患者中降低,也支持SIRT6 表達的降低和乙酰化的一致性[25]。

而在Ravi等[26]的實驗中發現SIRT6可在不依賴其催化活性的情況下調控蛋白質合成。mTOR是細胞中有關蛋白質合成的重要調控因子,在一定條件下,mTORC1復合物由上游激活因子Rheb激活,通過其下游靶蛋白p70核糖體S6激酶和真核起始因子eIF4E結合蛋白4EBP的磷酸化來正向調控帽依賴翻譯及EJC相關的翻譯。在SIRT6缺陷細胞中,mTOR和Rheb水平增加,mTOR信號通路被異常激活。SIRT6促進細胞中mTOR和Rheb與溶酶體共定位,可提高mTORC1活性[27],過表達SIRT6則會抑制蛋白質的合成,而SIRT6的缺乏會使總體蛋白質合成上調。同時,SIRT6與構成性轉錄因子-1(Sp1)DNA結合區域的鋅指結構結合后,不需要依賴其去乙酰化酶活性,調節Sp1在mTOR信號基因啟動子上的占位,從而調節其轉錄活性,蛋白質翻譯也可被過度激活。

五、SIRT6緩解氧化應激

氧化應激是體內氧化與抗氧化作用失衡的一種狀態,導致中性粒細胞炎性浸潤,蛋白酶分泌增加,產生大量氧化中間產物,包括ROSs、O2-、·OH和H2O2等。機體清除活性氧及親電子體主要依靠Nrf2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,核紅細胞-2相關因子-2),Nrf2最主要的功能是調節氧化還原循環,維持氧化還原穩態,主要通過合成或調節谷胱甘肽和巰基特異性抗氧化蛋白。

SIRT6依賴其去乙酰化酶活性在Nrf2-ARE信號通路激活中發揮作用,SIRT6促進Nrf2與其抑制蛋白解離,核轉位增加,增強下游靶基因的調控。SIRT6介導的 Nrf2激活可保護間充質干細胞免受 ROS 的損傷[28]。Nrf2下游靶基因血紅蛋白氧合酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)是抗氧化酶,生理情況下,HO-1基因表達水平較低,氧化應激情況下,HO-1基因快速激活,但在SIRT6缺失情況下,即使氧化應激刺激HO-1基因也不能被激活,提示SIRT6的單ADP-核糖基化活性對于HO-1的激活是至關重要的,SIRT6通過調控募集到Nrf2調控的HO-1基因啟動子區域來保護細胞免受氧化應激損傷,這為SIRT6參與抗氧化應激提供了新的機制。

肝臟抗氧化應激基因Mt1過表達可改善SIRT6缺陷小鼠乙醇誘導的肝臟損傷和酒精性脂肪肝, Mt1過表達后,肝臟內H2O2含量降低,谷胱甘肽水平增高、抗氧化基因的表達增高,說明Mt1在一定程度上緩解肝臟氧化應激[29]。肝細胞特異性SIRT6敲除小鼠高脂高糖飲食16周后,小鼠肝纖維化和氧化應激及相關基因表達都有明顯上升[30]。以上研究結果均提示SIRT6在緩解氧化應激中起重要的調控作用。

展望

已有的研究結果證實 SIRT6 作為一種組蛋白去乙酰化酶,在肝臟能量穩態中的多個環節發揮重要調控作用,主要功能體現在對糖代謝、脂質代謝和蛋白質代謝的調控,見圖1。各種原因的SIRT6 功能紊亂,均可引起或加重疾病的發生發展,如在肝臟,可引起NAFLD,大量肝細胞反復脂肪變性和水腫,病情進一步進展則可能出現肝細胞壞死、星狀細胞激活、炎癥通路激活發展為NASH,部分患者甚至進展為肝硬化、肝癌。同時,SIRT6 也通過不同的信號通路在肝臟炎癥、肝纖維化過程發揮保護作用。雖然還需要基礎實驗和臨床研究取得更詳實確切的結果,但SIRT6可通過維持肝臟能量穩態和緩解氧化應激,為SIRT6激動劑研發,為NAFLD和NASH治療靶點的研究提供新思路、新靶點。

利益沖突聲明:所有作者均聲明不存在利益沖突。