SIRT3在肺動脈高壓發(fā)病機制中的作用研究進展

鮑柏辛 孫永紅 雷曉燕 王建軍 陳星星 陳莉莉

甘肅中醫(yī)藥大學第一臨床醫(yī)學院，甘肅蘭州 730000

肺動脈高壓（pulmonary arterial hypertension，PAH）是一種難治性疾病，其主要病理原因為肺血管細胞增殖與凋亡失衡及炎性細胞浸潤，進而導致血管重塑，使肺動脈壓力升高。肺動脈平滑肌細胞（pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs）和肺動脈內(nèi)皮細胞（pulmonary arterial endothelial cells，PAECs）的線粒體功能障礙，特別是葡萄糖氧化受到抑制，導致葡萄糖攝取和糖酵解的代償性上調(diào)，這種線粒體功能障礙是線粒體依賴性凋亡的基礎[1]。定位于線粒體的沉默信息調(diào)節(jié)因子3（silent information regulator 3，SIRT3）是一種煙酰 胺 腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依賴性去乙酰酶，通過去乙酰作用調(diào)節(jié)線粒體的多種功能[2]，包括維持線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、抑制線粒體活性氧（reactive oxygen species，ROS）對肺組織的損傷、改善PAH 中PASMCs 及PAECs 功能障礙、緩解炎性因子對肺組織的影響、挽救線粒體使其功能正常化，故在調(diào)節(jié)PAH 中有著很大作用，現(xiàn)將有關SIRT3 在調(diào)節(jié)PAH 中的作用做如下綜述，以期為臨床提供新研究靶點。

1 PAH的發(fā)病機制

PASMCs 異常增殖及炎性反應和PAECs 功能障礙是血管重塑的基礎，血管重塑是PAH 發(fā)生發(fā)展的核心機制。在PAH 患者中，低氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factors，HIF-1α）常明顯升高，HIF-1α 通過引起丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）表達下降，影響三羧酸循環(huán)，進而抑制氧化磷酸化水平，導致Warburg 效應增強[1]。常氧條件下，惡性腫瘤細胞主要通過糖酵解途徑實現(xiàn)自身供能，這種糖酵解被稱為Warburg 效應[3]，Warburg 效應在PAH 患者中同樣存在，由于Warburg 效應，線粒體外膜蛋白處于低通透狀態(tài)，造成線粒體內(nèi)陰離子因不能通過而聚積，并且由于Warburg 效應使得ATP 產(chǎn)量大幅下降，導致NADH和FADH2 傳遞給呼吸鏈復合物時產(chǎn)生的H+從線粒體間隙返回線粒體基質(zhì)的過程受抑制，使線粒體膜電位增加[4]，PASMCs 線粒體膜電位因Warburg效應明顯升高，使細胞表現(xiàn)為抗凋亡狀態(tài)。

同時炎性反應與PAH 的發(fā)生發(fā)展密切相關，炎性反應既可以誘導PAH 的發(fā)生發(fā)展，同時PAH又可以進一步加重炎性反應，正反饋加重PAH。PAH 患者肺組織中存在大量炎性細胞浸潤，這些炎性細胞黏附在PAECs 導致其功能紊亂，并釋放大量炎性因子，包括白細胞介素（interleukin，IL）、血清高遷移率族蛋白B1（high mobility group box-1 protein，HMGB1）、單核細胞趨化蛋白-1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等[5]，這些炎性因子又進一步導致PASMCs 增殖。

2 Sirtuins家族概述

沉默信息調(diào)節(jié)因子家族（Sirtuins 家族）是一類依賴于NAD+的線粒體蛋白去乙酰酶，通過去乙酰化作用參與到包括細胞免疫、生長發(fā)育、衰老、增殖、凋亡、DNA 修復、細胞代謝等許多生物學過程中[6-8]。Sirtuins 家族目前已知存在七個成員，SIRT1 目前研究最多，已涉及包括神經(jīng)元保護、熱量限制、細胞凋亡、葡萄糖和脂質(zhì)代謝、細胞衰老、心血管疾病以及癌癥等過程[9]。SIRT2 參與細胞凋亡調(diào)控，在胞漿及細胞核中均有表達，其表達上調(diào)可抑制凋亡，控制細胞周期的進展，調(diào)節(jié)細胞代謝、細胞分裂和分化[10]。SIRT3 主要定位于線粒體基質(zhì)，通過調(diào)控線粒體有氧氧化、ATP 生成、線粒體動力和線粒體未折疊蛋白應答從而對線粒體生理功能進行調(diào)控，還可抑制ROS 的氧化作用對心血管細胞產(chǎn)生損傷[11]。SIRT4 通過調(diào)控線粒體谷氨酰胺代謝來調(diào)控細胞周期，與其他家族成員不同，SIRT4 缺乏NAD+依賴性去乙酰酶活性，僅對組蛋白發(fā)揮ADP-核糖轉移酶活性[12]。SIRT5 是一種在線粒體內(nèi)膜腔和基質(zhì)中廣泛表達的蛋白，僅具有較弱的去乙酰化酶活性，通過去乙酰化與氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ相互作用，進而調(diào)節(jié)尿素循環(huán)[13]。SIRT6 定位于細胞核內(nèi)，既有去乙酰化酶活性，又具有ADP-核糖轉移酶活性，表現(xiàn)出調(diào)控細胞穩(wěn)態(tài)、DNA 修復、端粒維持等多種生物學功能[14]。SIRT7 較多存在于核仁中，可催化組蛋白H3K18 的選擇性去乙酰化，H3K18 是侵襲性腫瘤的表觀遺傳學生物標記物，控制許多腫瘤抑制基因，SIRT7 表達水平的高低與組織細胞增殖程度密不可分[15]。

3 SIRT3介紹

SIRT3 的轉錄在細胞核中完成，其基因位于11號染色體短臂，過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α 通過與轉錄因子雌激素相關受體α 結合調(diào)控SIRT3 的轉錄[16]。作為一種典型的沉默調(diào)節(jié)蛋白，SIRT3 的催化核心區(qū)域包含一個用于NAD+結合的大Rossmann 折疊結構域和一個較小的結構域，以NAD+依賴的方式發(fā)揮去乙酰化作用。在線粒體的調(diào)節(jié)機制中，乙酰化是重要的調(diào)節(jié)機制之一，線粒體的蛋白質(zhì)中約20%可發(fā)生乙酰化修飾。線粒體乙酰化主要由SIRT3 調(diào)控，通過調(diào)節(jié)底物的乙酰化水平維持線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，線粒體SIRT3可以與至少84 種線粒體蛋白直接相互作用，這些蛋白質(zhì)涉及生物學功能的各個方面，包括線粒體有絲分裂、基因表達調(diào)控、能量生成、物質(zhì)代謝、炎性反應、細胞衰老[17-20]。

4 SIRT3與PAH

4.1 SIRT3在PAH形成中的作用

PAH 是一類以進行性肺血管收縮和肺血管重構為特征的疾病。SIRT3 作為Sirtuins 家族中唯一在線粒體內(nèi)擁有穩(wěn)定去乙酰化活性的蛋白，其水平越低，線粒體乙酰化程度越高，而線粒體乙酰化程度的高低與PAH 的嚴重程度直接相關。研究表明[21]，應用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）同時處理野生型及SIRT3 基因敲除的小鼠，SIRT3 基因敲除的小鼠產(chǎn)生更多的促炎因子，造成肺組織損傷加重。研究也表明[22]，同野生型小鼠相比，SIRT3 基因敲除小鼠PAH 相關指標，平均肺動脈壓、全肺阻力均有所升高。

4.2 SIRT3可改善PASMCs及PAECs功能

SIRT3 能夠通過去乙酰化促進葡萄糖的氧化磷酸化，可以有效阻斷Warburg 效應，通過阻斷Warburg 效應可降低線粒體膜電位從而改善PAH的PASMCs 異常增殖[23]。同野生型小鼠相比，敲除SIRT3 基因小鼠PASMCs 的線粒體膜電位明顯增高，且人PASMCs 敲除SIRT3 也同樣增加了線粒體膜電位[22]。PAH 的發(fā)生發(fā)展與ROS 密切相關，ROS 會造成線粒體結構和功能的障礙[24-25]，而SIRT3 可通過介導線粒體的氧化途徑，進而調(diào)節(jié)ROS 的產(chǎn)生，在缺乏SIRT3 的情況下，ROS 的增加會導致HIF-1 活化的增加，這說明SIRT3 能夠抑制HIF-1，具有阻斷Warburg 效應進而改善PAH 的能力[26]。

4.3 SIRT3緩解巨噬細胞及炎性因子對肺組織的損傷

大量巨噬細胞浸潤在PAH 患者肺血管周圍并釋放大量炎性因子，這在PAH 的發(fā)生和發(fā)展中起到至關重要的作用。由于PAH 中PAECs 的損傷造成其功能失調(diào)，從而產(chǎn)生大量ROS，ROS 增多激活NF-κB通路導致炎性因子大量表達，進而引起PASMCs 的損傷。當SIRT3 在線粒體內(nèi)過表達時，通過去乙酰化作用，使NADPH 水平提高，進而抑制細胞內(nèi)ROS 的蓄積[27]。SIRT3 在調(diào)節(jié)巨噬細胞線粒體功能、ROS 形成和控制炎性反應、降低肺損傷中發(fā)揮著關鍵作用，缺乏SIRT3 基因的PAH 小鼠，其炎性因子TNF-α、IL-18和巨噬細胞炎性蛋白-2（macrophage inflammatory protein-2，MIP-2）顯著增加[21]。

4.4 SIRT3可以在大鼠PAH的標準模型中作為治療靶點

在不同細胞群中白藜蘆醇已被證明可以激活SIRT3[28]。用白藜蘆醇處理急性肺損傷野生型小鼠，不僅恢復了巨噬細胞的生物學功能，而且可以減少炎性因子TNF-α、MIP-2、HMGB1、IL-6 和IL-1β的產(chǎn)生，減輕肺損傷，而這些保護作用在SIRT3 基因敲除小鼠中是不存在的[21]。給予PAH 大鼠SIRT3 基因治療，可有效改善PAH 大鼠的血流動力學功能及血管重塑，使肺血管內(nèi)側壁厚度減少。敲除SIRT3 基因的小鼠PASMCs 中PDH 活性降低，導致線粒體功能障礙，但通過腺病毒介導使SIRT3在PAH 患者PASMC 中高表達可以改善線粒體膜電位及功能，表明SIRT3 缺陷的挽救足以使線粒體功能正常化[22]。

5 總結及展望

現(xiàn)在PAH 的治療集中在外科手術、介入手術及擴血管藥物的臨床應用上，但肺血管重構限制了目前臨床治療的療效，其長期預后效果欠佳。隨著針對PAH 發(fā)病機制的研究進展，靶向藥物為治療PAH 提供了新的治療思路。線粒體功能障礙是PAH 的重要生理病理學表現(xiàn)，SIRT3 作為維持線粒體功能的重要調(diào)節(jié)因子，其在線粒體內(nèi)的去乙酰化作用已被證實，對于治療PAH 顯示出積極作用。在未來PAH 的治療策略上，可針對SIRT3 發(fā)揮作用的相關機制進行更加深入的研究，將SIRT3 作為治療PAH 的新靶點，更好地了解PAH 的病理過程，為其預防與診治提供新策略。