Sirtuin家族及其生物学特性

Sirtuin家族及其生物学特性
戚欣欣;孙莉
【摘要】沉默蛋白(sir2-related enzymes,sirtuin)或沉默信息调节因子2(silence information negulator2,Sir2)是一类从古细菌到人类都高度保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)依赖的组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC),哺乳动物有7种sirtuin同源基因SIRT1-SIRT7,具有不同的亚细胞定位和功能.这些蛋白在细胞周期控制、维持线粒体的动态平衡、自噬和细胞生长调节等过程中发挥重要作用.笔者将对sirtuin家族的蛋白结构、酶学功能、家族成员及其生物学功能做一综述.
【期刊名称】《华夏医学》
【年(卷),期】2016(029)001
【总页数】6页(P169-174)
【关键词】sirtuin;沉默信息调节因子2;去乙酰化酶
【作者】戚欣欣;孙莉
【作者单位】桂林医学院基础医学院,广西桂林541000;桂林医学院基础医学院,广西桂林541000
【正文语种】中文
【中图分类】Q5;R34
翻译后修饰在细胞中有重要作用，如DNA识别、蛋白-蛋白相互作用、催化活性和蛋白质稳定性［1］。

蛋白乙酰化/去乙酰化属于组蛋白共价修饰，主要由组蛋
白乙酰化酶（histone acetyltransferases，HAT）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetvlase，HDAC）分别催化［2］。

共有Ⅳ类HDAC，sirtuin属于Ⅲ类HDAC，与酵母转录抑制因子Sir2同源［2］。

Sirtuin蛋白家族在不同的细胞过程如细胞凋亡、线粒体生物合成、脂质代谢、脂肪酸氧化、细胞应激反应、胰岛素分泌和衰老都发挥着重要作用。

1.1 蛋白结构
X线晶体衍射显示（图1），细菌、酵母和哺乳动物sirtuin具有相似的催化核心区域，即275氨基酸残基构成的一大一小两个基本结构域。

较大的结构域由rossmann折叠构成，具有较强的保守性，较小的结构域含有1个锌指结构［Cys-X-X-Cys-（X）15，20-Cys-X-XCys］和螺旋构件［3］。

底物结合于两个结构域形成的裂隙发生催化反应。

酵母有Sir2和4个Sir2同源物（HST1-4）。

哺乳动物sirtuin有7个亚型SIRT1到SIRT7，其中SIRT1与酵母Sir2在高度保守的核心结构区域序列高度相似性［3］。

对真核生物和原核生物的催化核心区域进行系统分析可以将sirtuin分为5个主要类别（I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和U）［4］。

第I 类：5个酵母sirtuins（Sir2和HST蛋白）和人sirtuins中的SIRT1、SIRT2和SIRT3；第Ⅱ类：哺乳动物SIRT4和来自真核生物以及细菌的sirtuins；第Ⅲ类：哺乳动物SIRT5以及古细菌sirtuins，大多数细菌sirtuins也属于此类；第Ⅳ类：包括哺乳动物SIRT6和SIRT7；U类包含革兰氏阳性菌的sirtuins。

1.2 酶学功能
在酿酒酵母中发现了第1个sirtuin，即Sir2，因此sirtuin酶活性的研究最初均来源于Sir2。

用32P标记NAD发现人类同源的酵母Sir2基因可以从NAD+转移32P到牛血清白蛋白，表明Sir2具有ADP-核糖基转移酶活性［5］。

酵母Sir2对交配型基因座沉默、端粒DNA沉默和核糖体DNA（rDNA）沉默的转录抑制具有关键作用。

对特定组蛋白亚基的赖氨酸残基进行分析，更充分说明了sirtuin的
组蛋白去乙酰化作用［5］。

Imai等通过对Sir2反应产物的分析，以及有关Sir2
核心区域的保守残基突变研究的数据支撑下得出体内Sir2是NAD+依赖性去乙酰化酶活性。

Sir2的组蛋白去乙酰化消耗NAD+，伴随去乙酰蛋白、烟酰胺（nicotinamide，NAM）和O-乙酰基ADP核糖（O-acetyl-ADP-ribose，OAADPr）的生成。

其
催化活性受细胞NAD+浓度或NAD+/NADH比值变化调节［5］。

NAD+合成的限速酶，烟酰胺转磷酸核糖激酶（NAMPT）的细胞水平在不同病理生理条件下也影响sirtuin活性［6］。

烟酰胺酶1基因（pyrazinamidase/nictin⁃amidase 1，PNC1）编码烟酰胺脱去酰胺基，通过补救途径把NAM转化为烟酸来减少NAM
的累积［7］。

由此可见，PNC1和NAM都可以调节细胞中Sir2去乙酰化酶活性。

此外，Sir2去乙酰化反应的另外一个产物OAADPr，也是一个重要的代谢副产物。

OAADPr通过重组和加载Sir2-4沉默复合物定点结合到核小体调节基因沉默［7］。

因此，Sir2去乙酰化酶活性对细胞的动态平衡具有关键作用。

SIR2是从古细菌到高等生物人类都高度保守的基因家族，暗示了其保守的催化机
制［2］。

细菌和古细菌的sirtuin在转录调控和细胞分化进程中发挥重要作用，
比如古细菌的sirtuin的同源物Cob B，它可以调节丙酸分解代谢和钴胺素的酶生物合成，在NAD+依赖条件下去乙酰基并激活乙酰-CoA（acetyl-CoA
synthe⁃tase）［8］，并且能够将染色质Alba去乙酰化，调节DNA稳定性及转录活性。

这些研究表明，真核生物原核生物以共同的机制对赖氨酸进行乙酰化调节，以及细菌应激反应条件下的乙酰化、去乙酰化作用［8］。

因此，Sir2同时具有NAD+依赖性去乙酰化酶活性和单ADP-核糖基转移酶活性。

哺乳动物sirtuin广泛分布于细胞，具有不同的亚细胞定位，其功能也不相同。

SIRT1、SIRT6和SIRT7主要是核蛋白，SIRT3、SIRT4和SIRT5分布于线粒体，而SIRT2主要存在于细胞质。

研究显示，SIRT1-3有较强的去乙酰化酶活性，
SIRT4-7则较弱或检测不到去乙酰化酶的活性［8］，而SIRT4主要表现ADP-核
糖基转移酶活性。

哺乳动物sirtuin的亚细胞定位、作用底物及功能如表1所示。

2.1 SIRT1
SIRT1是酵母Sir2基因的同源基因，也是目前研究最多的，在胚胎发育及骨骼肌
分化都具有重要作用，参与染色质修饰、表观遗传学、炎症和应激反应［9］，与组蛋白和一些非组蛋白底物相互作用。

其中非组蛋白底物包括肿瘤抑制基因p53、核因子-κB（NF-κB）、过氧化物酶体增殖子激活受体γ共激活因子1-α（PGC-
1α）、FOXO、肝X受体（LXR）、PARP、Ku70和低氧诱导因子（HIF）-1α等。

SIRT1将p53去乙酰化调节细胞凋亡，并抑制细胞应激中依赖p53的转录过程，啮齿类动物实验表明SIRT1有肿瘤抑制作用，这可能与其去乙酰化功能及抑制β-
连环蛋白转录活性有关［10］。

SIRT1通过对PGC-1α去乙酰化调节代谢，肝内SIRT1对空腹时葡萄糖和脂质代
谢也发挥着重要作用。

SIRT1介导的代谢控制是依赖其对腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）的调控来实现的，AMPK被认为是细胞能量调节器，脂肪细胞因子能
够激活AMPKSIRT1-PGC-1α通路，增加肌细胞线粒体含量。

SIRT1另一个重要
功能是抑制解偶联蛋白2（UCP2）的基因表达，实现对胰岛β细胞胰岛素分泌的积极调控［11］。

SIRT1的在细胞中的多重作用已经成为衰老以及其他疾病诸如
心血管疾病、糖尿病、癌症、神经退行性疾病等细胞内重要的靶蛋白［9］。

2.2 SIRT2
SIRT2主要存在于胞浆，无论在体内还是体外都能将α微管蛋白在赖氨酸40位点去乙酰化。

SIRT2蛋白水平在细胞周期波动，在细胞周期的有丝分裂退出阶段也有作用。

SIRT2的一个典型特征是在G2/M期通过组蛋白H4去乙酰化迁移到核调
节染色质凝聚。

Wang等［12］发现，SIRT2能使FOXO1去乙酰化，促进FOXO1结合PPARγ抑制PPARγ的活性，促进脂肪细胞分化。

最近的研究表明，
在SIRT2依赖性条件下，细胞感知细胞氧化刺激减少了磷酸戊糖途径中的关键酶
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的乙酰化［13］。

它还和许多疾病相关，如癌症以及帕金森氏和亨廷顿氏等神经退行性疾病。

2.3SIRT3
SIRT3是一种NAD+依赖的去乙酰化酶，在组织中高度表达，富含于线粒体中［14］，并有棕色脂肪组织的产热作用。

SIRT3缺失导致多个器官基础ATP水平
降低，复合物I各组分高度乙酰化，并减少了复合物I活性。

有报道表明［14］，SIRT3在心肌细胞中作为应激反应蛋白，能够将Ku70去乙酰化以及促进其与凋亡蛋白Bax的相互作用来阻碍Bax转位到线粒体，SIRT3相互作用的蛋白是线粒体
复合物I蛋白NDUFA9。

其去乙酰化的两个关键底物是线粒体超氧化物歧化酶（SOD2）和异柠檬酸脱氢酶2（IDH2），这些氧化还原酶的活性增强能防止有毒的活性氧（ROS）累积。

通过调节ROS，SIRT3抑制缺氧诱导因子1α（HIF-1α）的转录活性，抵抗氧化应激，因此可作为肿瘤抑制因子。

Pillai等［15］发现自然多酚厚朴通过激活线粒体SIRT3，阻止并能逆转小鼠心脏肥厚。

2.4 SIRT4
SIRT4定位于线粒体，同样具有sirtuin保守区域，但在体外实验中几乎没有检测
到去乙酰化酶活性。

它通过线粒体基质中的谷氨酸脱氢酶（glutamate
dehydro⁃genase，GDH）活性调节胰腺β细胞的胰岛素分泌，使局部ATP浓度降低减少氨基酸刺激的胰岛素颗粒分泌，预防糖尿病。

SIRT4的另外一个显著功能是，它能够调控谷氨酰胺代谢，促进DNA损伤反应防止肿瘤的发生［16］。

同样，在增殖的肿瘤细胞被激活mTORC1通路，SIRT4的表达下调。

Vassilopoulos等［17］发现，SIRT4还可以调节脂肪酸氧化，肝细胞以及肌肉线粒体中基因的表达，其表达降低或抑制其表达可以增加肝脏脂肪氧化，增强线粒体功能。

Mathias 等［18］发现SIRT4具有抑制丙酮酸脱氢酶活性的功能，此酶能够连接无氧氧化
的糖酵解与有氧氧化的三羧酸循环。

2.5 SIRT5
SIRT5定位于线粒体基质，是NAD+依赖的去乙酰化酶。

Nakagawa等［19］发现SIRT5能够将线粒体中尿素循环的限速酶氨基甲酰磷酸盐合成酶（carbamoyl phos⁃phate synthetase l，CPS1）去乙酰化，限制尿素循环起始步骤，完成氨的解毒。

事实上，在禁食或高蛋白质饮食期间，SIRT5基因敲除的小鼠血液中有较高水平的氨，CPS1去乙酰化程度降低其活性也降低。

Zhang等［20］报道，SIRT5具有促进脂肪酸氧化的作用。

尽管SIRT5的缺失导致了几种代谢途径紊乱，它在
代谢调节方面仍被认为是可有可无的亚型。

2.6 SIRT6
SIRT6定位于细胞核，它具有组蛋白去乙酰化、ADP核糖基化和赖氨酸脱酰基酶
作用。

Kugel等［21］发现SIRT6在维持基因组稳定性和修复DNA损伤中发挥
重要作用。

通过抑制HIF-1α和其他糖酵解基因的表达还能够影响葡萄糖代谢，因此，SIRT6降低时能够使肌肉和脂肪组织中葡萄糖摄取增加而导致严重的低血糖症。

它还可通过修饰乙酰基转移酶GCN5的活性使PGC-1α乙酰化，以间接方式控制
肝糖原异生［21］。

此外，Kim等［22］发现SIRT6能够负调节甘油三酯的合成从而参与脂质代谢。

Sharma等［23］研究表明，SIRT1、SIRT6表达与小鼠寿命相关，随着年龄的增加在人真皮层成纤维细胞表达量下降，而过表达延长了雄性小鼠的寿命。

2.7 SIRT7
SIRT7在核仁中表达，与组蛋白和RNA聚合酶I（Pol I）共同调节rRNA基因转
录过程。

Tsai等［24］发现，在转录过程中，SIRT7在连接染色质重塑复合物和Pol I中也具有关键作用。

Barber等［25］研究发现，SIRT7使抑制肿瘤基因脱乙酰化并且抑制基因转录过程，从而维持致癌转化。

SIRT7的致癌潜力在人类肝癌和
人结直肠癌也得到进一步证实［26-27］。

SIRT7还具有其他功能，如参与蛋白质合成［28］，抑制HIF-1α和HIF-2α合成［29］，以及作为原癌基因转录抑制［30］及肝脏脂质代谢的辅因子［31］。

SIRT7被认为是治疗癌症的潜在靶点。

Sirtuin蛋白家族是重要的生理调节因子，目前SIRT1是sirtuin家族中研究最多的沉默蛋白。

Sirtuin在维持细胞内环境稳定中发挥重要作用，参与能量代谢、肿瘤抑制、线粒体功能调节以及氧化应激等。

因此，深入研究sirtuin蛋白家族生物学特性及其功能，将为代谢性疾病、肿瘤及中枢神经退行性等疾病的临床诊断与治疗提供依据。

Abstrsct:Sirtuin（sir2-related enzymes，sirtuin）or sir 2（silence information negulator2，Sir2）family of proteins is a class of nicotinamide adenine dinucleotide（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）-dependent histone deacety⁃lase（histone deacetylase，HDAC），which are evolutionarily conserved from ancient bacteria to humans and some sirtuins also have a mono-ADP ribosyl transferase activity.Mammalian has seven kinds of homologous genes sir⁃tuin SIRT1-SIRT7，with different sub-cellular localization and function.These proteins play an important role in the critical cellular processes such as cell cycle control，maintaining mitochondrial homeostasis，regulating autopha⁃gy inhibition.In this review we summarize the protein structure of sirtuins，its enzymatic function，family and bio⁃logical function.
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