SIRT1的生理作用及调控机制的研究进展_王晓凯

·综述·SIRT1的生理作用及调控机制的研究进展
王晓凯张志成孙天胜
沉默信息调节因子2（silent information regulator2，Sir2）相关酶类，是一种高度保守的NAD+依赖的蛋白去乙酰化酶类。

Sir2在基因沉默、基因组稳定性、细胞寿命以及代谢调节上具有必不可少的作用。

Ivy等率先从酵母中分离并鉴定出Sir2基因［1］。

随后在研究线虫和果蝇时也发现Sir2基因家族参与调节细胞寿命过程［2］。

2000年从哺乳动物方面鉴定与Sir2同源的一个蛋白质家族，统一称为Sirtuin（SIRT）［3］，又称抗衰老酶。

哺乳动物有7个Sir2同源基因［4］。

Sirtuin进化得比较保守，在人类中有个不同的Sirtuin蛋白，分别命名为SIRT1 7［5］。

以人类为例，与Sir2同源的人cDNA序列：SIRT1、SIRT2、SIRT3、SIRT4、SIRT5、SIRT6、SIRT7，它们分别定位于第10、19、11、12、6、19、17号染色体上，无论在结构和功能上都与Sir2保持着较高的同源性，其中SIRT1与酵母菌Sir2同源性最高［6］。

SIRT1与多种信号传导通路（Wnt、Notch等）中的头蛋白盒转录因子（forkhead-box transcription factors，FOXO）1/3/4、c-myc、NF-κB、IGFBP1、p300、p53等蛋白相互作用，参与神经保护、细胞衰老凋亡、糖脂类代谢、炎症氧化应激反应等过程，发挥其对基因的调控功能。

鉴于SIRT1的上述功能，引起各学科研究人员的广泛关注。

本文对SIRT1的近期研究结果作一综述。

一、分布
1.基因水平：SIRT1首先于1999年在人体内被发现，该基因定位于人类染色体10q21.3，基因组序列长度（在69644427 69678147）约为33.72kb，无剪接变异，具有高度保守性。

cDNA序列包含长约
2.4kb的ORF（open reading frame），有9个外显子，编码747个氨基酸，翻译后蛋白质相对分子量约81.7kDa［7］。

2.细胞水平：早期研究认为在哺乳动物机体内，SIRT1、SIRT6、SIRT7主要位于细胞核中，SIRT6和SIRT7位于异染色质区和核仁；SIRT3、SIRT4、SIRT5主要位于线粒体；SIRT2定位于细胞质。

Michishita等［4］在研究人类SIRT蛋白的功能和定位时发现，SIRT1除广泛存在于机体成熟组织中，在胚胎早期组织和生殖细胞中含量也比较丰富。

其中在胎儿脑组织和成人脑组织、精巢、骨骼肌、肾脏、心脏表达较高。

由于生物机体内细胞存在差异性，其SIRT1定位也不同，有的仅在细胞核内，有的仅在胞质中，有的两者皆有表达。

此外，在成熟程度不同的组织和细胞内SIRT1定位也存在差异。

在神经元亚细胞结构中SIRT1主要表达在细胞质中，但是在室管膜细胞的胞质和核中都有表达，精母细胞仅在细胞核中表达，在12.5d鼠胚胎的心血管细胞的核中广泛表达，在成年鼠心脏细胞的胞质和核中都表达。

Tanno等［8］发现肌原细胞核中表达SIRT1，但是在细胞分化后SIRT1又定位于细胞质中。

在异核体的检测中发现SIRT1有胞核和胞质的穿梭现象，这个过程可被来普霉素B（染色体区维持蛋白1介导的出核转运的抑制剂）抑制。

Hisahara等［9］通过免疫荧光染色和电穿孔观察胚胎鼠脑组织SIRT1的分布时，发现SIRT1主要定位于大鼠胚胎的脑室和侧脑室管膜下层的前体神经细胞质中，仅在小部分细胞核中发现了SIRT1。

离体实验时神经元细胞受到分化刺激条件后，胞质中的SIRT1迅即转位于细胞核中，并且持续几小时后，会再次返回到胞质中。

在此过程中，如果通过药理学抑制剂、siRNA及负向调控来干预SIRT1的表达，神经球细胞产生Tuj1型神经元的作用明显降低，并且神经元细胞的迁移能力也随之减低。

说明SIRT1在细胞核和细胞质中存在相互转移的机制，并能影响神经细胞的分化或迁移能力。

二、功能
Sir2在维持基因组的稳定性、修复DNA损伤、调控有丝分裂、抗氧化应激、抗炎症反应、抗凋亡等生命活动中发挥重要作用。

由于人类SIRT基因与Sir2基因具有同源性，所以在生物学功能上两者存在一致性。

目前关于哺乳动物7个SIRT基因中SIRT1的研究报道最多，它属于Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶，即NAD+依赖的蛋白去乙酰化酶类家族。

相关作用底物有：去乙酰化作用底物主要有FOXO1/3/4、c-myc、NF-κB、SUV39H1、p300、p53、PGC-1b、H1、H3、H4、B-Catenin、CRTC2、PARP1等；转录作用底物包括UCP2/3，IGFBP1等；结合物主要有NCOR、PPARa、HIC1、TLE1、CLOCK、DBC1等［10］。

此外还有组蛋白［11-12］、p53肿瘤抑制因子［13-14］、转录因子FOXO［15-16］、BRCA1［17］、Ku70［18］和PGC-1a［19］等。

SIRT1与不同的底物相互作用，发挥不同的生物学功能。

1.细胞周期控制：转录因子FOXO家族成员是基因的重要调控者。

其调控的基因主要参与调节氧化应激、细胞周期阻滞、细胞存活等生理生化过程［20］。

在抗氧化应激过程中SIRT1通过加强FOXO目的基因的表达，改变细胞周期停留或阻滞，可抑制细胞死亡诱导机制，促进细胞存活。

在各种应激条件下造成DNA损伤时，细胞周期G1/S检查点能够阻止DNA复制过程的启动。

而p53在此起到了不可或缺的作用，它能够让细胞周期停留在G1/S检查点。

p53发挥这一作用的基础是被磷酸
DOI：10．3877/cma．j．issn．1674-0785．2011．24．027
作者单位：100700北京军区总医院全军创伤骨科研究所
通讯作者：孙天胜，Email：suntiansheng-@163．com
化乙酰化，被乙酰化后p53能被SIRT1去乙酰化，其活性发生改变。

进而改变了细胞周期在G1/S检查点的停留，已损伤的DNA复制继续进行，对细胞结构及功能造成损伤。

无论是SIRT1直接或间接通过p53对细胞周期的调节，都说明了SIRT1参与了细胞发育周期过程，并发挥了一定的作用。

2.抑制细胞凋亡和神经保护：SIRT1作为一种去乙酰化酶，可与多种蛋白相互作用，其在应激条件下参与调节细胞的凋亡和衰老的过程，能够增强细胞活性及自我修复和存活的能力［21］。

并且SIRT1可抑制环氧化酶（COX）的活性的通路，减少炎症反应，对神经损伤起到一定保护作用［22］。

SIRT1可通过作用于一些非组蛋白（主要是转录因子），间接地调节一系列细胞的存活过程，也包括有丝分裂后的神经元细胞。

首先被鉴定为SIRT1的非组蛋白作用底物是p53［23-24］。

被乙酰化的p53可以激活下游基因的转录活性，促进氧化应激诱导的凋亡和DNA损伤。

在组织损伤和DNA损伤时，SIRT1可以通过作用于p53，将其蛋白的第382位赖氨酸残基去乙酰化［24］。

去乙酰化的p53蛋白与DNA顺式元件的结合能力降低，SIRT1间接实现了保护神经退行性改变的作用，并减少依赖p53的细胞凋亡。

实验证实90%的乙酰化p53可被SIRT1去乙酰化，它是SIRT1在体内主要的作用底物。

但未见有数据表明其他同源物（SIRT2 7）对p53有明显作用［4］。

从另一个方面来说SIRT1可改变细胞的凋亡过程，对神经细胞有保护作用。

在神经退行性疾病中SIRT1的神经保护作用很大程度上依赖于其延长细胞寿命和促进神经细胞存活的的功能。

Yu等［25］研究认为在机械性、遗传性损伤条件下，Wld（S）（能反映NAD合成活力的一种融合蛋白）能保护神经元轴突和突触，免于损伤导致的细胞凋亡，并证实SIRT1和NAD参与调节此过程。

3.抑制炎症反应：NF-κB是一种异二聚体蛋白，一般由两个功能亚单位（即P65和P50）所组成，同时和其天然性的抑制因子IKB-a/b结合在一起，而后者能阻止NF-κB进入细胞核调控相关的靶基因。

在细胞受到刺激（感染、水肿、氧化和抗原等）后，IKB即可发生磷酸化，其蛋白酶体发生降解，NF-κB被激活，进入细胞核，与炎症靶基因结合，产生炎症因子。

Kang 等［26］发现被基因敲除ikkb（ikk、IKB激酶）的大鼠，在脊髓创伤后，由NF-κB通路介导的体内炎症反应明显减轻。

这是从胞外途径阻断NF-κB通路，减少创伤后炎症反应。

SIRT1可以通过去乙酰化作用于NF-κB的亚单位RelA/p65，使参与调整NF-κB 活性的基因表达缺失，可减少NF-κB与核内炎症基因结合，进而减少了TNF-α、IL-1β等炎症因子的产生。

有研究认为这种抑制NF-κB活力的保护机制不是细胞的自发行为。

在小神经胶质细胞中NF-κB信号通路对淀粉样β蛋白诱导的神经死亡过程起重要作用。

通过高表达SIRT1和白藜芦醇都可显著降低淀粉样β蛋白诱导的NF-κB信号通路，减少炎症因子的产生，并抑制炎症反应对原皮质神经元的损伤作用［22］。

依赖SIRT1转录沉默COX-2，可抑制COX的活性的通路，进而减少炎症反应，对神经损伤有一定保护作用［27］。

4.抗氧化应激：氧化应激在脊髓和脑部损伤后神经退行性变的发病机制中发挥重要作用，主要是由组织内大量的活性氧（reactive oxyzen species，ROS）的产生而引起。

机体受到损伤应激后，会产生大量ROS，主要包括iNOS（inducing-NO synthase）和COX-2。

前者会产生超氧化合物和氮族化合物如NO，这些产物最终通过DNA损伤和酪氨酸硝基化作用导致细胞死亡［28-31］，后者COX-2是氧化应激过程的主要成员之一。

Wang等［32］建立了过氧化氢（ROS之一）诱导的大鼠神经元细胞氧化应激模型并证实在氧和能量缺失的情况下，淫羊藿甙（icariin中药成分）可通过上调依赖SIRT1的抗氧化物酶的表达，减弱了ROS产生的氧化应激作用。

说明SIRT1可作用于抗氧化物酶，实现抗氧化应激作用。

Chae等［33］发现，在SIRT1缺乏的情况下能够明显阻碍氧化应激诱导的小鼠胚胎干细胞的凋亡，这一过程是SIRT1通过下调PTEN/JNK/FOXO1通路实现抗氧化作用的。

FOXO家族是转录调节因子，人类有4个FOXO同源基因，分别为FOXO1、FOXO2、FOXO03和FOXO4。

其调节的靶基因多与细胞周期、细胞凋亡、衰老及代谢有关。

Yang等［34］发现SIRT1蛋白可以结合并去乙酰化FOXO1，当FHL2（four and a half LIM2）与FOXO1蛋白复合物结合后，可以显著增强SIRT1对FOXO1的抑制效应，进而抑制氧化应激过程，减少细胞损伤。

Csiszar等［35］研究证实，通过对大鼠实施能量限制（caloric restriction，CR）饮食的方法，能够明显减少TNF-α诱导ROS的产生，抑制NF-κB的活性，减少了氧化应激反应。

但是通过siRNA敲除SIRT1的大鼠的上述作用明显减弱，说明SIRT1参与了抗氧化应激过程，并且可明显减少ROS的产生。

5.促进糖、脂代谢：法国人长期以高脂饮食为主，并且高脂饮食者患心脑血管病的发病率较高。

但是法国人的心血管疾病并没有流行，这一现象被称为"法兰西奇迹"，后来人们证实，这与法国人喜欢喝红、白葡萄酒有关。

因为葡萄酒中含有一种名为白藜芦醇的化学成分，能够高效调节脂类代谢，减少脂类在体内堆积。

所以高脂饮食的法国人，饮葡萄酒的同时降低了体内血脂，故其心血管病得发病率较低。

研究发现，SIRT1通过直接与解耦联蛋白（uncoupling protein2，UCP2）启动基因相互结合，抑制UCP2表达，能够调节胰岛素分泌，间接地调节糖脂代谢。

在培养肝细胞实验中，Frescas等［36］发现SIRT1能与核内的FOXO1相互作用，使FOXO1去乙酰化，促进依赖FOXO1的肝源性糖异生的合成，进而为细胞提供能量，利于细胞的存活。

同样是在肝脏，在禁食状态下，SIRT1还可以通过作用于转录辅激活物PGC-1α（PPAR-γ辅活化蛋白1，全称：γ过氧化物酶体增殖物活化受体辅活化蛋白1），抑制糖酵解基因表达，促进糖异生过程的基因高表达［19］。

Lagouge等［37］通过给予大鼠SIRT1的激动剂白藜芦醇，可使大鼠避免由饮食引起的肥胖和葡萄糖不耐受，这一药理作用是白藜芦醇通过上调sirt1实现的，并能够动态调节能量和代谢的平衡。

6.神经元增殖分化：一般情况下SIRT1主要存在于细胞核中，但是在受到神经元分化刺激后，会使原定位于细胞质中的SIRT1进入细胞核，启动神经元的分化的过程［9］。

而且SIRT1的过表达能够通过抑制Hes-1，促进神经元的分化。

目前有研究认为核受体辅阻碍物（nuclear receptor corepressor，N-CoR）能够抑制星形胶质细胞分化［38］。

N-CoR能够与SIRT1相互作用，抑制Hes1反式激活和促进神经元的分化，此过程中睫状神经因子通过诱导N-CoR磷酸化使其转入胞质中，与SIRT1在神经分
化时核质穿梭活动类似，在睫状神经因子作用下SIRT1可能跟N-CoR一起进入细胞质［9］。

Sugino等［39］通过细胞体外培养实验，证实胞质中的SIRT1酶能够促进神经生长因子（NGF）诱导的嗜铬细胞瘤轴突生长。

实验组中加入白藜芦醇（SIRT1的激动剂）后轴突延长总长度明显长于对照组，预示着SIRT1可能对轴突增殖分化起到核心作用。

SIRT1酶活性依赖于NAD，该实验在分化条件下分别加入20μmol/L，50μmol/L NAD，结果显示随NAD加入量的增加，轴突延长度明显增长。

而两种SIRT1的抑制剂，烟酰胺（Nicotinamide）和Splitomicin对轴突延长有明显抑制作用，这说明SIRT1在轴突再生中发挥重要作用。

另有结论示核中过表达的SIRT1对轴突生长有抑制作用。

7.参与自噬过程：自噬是细胞质自我退变的一种过程［40］。

在体内不同细胞，不同时期，外界条件影响下都会发生自噬，其通过分解细胞碎片及损伤的细胞器，清除皱褶的或失能蛋白发挥一种核心作用。

在各种神经元退变条件下，它能诱导自体吞噬的细胞死亡［9］。

Wu等［41］实验得到证据，白藜芦醇可以激活AMPK/SIRT1通路，该通路参与自噬诱导。

白藜芦醇对鱼藤酮诱导凋亡的神经保护效应，是必不可少的。

实验中抑制AMPK或SIRT1能明显降低LC3-Ⅱ（LC3，微管相关蛋白轻链-3，自噬小体的生物标记物）的水平。

揭示了AMPK或SIRT1是白藜芦醇调节自噬诱导所必需的。

有研究表明脊髓损伤后自噬过程即被启动，beclin1作为自噬的促进者，在脊髓半切损伤后4h表达上调，3d达到最高峰，并至少持续21d。

说明脊髓损伤后诱导beclin1的表达上调，进一步促进自噬细胞死亡［42］。

在氧化条件下LC3-Ⅱ的反应性增加，但是通过siRNA技术下调SIRT1表达后，LC3-Ⅱ的反应性降低，自噬体的形成减少。

说明在氧化应激条件SIRT1介导自噬小体形成并参与自噬过程［43］。

三、展望
SIRT1的功能比较复杂，能与多种信号传导通路中的蛋白相互作用，可以使生物体内的组蛋白、赖氨酸残基、转录因子发生去乙酰化，并参与神经保护、细胞衰老凋亡、糖脂类代谢、胰岛素分泌、炎症氧化应激反应、血管生成等过程，发挥其对基因的调控功能。

目前对其功能虽有一定的了解，但其具体生理生化功能及机制有待进一步更深入研究。

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（收稿日期：2011-08-25）
（本文编辑：戚红丹）王晓凯，张志成，孙天胜．SIRT1的生理作用及调控机制的研究进展［J/CD］．中华临床医师杂志：电子版，2011，5（24）：7315-7318．。