Sirt1 基因的研究进展

陈婷婷 胡云龙 刘 兵 王晓冬 郭德银 靳广毅

深圳大学医学院，广东深圳 518060

蛋白质经历了多种翻译后修饰， 包括SUMO 化（sumoylation）、泛素化（ubiquitination）、磷酸化（phosphorylation）等[1]，进而调控酶活性和定位的改变以及调节蛋白与蛋白之间的相互作用。Sirt1（Sirtuin type 1）属于去乙酰化酶家族，其家族的共同特点是通过对组蛋白，转录调节因子及其它蛋白修饰乙酰化，调节基因的表达。

沉默信息调节因子2（silent information regulator 2， Sir2）的哺乳动物同源物Sirt1，在成熟组织中广泛表达，在胚胎早期和生殖细胞中高含量。 Sirt1 的底物包含组蛋白（组蛋白H1 的K26，组蛋白H3 的K9 和组蛋白H4 的K16）、和非组蛋白（涉及细胞凋亡，神经元保护，器官代谢功能，细胞衰老和肿瘤发生等）和各种转录因子等。根据底物特点推测，人类Sirtuins 蛋白的生理功能一方面参与调节细胞在应激条件下平衡生存和死亡，另一方面参与调节代谢。

1 Sirt1 的结构特点

最早在酵母、线虫和果蝇等低等动物中发现Sir2 家族，随着研究的深入，发现在高等生物中也普遍存在其同源家族，统称为Sirtuin，简写为SIRT。 哺乳动物的Sirtuin 家族包含7 个拥有非常相似的同源序列成员，并且包含保守的催化结构域和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）连接结构域。

研究最为深入的Sirt1 与酵母Sir2 的同源性最高。其基因定位于人类染色体10q22.1， 包含9 个外显子和8 个内含子， 基因序列长度约为33 kb，5' 及3' 端各有一个分别为53 bp 及1793 bp 的非翻译区。 Sirt1蛋白由500 个氨基酸残基组成，翻译后的蛋白质相对分子量大小约60 kD。Sirt1 中第363 位的组氨酸是去乙酰化活性的必需基团。 Sirt1 脱乙酰酶活性的发挥依赖于胞质中NAD+/NADN 的比率， 当NAD+/NADN的比率上升时，Sirt1 脱乙酰化酶的活性也增强， 反之则降低[2]。在此酶反应过程中可以产生3 个产物：ADP核糖基，烟酰胺和氧化乙酰基ADP 核糖基[3]。

2 与Sirt1 相互作用的蛋白因子

一系列研究发现，Sirt1 是一种多功能的转录调节因子，在体内对几种控制代谢及内分泌信号的转录因子去乙酰化作用调节其活性。 Sirt1 与p53 蛋白结合，在p53 的C-末端第382 位赖氨酸残基去乙酰化，降低p53 的转录活性，参与了肿瘤的形成[4]。Sirt1 通过其去乙酰化作用使FOXO 诱导细胞周期停滞和抵抗应激的能力增强，另一方面，Sirt1 使FOXO 诱导细胞凋亡的能力减弱，这种双面影响促进细胞抗氧化应激耐受力，进而延缓细胞衰老进程[5]。 Sirt1 与PPARr 上的两个辅酶因子——核NcoR 和SMRT 结合， 抑制PPARr 与目的基因结合，促进体内脂肪的分解，进而减少脂肪堆积[6]。 Sirt1 去乙酰化NF-κB 的亚基p65，抑制p65 赖氨酸310 位转录[7]，促进TNF-α 诱导的凋亡。 Sirt1 以NAD+依赖的方式与PGC-1a 在特异的赖氨酸残基上相互作用而去乙酰化[8]。Sirt1 通过PCAF/GCN5 乙酰转移酶介导PCAF 和MyoD 去乙酰化，抑制MyoD 和MEF2 的表达[9]。

3 Sirt1 与生理功能

3.1 Sirt1 与自噬

Sirt1 的活性对于诱导饥饿所引起的自噬是必需。研究表明缺糖损伤增加AMP/ATP 的比例， 磷酸化AMP 活化的蛋白激酶AMPK， 活化的AMPK 一方面磷酸化ULK1，激活PI3K 复合物，另一方面通过抑制mTOR 从而抑制ULK1 复合物的磷酸化调控自噬[10]。活化的AMPK 也可以上调Sirt1 的活性[11]。 进一步发现Sirt1 与自噬机制中的一些必需成分相互作用，去乙酰化Atg5，Atg7 和Atg8 等自噬基因，形成复合体，激活自噬。 在体外，Sirt1 缺失增加多个自嗜相关基因产物的乙酰化水平[12]。

3.2 Sirt1 与精子生成

Sirt1 敲除的鼠胚中，成熟精子和精子发生显著降低， 但是卵母细胞的数量没有受到影响。 Sirt1 缺陷，DNA 损伤水平上升，对精子细胞数量有害。Sirt1 缺陷鼠的睾丸全基因表达芯片显示，精子生成中一些基因错误表达。 Sirt1 通过去乙酰化促进靶基因转录失活。因此。 Sirt1 缺陷在转录水平上影响精子发生中表达的基因[13]。

3.3 Sirt1 抑制成肌细胞分化

Sirt1 蛋白在肌原细胞中表达，并在分化过程中表达水平逐渐下调。 Sirt1 通过PCAF/GCN5 乙酰转移酶介导PCAF 和MyoD 去乙酰化， 抑制MyoD 和MEFs的表达。 Sirt1 过表达， 抑制肌肉特异基因的转录，阻碍肌肉分化。 而低水平的Sirt1 的细胞分化提前[14]。

3.4 Sirt1 和衰老干细胞

Sirt1 因其自身独特的生物学性质和功能，近几年来成为调控寿命基因研究的热点。 2009 年《科学》杂志上，发表了《Sirt1 通过去乙酰化调节热应激因子1（HSF1）保护细胞》，文章中发现HSF1 与Sirt1 调节生命周期的新机制。 HSF1 是一种保护细胞免受损伤等多种外在刺激下产生的应激蛋白，当它感受到细胞中受损蛋白出现时，会迅速短暂地大量合成，并通过与细胞内部分变性蛋白结合， 使其处于正确的折叠状态，从而发挥细胞保护功能。 高水平的Sirt1 有效地保护细胞， 但人体内的Sirt1 水平会随着年龄的增长而降低，Sirt1 的减少使HSF1 失去活性， 对细胞的保护失效，导致蛋白错误折叠，损伤积累，分子系统开始分崩离析，导致细胞无法应对内外环境的压力，这就是衰老的真相[15]。

在全身性炎症，帕金森氏病和衰老相关的肌肉萎缩的小鼠模型中，Sirt1 的S-亚硝基化增加p53 和p65 的乙酰化， 激活NF-κB 蛋白和p53 活性，SIRT1的S-亚硝基化可以作为促炎开关， 而这一过程在肥胖有关的糖尿病，动脉粥样硬化，阿尔茨海默氏病以及衰老中起到重要作用[16]。

Sirt1 激活剂白藜芦醇通过结合衰老中变异的人体蛋白LAMINA，活化Sirt1，增加干细胞数量，从而延缓衰老过程，并且喂食白藜芦醇的早老症小鼠能延长其寿命[17]。

Stem Cell Reports 上显示，Sirt1 影响衰老造血干细胞的正常再生能力。 利用Sirt1 敲除的小鼠模型，发现Sirt1 通过调控转录因子FOXO3 的寿命，进而调节造血干细胞的稳态。而缺失SIRT1 的年轻造血干细胞与衰老和缺陷的干细胞相似，这被认为与恶性肿瘤的形成相关。 该研究明确了Sirt1 潜在的衰老调控因子，为抗衰老疾病提供一些靶点[18]。

4 Sirt1 与疾病

4.1 Sirt1 和代谢综合征

Sirt1 对禁食反映的感应显示，其可能是生理学上通用的对禁食反映的调节器。 在葡萄糖代谢过程中，Sirt1 与PGC-1a 相互作用控制肝脏中的葡萄糖异生作用和糖酵解途径作为禁食信号的反应。 当饥饿时，肝脏中的丙酮酸盐调节着Sirt1 的蛋白水平。 因此，Sirt1 通过转录共活化物PGC-1a 对糖异生的刺激拮抗肝胰岛素应答途径，储存血糖并抑制糖异生[19]。 核受体PPARγ 是脂肪形成过程中存储脂肪的重要调节因子。在白色脂肪组织中，Sirt1 抑制PPARγ 介导的脂肪细胞分化和储存，抑制脂肪细胞增殖分化，促进脂肪动员[20]。 因此，Sirt1 活性改变与代谢综合征的发生相关。

4.2 Sirt1 和神经退行性疾病

Sirt1 高表达于小鼠胚胎的大脑，心脏，脊髓和背侧根中[21]。 在胚胎大脑中高表达，暗示Sirt1 在神经元和/或者大脑发育中起到重要作用。 在成年大鼠脑中，Sirt1 表达在海马组织，小脑和大脑皮层。 Sirt1 通过下调促凋亡因子p53[22]和FOXO[23]，起到抗凋亡的作用，促使神经元细胞存活。

阿尔茨海默氏病是由于β 折叠构象变化，淀粉状蛋白质分子聚集沉淀而引起。 在小神经胶质中，由β肽段增多引起神经元死亡涉及到NF-κB 信号转导通路[24]。 Chen 等[25]发现Sirt1 过表达，去乙酰化NF-κB的P65/RelA 亚基， 抑制了淀粉状蛋白β 诱导小胶质细胞的凋亡。

亨廷顿蛋白是常染色体显性遗传性神经退行性疾病中的有害产物[26]。Resveratrol 和Sirt1 基因量不断增加将以DAF16 依赖的方式减轻蠕虫神经元异常。

近期， 研究表明Sirt1 还可以利用神经保护Ⅰ类组蛋白去乙酰化酶HDAC1，负责将损伤的DNA 包裹进行压缩，进而修复患有神经退行性疾病的小鼠体内的基因组不稳定性[27]。

4.3 Sirt1 与基因稳定性和肿瘤的发生

在正常的条件下，Sirt1 定位在细胞核内[28]。但是，当应对TNF-α 时，Sirt1 存在于死亡细胞的细胞质中。这个现象提示Sirt1 可能以caspase 依赖的方式从细胞核到细胞质的定位改变。 肿瘤细胞Sirt1 的表达水平高于正常的人类细胞， 表明Sirt1 参与肿瘤生成。Sirt1 与多种肿瘤相关因子相互作用，并且在某些条件下促进肿瘤细胞的存活。

细胞应对外界应激信号时，蛋白激酶ATM、ATR、p38 等磷酸化p53 的N 末端和C 末端，增强p53 与乙酰化酶的乙酰化， 建立p53 磷酸化-乙酰化的级联反应[29]，增强p53 活性和稳定性，促使p53 诱导衰老[30]。许多肿瘤治疗药物都是基于重新激活p53 的功能或者失活p53 的负性调节因子。 因此，Sirt1 介导的去乙酰化酶抑制剂在肿瘤治疗中具有协同效应。最近研究显示，Sirt1 中734 位的赖氨酸可以被sumo （small ubiquitin-related modified）化。 体外sumo 化的Sirt1 显著增强去乙酰化p53 的能力。紫外射线和过氧化氢等压力诱导因子募集去sumo 化SENP1 蛋白，切割Sirt1的sumo 因子，降低其活性，这是使癌细胞变得耐受的方法之一[31]。

4.4 Sirt1 和HIV

当前科学家对类似HIV、HSV 等病毒感染还没有有效的阻断办法， 但一项来自普林斯顿大学2005 年发表的“Public Library of Science Biology” 一文中表明，可以调控一个基因开关阻止病毒活化。 研究者指出，Sirt1 能对在HIV 中负责活化转录机制的调控者Tat 进行去乙酰化，使其能在促使HIV 转录的过程中循环利用。 若能够降低Tat 乙酰化的速率，可以成功降低HIV 的复制。因此，研究Tat 与Sirt1 之间的相互关系成为是控制艾滋病病毒繁殖的提供了新的方向[32]。

4.5 Sirt1 与心血管疾病

动脉粥样硬化部分是由于血管壁慢性炎症所引起的。 研究表明，由一氧化氮合酶（eNOS）所产生的一氧化氮在维持血管内皮的功能，肌肉松弛，降低血压等起到重要作用。 而Sirt1 通过活化eNOS[33]或者通过NF-κB / P65 信号通路减少内皮组织因子如凝集素Ⅲ表达，减少血管内皮栓形成[34]。

同时sirt1 在心肌缺血再灌注损伤中， 通过下游分子eNOS、NF-κB 通路发挥重要的急性保护作用[35]。

心肌代谢紊乱、自主神经病变及微血管病变的基础上引发心肌广泛灶性坏死引发糖尿病心肌病变。Sirt1 激活剂白藜芦醇上调肌浆钙ATP 酶（SERCA2a）的表达发挥心肌保护作用[36]。

5 小结

Sirt1 从原核生物、酵母、果蝇、小鼠到人类有广泛表达且具有高度保守性，与不同的底物相互作用发挥其组织特异性效应。去乙酰化在蛋白质翻译后调节中具有举足轻重的作用，Sirt1 属于去乙酰化酶家族，其家族的共同特点是具有调节靶蛋白的乙酰化状态的活性，维持染色体结构稳定，沉默基因表达，调控细胞的能量代谢平衡。

目前对Sirt1 在抑制或活化细胞平衡过程需要进一步的实验支持，其底物和功能在不同疾病和物种中都不尽相同。 进一步深入地对其研究，特别是提供更多关于生命疾病过程的调控信息， 需要对Sirt1 功能作更深入的研究。 通过使用能增加Sirt1 蛋白活性的药物来研究它们预防癌症的潜能， 并为最终将Sirt1作为治疗疾病的研究靶点提供理论基础。

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