沉默信息调节因子蛋白家族、衰老与糖尿病心肌病

高海洋 综述 吴永健 审校

( 中国医学科学院北京阜外心血管病医院，北京100037)

糖尿病是严重危害人类生命健康的慢性代谢性疾病。近年来，糖尿病患病率呈现持续增长的趋势。有研究预测，到2050年全球糖尿病患者数将达到3 亿人。心血管并发症是糖尿病患者首要死亡原因。值得注意的是，除了明确的冠状动脉性心脏病对心脏的损害之外，1972年Rubler 首次提出了糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy，DCM)的概念。DCM 是糖尿病患者发展为心力衰竭的重要病因之一，它独立于冠状动脉疾病或高血压等糖尿病继发性损害之外，以心肌细胞肥大、凋亡、纤维胶原沉积为病理改变，以舒张功能障碍为主要特征［1］。

在近半个世纪的科研探索过程中，人们提出了关于DCM 的多个潜在发病机制，包括钙稳态失衡、氧化应激损伤、脂肪酸葡萄糖代谢异常、线粒体功能障碍、心脏自主神经病变、肾素血管紧张素系统的激活、糖尿病血管病和微血管病、离子通道异常等［2］。虽然上述假说均能在一定程度上解释DCM 的发生和发展，然而其确切发病机制尚未被完全阐明。

近些年来，细胞衰老对DCM 的潜在影响得到了学界的广泛关注。衰老是机体所有组织器官所必然经历的过程。随着细胞衰老的不断进展，细胞内环境的稳态被逐步破坏，进而引发氧化应激、炎症反应和能量代谢紊乱等一系列病理生理反应，最终导致细胞的死亡以及相应器官功能的衰竭。对于不可再生的心肌细胞而言，衰老不仅会引发心肌收缩功能的减退以及细胞数量的减少，还能促进心肌细胞间质纤维化和心室重构，进一步加快心功能衰退的速度。因此，年龄被认为是影响多种病因所致心力衰竭的独立危险因素。另外，越来越多的证据表明肥胖和代谢性疾病推进了组织器官的衰老过程。而且，一旦引发心肌的器质性损伤即使随后强化控制血糖也不能逆转损伤的进展，反而会加速病变的持续恶化［3］。因此衰老的推进可能是糖尿病心肌损害/心肌病除外高糖损害的核心问题之一。

研究发现，卡路里限制(calorie restriction，CR)能够显著延长秀丽隐杆线虫(C.Elegance)等多种模式生物的寿命，沉默信息调节因子(silent information regulator，SIRT)蛋白家族可能是决定这一现象的关键靶点。SIRT 蛋白家族是普遍存在于人类和其他哺乳动物体内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)依赖性的去乙酰化蛋白酶家族，由7 个成员组成，其基因我们称为SIRT1 ～7。它们与更早发现的SIRT2 基因高度同源，后者是延长酵母、线虫和果蝇寿命的关键基因。SIRT 参与到多个细胞生命过程中，包括细胞凋亡、代谢、线粒体生物合成及自噬。SIRT 特别是SIRT1，具有延缓衰老相关疾病如糖尿病、心血管病、神经退行性病变等的作用。SIRT1与SIRT2 同源性最高，研究也最多，特别是近期的人类基因组学研究显示SIRT1 在维持人体健康及寿命方面发挥重要作用［4］。另外，SIRT3 和SIRT6 也可能是潜在的寿命调节因子。在随后的章节中，我们将阐述SIRT 蛋白家族心肌保护作用的潜在机制及其改善DCM 的应用前景。

1 SIRT 介导CR、白藜芦醇延缓寿命

1935年McCay 等报道了接受CR 的大鼠生存中位期及最长生存时间延长，继而在酵母菌、蠕虫、苍蝇和啮齿类动物中该结论同样被证实。Colman 等［5］的研究显示CR 可延迟衰老相关疾病，如糖尿病、癌症、心血管病和脑萎缩等的发生，并能减少恒河猴的病死率。另外，Fontana 等［6］发现＞6年的CR 能显著改善人类的代谢状况，改善左室舒张功能，下调血清转化生长因子β1、肿瘤坏死因子-α 和高敏C 反应蛋白。因此，CR 延长寿命的作用明确，并同时具有延缓衰老相关疾病如心血管病、神经退行性病变以及糖尿病的作用。

研究显示，CR 的保护作用与SIRT1 关系密切，SIRT1 可在包括心肌在内的多个组织中因CR 而激活，发挥促细胞存活、线粒体生物合成及抵御不同能源状态下应激、氧化还原应激的作用。另外SIRT3 的作用也不容忽视，Someya 等［7］的研究结果显示在CR时SIRT3 也被激活，进而通过去乙酰化作用激活线粒体异柠檬酸脱氢酶2 以促进谷胱甘肽抗氧化防御体系，使衰老相关的氧化应激减少。SIRT6 在CR 时表达上调，同样参与到寿命的调节中，其过表达能延长雄性小鼠的寿命，同时伴有血清胰岛素样生长因子-1的下调和胰岛素样生长因子结合蛋白1 的上调［8］。因此，CR 条件下SIRT(特别是SIRT1、SIRT3、SIRT6)的激活可延长寿命，延缓包括心血管病、糖尿病在内的衰老相关疾病的进展。

1997年Jang 等发现红酒有抗心血管病以及抗肿瘤的潜能而引起科学家们对白藜芦醇的关注。2003年对SIRT1 激动剂的筛查研究鉴定出21 种不同的SIRT1 激动分子，其中最具潜能的就是白藜芦醇。研究显示白藜芦醇以激活SIRT 的方式在多种不同的生物中具有调节代谢、延缓寿命及心血管保护方面的作用日益明确［9］。

2 SIRT 对心脏的保护作用

2.1 SIRT 与心脏衰老

SIRT1、SIRT3 与心脏衰老之间存在密切联系。研究显示充足的NAD+水平与SIRT1 活性相关，是维持寿命的重要保障。随着衰老的推进全身性NAD+生物合成减少，SIRT1 活性降低［10］。Braidy 等［11］观察到12月龄与3月龄的Wistar 大鼠相比，其SIRT1 活性的下降平行于NAD+的减少程度，继而p53 过度乙酰化使细胞凋亡增多;同时年龄相关的氧化应激损伤也可导致多聚(腺苷二磷酸核糖)聚合酶(poly(ADP-ribose)polymerase，PARP)的激活使NAD+减少，SIRT1 可直接连接在PARP-1 上对其去乙酰化进而抑制其活性，减少NAD+的丢失。由于SIRT3 对维持线粒体功能具有重要作用，而线粒体功能障碍是衰老过程的关键环节，因此线粒体SIRT3 与衰老之间关系密切［12］。早前SIRT3 活性下降与心肌肥厚之间的关系被多个研究证实，近期Hafner 等［13］的研究结果显示心脏SIRT3－/－小鼠不仅更容易发展为心肌肥厚，同时也加速了心脏衰老的进程，表现为纤维化增多及细胞稳态破坏。Sundaresan 等［14］的研究显示SIRT6 也与心肌细胞衰老和心脏衰竭关系密切。SIRT6 在心脏衰竭过程中表达逐渐下降，而SIRT6 基因缺陷促进心肌负性重构并导致心力衰竭。

2.2 SIRT 与氧化应激损伤

有研究指出，氧化应激的加剧是衰老进程的关键环节，活性氧簇(ROS)形成增多和衰老之间的关系明确，氧化应激损伤也被认为在糖尿病及其并发症发生发展中起重要作用。

线粒体电子传递链是细胞ROS 的主要来源，由于心脏耗氧量大，因而在线粒体内产生高浓度的ROS。在众多抗氧化防御体系中，线粒体锰过氧化物歧化酶(Mn-SOD)对ROS 有重要的解毒作用。Mn-SOD 缺陷的小鼠心脏扩大，心内膜纤维化并在出生第10 天死亡;Mn-SOD+/－小鼠表现出射血分数下降并发展成为伴有纤维化和坏死的心肌肥厚［15］。SIRT1 和SIRT3都会使Mn-SOD 表达增加，而且必需在它们亚细胞器特殊定位的基础上发挥作用［16］。

需要注意的是，SIRT3 不仅可调节Mn-SOD 表达水平，还能通过对K53/K68 以及K122 的去乙酰化作用提高Mn-SOD 抗氧化活性。此外，SIRT3 还能通过提高其它脱毒酶类的活性使ROS 的清除功能增强，如激活三羧酸循环中的异柠檬酸脱氢酶2 以及谷氨酸脱氢酶，使线粒体内NAD+磷酸产生增多继而激活线粒体谷胱甘肽过氧化物酶［17］。与这些研究结果相一致的是，Shinmura 等［18］发现给予心肌细胞SIRT1 和SIRT3 激动剂白藜芦醇后，在不增加Mn-SOD 蛋白质表达水平的情况下即有ROS 的产生减少并能促进缺氧/再氧化后的细胞存活。

2.3 SIRT 对钙平衡的调节

早期的研究显示心力衰竭的心肌细胞内存在Ca2+失衡，这种异常是包括DCM 在内的各病因引起的心肌收缩舒张障碍的机制之一。近些年来肌浆网钙ATP 酶(sarco-endoplasmic reticulum ATPase 2a，SERCA2a)受到越来越多的关注，其功能障碍已经在扩张型心肌病、缺血性心肌病以及衰老的大鼠心脏及DCM 动物模型中已有证实［19］。关于SIRT 对心肌细胞胞质Ca2+调节作用的认知仍十分有限，然而一项研究显示在给予1 型糖尿病小鼠SIRT 激动剂白藜芦醇后其SERCA2a 蛋白质水平、心室功能障碍以及病死率都明显改善并接近正常［20］。

2.4 SIRT 对代谢的调节作用

DCM 时存在葡萄糖和脂肪酸利用异常，脂肪酸氧化增多，ATP 生成效率下降，脂毒性增加［21］。脂肪酸是心脏的主要能源底物，其氧化过程上调和/或下调均造成心肌损害因而必需被严格调控。线粒体是物质代谢的主要场所，赖氨酸的乙酰化是线粒体内代谢调节的重要机制。总体的乙酰化水平由NAD+依赖的蛋白质去乙酰化酶调节，而SIRT3 是主要的线粒体去乙酰化酶，因此SIRT3 在细胞应对营养物质缺乏应激状态下发挥重要的代偿作用至关重要。在禁食或CR导致营养物质剥夺的情况下SIRT3 表达增加，使一些SIRT3 的底物如参与脂肪酸β-氧化的长链乙酰辅酶A脱氢酶等维持低乙酰化状态而活性增强，使得细胞可在营养剥夺应激条件下维持稳态［22］。

同时，SIRT1 也发挥代谢调节作用。Price 等［9］的研究显示中等剂量的白藜芦醇首先激活SIRT1 对肝激酶B1 去乙酰化，继而激活AMP 激活的蛋白激酶(AMPK)使线粒体生物合成增加并促进其功能。

2.5 SIRT 与线粒体功能

越来越多的证据表明2 型糖尿病的发生发展与线粒体功能障碍密切相关，其功能障碍可能在心肌肥厚、缺血再灌注损伤、糖尿病性心肌损害及衰老相关的心功能下降中起重要作用［2］。研究表明，SIRT 参与到对线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)开放信号及mPTP 本身的调节中。细胞内ATP、ROS 和线粒体内Ca2+的水平是mPTP 开放阈值主要的决定因素，SIRT1 和/或SIRT3可影响这些因素而对mPTP 发挥间接调节作用;而且由于SIRT3 可抑制cyclophilin D 而对mPTP 发挥直接的调节作用［23］。另外，SIRT1 和SIRT3 可通过肝激酶B1 的介导而激活AMPK，发挥心脏保护作用［24］。

2.6 SIRT 与心肌细胞凋亡及间质纤维化

心肌细胞的凋亡也是重要的病理改变，心肌间质纤维化被认为是DCM 发展的重要环节。SIRT 防止细胞凋亡促进存活的主要机制是抑制Bax 的促凋亡作用以及对p53 去乙酰化。Bax 是促凋亡Bcl-2 家族中的一员，CR 可使SIRT1 表达增加，使Bax 与线粒体保持隔离，继而抑制应激引起的细胞凋亡。SIRT3 在线粒体外同样可抑制Bax 介导的细胞死亡，该作用可在SIRT1 敲除时独立存在［25］。SIRT1 可使p53 去乙酰化，进而使其促凋亡活性抑制［26］。在心力衰竭心脏中NAD+缺失使SIRT1 活性下降，p53 在K373/K382 乙酰化增加，所以SIRT1 对p53 的去乙酰化作用对于维持心肌存活有关键作用［27］。肾素血管紧张素系统的激活是糖尿病心肌间质纤维化重要的机制之一，白藜芦醇在体内及体外的实验中能通过SIRT1 的激活抑制血管紧张素Ⅱ受体-1，进而抑制肾素血管紧张素系统［28］。TO-2 型仓鼠口服白藜芦醇后心肌细胞内由SIRT1 介导Mn-SOD 的水平上调，心肌纤维化得到有效控制，心功能障碍改善［16］。

2.7 SIRT 与自噬在DCM 中的作用

自噬是细胞内保守的生物过程，正常情况下即少量存在，可起到支持细胞稳态的作用，在营养物质缺乏如缺血等应激情况下，自噬可被大量激活以促进物质能源的再利用防止细胞坏死和凋亡，起到保护作用。新近在1 型糖尿病鼠的实验中，自噬被认为起到保护作用［29］。自噬可被SIRT1、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)及AMPK调节，相较于mTOR 和AMPK，其受SIRT1 调节机制的研究较少。目前的研究显示，SIRT1 可通过对自噬相关蛋白Atg5、Atg7 和Atg8 去乙酰化使自噬激活，此外还可通过去乙酰化叉头转录因子O(forkhead box O，FoxO)亚型FoxO1 继而激活Rab7 诱导自噬［30］。SIRT1-FoxO1 轴激活所诱导的自噬很可能在心力衰竭中起重要的代偿调节作用，但有实验显示FoxO1 在遗传型及高脂喂养诱导的糖尿病鼠中大量激活使心肌细胞中脂毒性增加，胰岛素敏感性下降，促进了DCM的发生和发展［31］。因此，有假说用“goldilocks 现象”来解释自噬的双面作用:过多或过少都是有害的［32］。

3 总结及展望

随着糖尿病发病率和患病率的逐年升高，DCM 被给予越来越多的关注，特别是其导致的以心脏舒张功能障碍为主的心力衰竭，已成为糖尿病患者致死致残不容忽视的病因之一，降糖治疗、传统心力衰竭治疗遇到瓶颈，我们亟需找到新的治疗靶点防治DCM。

肥胖和代谢性疾病与衰老之间关系密切，衰老进程的推进有可能是DCM 发生发展的核心机制之一，而SIRT 家族调控寿命及调节代谢的作用日益明确，我们推测SIRT 可能是DCM 重要的上游调控靶点之一。SIRT 家族中以SIRT1、SIRT3 在心血管病中研究较广泛，它们通过抑制ROS，抑制细胞凋亡和间质纤维化，恢复Ca2+平衡，调节代谢以及自噬来实现其对心脏的保护作用。越来越多的证据显示它们可能在DCM 中发挥重要作用，可能成为DCM 新的治疗靶点。其他SIRT，包括线粒体内的SIRT4、SIRT5、核内的SIRT6 及胞浆内的SIRT2，尽管也有重要的细胞保护作用，但对于糖尿病心肌细胞研究有限，仍需要更深入的研究。

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