SIRT1与糖尿病关系研究进展*

孟祥雯，张飞雪，郭 霜

(湖北科技学院糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北 咸宁 437100)



SIRT1与糖尿病关系研究进展*

孟祥雯，张飞雪，郭 霜**

(湖北科技学院糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北 咸宁 437100)

SIRT1；糖尿病

组蛋白(histone)是一组存在于真核生物染色质中，在进化上非常保守的碱性蛋白质。其乙酰化和去乙酰化的动态平衡状态与正常的细胞周期﹑细胞代谢和细胞凋亡密切相关。组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)是催化组蛋白去乙酰化的关键酶。目前，在哺乳动物中至少发现了18种HDACs，分为4类。其中I类与Ⅱ、Ⅳ类HDACs具有序列同源性，都是具有锌指结构的蛋白酶，其生物活性可被共同的抑制剂(如曲古抑菌素A、n-丁酸等)所抑制；而第Ⅲ类HDACs则明显不同，是NAD+依赖的组蛋白/非组蛋白去乙酰化酶，位于细胞核内的高保守酶类，并且酶活性很高，可被尼克酰胺(nicotinamide,NA)等抑制，但对前三类酶的抑制剂不敏感，这类酶被统一命名为Sirtuin(沉默信息调节因子，silent information regulator)家族，简称SIRT。其中SIRT2在染色质稳态，DNA修复，转录沉默，与延长细胞周期等多个生理过程中发挥着重要作用，是一种广泛存在于各物种的基因。Frye等[1]在1999年发现了5个酵母SIRT2的同源基因，简写成SIRT1-5。随着研究的深入，学者发现并确定了另外2个同源基因SIRT6和SIRT7。其中，SIRT1和SIRT2同源性最高，目前也研究的更深入。

人类SIRT1基因位于第10号染色体，长约33kb，是一类由250个氨基酸构成的球状高度保守蛋白结构，为去乙酰化酶结构域，该区域保守性氨基酸的突变将导致酶活性消失。SIRT1可以在细胞核和细胞质之间相互转移。哺乳动物的SIRT1除了能使组氨酸脱乙酰化，同时还能使许多非组氨酸脱乙酰化。这些非组氨酸分为三类：一类是转录因子(P53，FOXO，E2F1，BCL6，P73和Rb等)；另一类是DNA修复蛋白；还有一类是信号因子。Cheng等[2]发现，在胚胎形成期间SIRT1的表达明显增加，且SIRT1缺陷的小鼠出生后体型瘦小，同时伴随多种发育缺陷，如视网膜、肺、心脏、胰腺的缺陷，脑畸形，而且大多数在产后早期死去，因此提出SIRT1在哺乳动物的生长发育中起重要作用，并且SIRT1的活性与生命活动息息相关。

SIRT1与体内多种生理功能的调节密切相关，包括基因的转录、能量代谢、肿瘤发生以及细胞衰老等，在糖代谢、脂代谢和胰岛素分泌调节中发挥着更加重要的作用[3]，SIRT1几乎可以调节所有重要的代谢组织中的血脂水平。除此之外，SIRT1还可以调节一些控制代谢及内分泌信号的转录因子，通过使一些非转录因子底物，p53﹑叉头蛋白O亚家族(fork-head O subfamily，FoxO)、过氧化物酶体增生物激活受体γ(peroxisome prolifer-active activated receptor gamma，PPAR -γ)、过氧化物酶体增生物激活受体γ 共激活物1-α (peroxisome proliferative activated receptor，gamma，coactivator1-α，PGC1-α)、核因子-κB(NF -κB)﹑解耦联蛋白-2(uncoupling protein 2,UCP-2)、Ku70等去乙酰化而发挥功能，而这些底物正是调节代谢信号与内分泌的重要因子。

我国每年因心血管疾病死亡的人数居总死亡人数的第一位，而糖尿病(Diabetes mellitus,DM)是心血管疾病的主要风险因子，它是一种糖脂代谢和能量代谢紊乱﹑内分泌失调的综合性疾病，所以我们推测SIRT1极有可能和糖尿病的发生与发展密切相关。现就两者之间关系作如下综述。

1 SIRT1与糖尿病

1.1 促进肝脏的糖异生 肝脏不但是机体能量平衡的器官，还是糖脂代谢的主要器官。肝脏在机体空腹或者饥饿状态下可以通过增强糖异生和糖原分解来维持恒定的血糖水平。糖异生(gluconeogenesis)是指从非糖物质(如乳糖、丙酮酸、甘油和氨基酸)合成葡萄糖或者糖原的过程，是一种机体在空腹或者禁食状态下稳定血糖平稳状态的应激反应。肝脏出现糖代谢异常时，会诱发糖尿病等一系列代谢综合征。因此，促进肝脏糖异生，将成为治疗糖尿病的重要靶点之一。

在糖异生过程中，存在四个限速酶，葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase,G-6-Pase)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase,PEPCK)、二磷酸果糖酶和丙酮酸羧化酶，其糖异生的速度取决于G-6-Pase和PEPCK这两个酶基因转录的多少。在PEPCK调控糖异生过程中，PGC1-α和FOXO起着关键性的作用。SIRT1基因敲除鼠的肝脏内PEPCK的RNA水平下调，可能是通过SIRT1使FOXO去乙酰化实现的。另外，SIRT1也可能通过去乙酰化的PGC1-α调控PEPCK。在随后的研究中发现，SIRT1可与PGC1-α及肝细胞核因子(hepatocyte unclear factor 4α，HNF4α)形成一种蛋白复合体，在NAD+的参与下，PGC1-α去乙酰化，激活HNF4α，从而达到调控糖异生相关基因转录，调节糖酵解和糖异生途径的目的。肝脏内SIRT1基因敲除后会引起温和的低血糖，机体葡萄糖和胰岛素敏感性提高，葡萄糖输出减少。SIRT1敲除后血清胆固醇降低，肝脏游离脂肪酸和胆固醇含量减少，而SIRT1的过表达会逆转这种现象，这一现象取决于PGC1-α是否参与。以上提示SIRT1可能成为治疗高血糖和高胆固醇血症的重要靶点。

1.2 调节脂质代谢 糖尿病的形成中肥胖是重要的危险因子之一，脂质代谢紊乱将会导致胰岛素抵抗(IR)，因此调节脂质代谢对糖尿病的治疗将起到关键作用。PPAR -γ是调节白色脂肪组织的关键转录因子，作为甾醇激素受体可刺激脂肪细胞的分化和脂肪的储存，同时也是SIRT1的底物，与SIRT1有着密切的联系。SIRT1还能够抑制脂肪酸在细胞中的合成，增加脂肪的降解和脂肪酸动员，从而达到阻碍脂肪细胞分化与脂肪形成的目的，该效应与SIRT1抑制PPAR-γ活性有关。SIRT1还可以通过抑制PPAR-γ的活性下调脂肪细胞的分化与成熟。SIRT1是通过与核受体辅助抑制蛋白(nuclear receptor corepressor，NCoR) 和视黄酸受体共同作用来实现对PPAR-γ抑制作用的。在脂肪细胞中，FOXO1能够上调脂联素(adiponectin,Ad)的表达，其机制可能是FOXO1与CCAAT/增强子结合蛋白α(C/EBPα)的相互作用形成一个转录复合体，增加了Ad的表达。Ad是由脂肪细胞分泌的一种激素，可以调节能量平衡和糖脂代谢。研究发现[4]，Ad在体内和体外均可以激活磷酸腺苷(AMP)激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)，从而直接调节糖代谢和胰岛素敏感性，同时Ad还可以促进脂肪酸的氧化。

1.3 调节炎症反应 胰岛素抵抗也被认为是一种慢性、低水平的炎症反应[5]。炎症反应是胰岛β细胞功能减退的原因之一，炎症反应作用于IRS-2，引起其丝/苏氨酸磷酸化，加快IRS-2的降解，从而促进了胰岛β细胞的凋亡[6]。炎症发生时，机体会分泌大量的炎症因子来实现自我保护。同时也有研究证明[5]IR产生的病理生理学机制与TNF-α和IL-6两个主要炎症因子有关。TNF-α在体外细胞培养和动物体内均能抑制胰岛素降血糖的作用。TNF-α可以激活IRS-1丝氨酸磷酸化，降低胰胰岛素受体酪氨酸激酶的活性，从而导致胰岛素抵抗。遗传性肥胖fa/fa大鼠静脉注射可溶性肿瘤坏死因子受体(soluble tumor necrosis factor receptor，sTNFR)的抗体sTNFR-lgG，可以明显增强在脂肪和肌肉组织内胰岛素的敏感性和酪氨酸激酶活性。研究发现NF-κB是炎症反应的一个关键因子[7]。SIRT1与NF-κB亚基RelA/p65密切相关，通过第310位赖氨酸残基去乙酰化抑制其转录活性。SIRT1可以保护胰岛β细胞免受细胞因子的毒性作用，其机制可能与SIRT1介导NF-κB的去乙酰化，抑制诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)表达有关。SIRT1的激动剂Res还可以抑制NF-κB和转录因子激活蛋白-1(activator protein-1,AP-1)，从而抑制炎症反应的发生。SIRT1的缺失能使脂肪组织内巨噬细胞增多，从而导致炎症的发生。以上提示，SIRT1与炎症反应也密切相关，上调SIRT1可能会减少炎症反应的发生。

2 SIRT1与胰岛β细胞

SIRT1在胎儿和成人组织中广泛表达，在胰岛细胞中特异性均匀表达，胰岛之外的外分泌腺细胞却未见表达。因此，SIRT1可能在胰岛β细胞中特异性地高度表达，两者之间有着极其密切的联系。

2.1 调节胰岛β细胞的衰老与凋亡 研究表明，胰岛β细胞的功能缺陷是导致胰岛素分泌不足的主要因素，很多糖尿病相关基因都与β细胞功能受损有很大关系[8]。在氧化应激条件下，SIRT1可能延长胰岛β细胞的寿命。SIRT1可能通过恢复胰岛β细胞功能，从而使胰岛素的分泌增加。P53是最早发现的SIRT1的生理性底物，该蛋白参与调节机体细胞老化及凋亡。SIRT1通过将P53蛋白第382位赖氨酸残基去乙酰化，降低其与DNA顺式元件的结合能力，并由此减少由其诱导的细胞凋亡。胰岛十二指肠同源盒-1(the pancreatic duodenal homeobox-1，Pdx1)已经被证实可以抑制胰岛β细胞的凋亡[9]，在胰岛β细胞内SIRT1的底物FOXO1的失活可以导致Pdx1表达增多，从而促进β细胞的增值[10]。研究表明， SIRT1过表达的突变细胞对环境的应激适应能力增强[11]。然而，之前的研究[12]却得出了相反结果，SIRT1可能参与了胰岛β细胞的凋亡，从而导致β细胞功能下降，使糖依赖性的胰岛素分泌减少，这可能是诱导糖尿病的一种潜在的危险因子。癌基因Ras也可以通过SIRT1表达不足而上调P53，从而引起胰岛β细胞凋亡。以上结果表明，SIRT1可在不同的环境下作用与不同细胞发挥不同作用，因此，SIRT1对胰岛β细胞的衰老和凋亡的调节作用还需进一步研究和证实。

2.2 调节胰岛素的分泌 胰岛素是体内唯一可以降低血糖的蛋白质激素。胰岛β细胞通过分泌胰岛素调节体内葡萄糖稳态。葡萄糖在细胞内经糖酵解生成的丙酮酸在线粒体内通过参与三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)最终转化为CO2。在应激下的胰岛β细胞中，叉头蛋白FOXO1转移至细胞核中，并激活β细胞的转录因子，如神经源性分化蛋白(neurogenic differentiation，NeuroD)和巨噬细胞激活因子家族(macrophage activating factor，Maf)的MafA，从而产生抵抗。SIRT1在胰岛β细胞内可以调节葡萄糖刺激引起胰岛素的分泌。利用转基因技术获取的BESTO(beta cell-specific SIRT1-overexpressing)小鼠(SIRT1在胰岛β细胞特异性高表达的转基因小鼠)的葡萄糖刺激的胰岛素分泌(glucose-stimulated insulin secretion，GSIS)功能较对照鼠显著增强，而SIRT1基因敲除鼠及其原代胰腺细胞的胰岛素分泌均受到抑制。这些提示SIRT1可能与胰岛素的分泌相关。SIRT1还可以通过抑制UCP-2实现对胰岛β细胞分泌胰岛素功能的调节作用。UCP-2是位于线粒体内膜上的一种解耦联蛋白，有解离呼吸链氧化磷酸化偶联的作用，胰岛β细胞将葡萄糖转化为ATP的能力被减弱后，可将ATP的能量转化为热量[13]。SIRT1能够抑制UCP-2基因的表达，使ATP生成增多， ATP/ADP比值增大， K+通道关闭，导致Ca2+内流，最终含有胰岛素的质膜和分泌小泡融合后通过胞吐作用释放胰岛素。在葡萄糖刺激下，BESTO小鼠胰岛组织ATP水平增高。同时SIRT1敲除鼠胰岛组织内ATP却几乎没有增加。氯化钾可以使过表达SIRT1的胰岛β细胞去极化，从而进一步增强胰岛β细胞分泌胰岛素的功能，进一步提示SIRT1对胰岛β细胞分泌胰岛素的调控可能存在UCP-2非依赖性途径。SIRT1的激动剂和抑制剂在mRNA水平上影响了FOXO1的表达，影响胰岛素/胰岛素样生长因子(insulin/insulin-like growth factor-1,INS/IGF-1)信号转导通路的主要因子磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)、AKT的表达，从而影响胰岛β细胞分泌胰岛素。以上提示，SIRT1与胰岛素的分泌密切相关。

2.3 调节对胰岛素的敏感性

2.3.1 SIRT1参与胰岛素信号转导通路的调节 IRS分子在胰岛素信号转导通路中起着非常关键的作用，其酪氨酸磷酸化是信号转导的重要环节[14]，有利于将胰岛素信号传导至下游的反应原件。SIRT1可以刺激胰岛β细胞的葡萄糖依赖性胰岛素的分泌，在胰岛素敏感的靶器官直接刺激胰岛素信号通路。Yoshizaki等[15]在研究RNA干扰屏蔽SIRT1基因表达的3T3-L1脂肪细胞时发现，SIRT1表达减少可以抑制胰岛素刺激下葡萄糖的摄取和葡萄糖转运因子4(glucose transporter 4,GLUT4)的转位，这些伴随着JNK的磷酸化和IRS-1丝氨酸磷酸化水平的增高。相反，SIRT1小分子激动剂作用该细胞后，出现葡萄糖摄取增加和胰岛素信号转导途径IRS-1丝氨酸磷酸化水平降低。SIRT1还可能通过抑制蛋白酪氨酸磷酸酶(protein tyrosine phosphatase，PTP)1B的表达来调控胰岛β细胞分泌胰岛素的功能。PTP1B可以负性调节胰岛素信号传导通路。SIRT1使胰岛素受体底物-2(insulin receptor substrate-2，IRS-2)去乙酰化，增强胰岛素诱导IRS-2酪氨酸磷酸化，从而激活下游胰岛素信号转导通路，最终增强组织对胰岛素的敏感性。SIRT1还可以通过其底物FOXO1调控INS/IGF-1信号转导通路，从而影响胰岛素瘤细胞(NIT-1细胞)分泌胰岛素。

2.3.2 改善胰岛素的敏感性 胰岛素抵抗(Insulin Resistance，IR)是指胰岛素的外周组织及肝脏，骨骼肌和脂肪等胰岛素作用的靶器官或者组织对胰岛素作用的敏感性降低。IR不仅是II型糖尿病的发病因素，更是多种代谢综合征的共同生理病理基础。SIRT1调节脂联素，炎症应答，糖异生和活性氧簇的水平，它们可以一起促进胰岛素抵抗。在肥胖大鼠模型上已经证实，SIRT1过表达和其激动剂可以改善胰岛素敏感性。

SIRT1蛋白水平在发生IR的细胞或组织中被下调，并且下调或抑制SIRT1可以导致IR。而上调SIRT1的蛋白表达水平，在已经发生IR的情况下，可以改善胰岛素的敏感性。进一步研究发现，SIRT1在IR情况下发挥作用是通过抑制PTP1B在染色质水平上的转录实现的。

体外给予SIRT1的激动剂-白藜芦醇(Resveratrol,Res)可以增强胰岛素的敏感性。体外2.5mg/(kg·d) Res喂养能够缓解高脂饮食诱导的IR。Milne等[16]在研究饮食诱导肥胖性老鼠和遗传性肥胖老鼠时发现，SIRT1激动剂可以使胰岛素敏感性增强，降低血糖和提高线粒体的自我保护能力。研究表明，线粒体损伤也与IR密切相关。Szendroedi等[17]报道肌细胞和脂肪细胞的线粒体损伤严重的病人比较容易发生IR和2型糖尿病。最近研究表明，高糖(25mmol/L)和高游离脂肪酸(1mmol/L)，或者两者共同作用于已分化3T3L-1脂肪细胞的线粒体48h后，三组细胞均明显减少了胰岛素刺激下的葡萄糖的吸收，同时还发现线粒体变得小而紧密。提示高糖和高游离脂肪酸可以降低脂肪细胞对胰岛素的敏感性，并且线粒体可能就在此过程中损伤[18]。由此可见，线粒体损伤可能与IR关系密切。提高线粒体自我保护能力也可能成为治疗糖尿病的一个新的靶点。

3 SIRT1与热量限制

热量限制(calorie restriction，CR)是指机体保证自身基本营养需求前提下，减少30%～50%的能量摄入。研究发现[19]，热量限制组的老鼠与任意摄食组相比，前者要明显寿命更长。从酵母到哺乳动物，CR均能延长其寿命。CR可以降低多种与衰老基因相关疾病如动脉粥样硬化、癌症和心血管疾病的发病率。前期研究[20]表明，CR后小鼠胰岛素敏感性显著增加，餐后血糖和胰岛素水平分别降低了20%和80%。CR大鼠血清可以显著增加HEK293T细胞的SIRT1的表达量。CR小鼠血糖显著下降，但是CR导致的这种改变在SIRT1敲除鼠中并不明显。提示CR通过SIRT1与糖代谢密切相关，但其具体机制目前尚不清楚，但这CR与临床上要求糖尿病患者少食多餐也是一致的。

4 研究展望

综上所述，SIRT1可能参与了糖尿病的发生与发展。SIRT1能够平衡机体糖脂代谢；抑制胰岛β细胞的衰老与凋亡，延长胰岛β细胞的寿命；参与胰岛素信号转导相关通路，从而调节胰岛素的分泌和改善胰岛素抵抗。因此SIRT1的小分子激动剂如白藜芦醇等，将成为糖尿病新药研究的一个新的方向，但SIRT1对机体内分泌和糖脂代谢的调节作用十分复杂而且矛盾，随着把SIRT1作为治疗糖尿病的靶点研究的深入，最终将会为糖尿病的临床治疗提供理论基础。

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湖北科技学院糖尿病专项基金(zx1313)

R587

A

2095-4646(2016)05-0451-04

10.16751/j.cnki.2095-4646.2016.05.0451

2016-06-08)

**通讯作者，E-mail:360764103@qq.com