沉默交配型信息调节因子2同源蛋白1与骨和软骨代谢的关系

胥欣　王艳民　白丁

口腔疾病研究国家重点实验室　华西口腔医院正畸科（四川大学）成都 610041

沉默交配型信息调节因子2同源蛋白1与骨和软骨代谢的关系

胥欣王艳民白丁

口腔疾病研究国家重点实验室华西口腔医院正畸科（四川大学）成都 610041

沉默交配型信息调节因子2同源蛋白（SIRT）1 是一种依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的第3类去乙酰化酶，在骨与软骨的代谢中发挥着重要的作用。SIRT1通过促进成骨细胞生成、骨量增长、抑制破骨细胞生成，调节骨的发育和重建。此外，SIRT1还可促进骨髓间质干细胞的成骨向分化。在软骨代谢过程中，SIRT1对于软骨的改建必不可少。SIRT1在骨与软骨过程中的作用与无翅型小鼠乳房肿瘤病毒整合位点家族信号转导通路、核因子-κB信号转导通路、叉头转录因子O和甲状旁腺素密切相关。本文就沉默信息调节因子SIRT1在骨与软骨代谢中的作用、SIRT1调节骨代谢的信号转导通路等研究进展作一综述。

沉默交配型信息调节因子2同源蛋白1；骨代谢；细胞分化；信号转导通路

This study was supported by the Project in the Science and Technology Pillar Program of Sichuan Province（2015FZ0074）.

［Abstract］Silent mating type information regulation 2 homolog（SIRT）1 is a nicotinamide adenine dinucleotide-positivedependent class 3 histone deacetylase that regulates bone and cartilage metabolism. SIRT1 influences bone development and reconstruction by potentiating osteoblast formation and bone growth and by inhibiting osteoclastogenesis. SIRT1 also activates mesenchymal stem cells to differentiate into osteoblasts. In cartilage homeostasis，SIRT1 is necessary to maintain normal cartilage remodeling. These functions of SIRT1 are related to wingless-type mouse mammary tumor virus integration site family signal transduction pathway，nuclear factor-κB signaling pathway，forkhead box O transcription factors，and parathyroid hormone. This review summarizes the function and mechanism of SIRT1 in the regulation of bone and cartilage metabolism. This review also describes the potential clinical applications of SIRT1.

［Key words］silent mating type information regulation 2 homolog 1；bone metabolism；cell differentiation；signal transduction pathway

沉默交配型信息调节因子2同源蛋白（silent mating type information regulation 2 homolog，SIRT）1 作为一种依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的第3类去乙酰化酶，参与了众多的生物学过程，包括DNA修复、能量代谢、肿瘤抑制和线粒体内稳态等，成为近年来的研究热点［1］。近5年内，越来越多的研究聚焦于SIRT1在骨发育和骨改建中的作用。本文就SIRT1在骨与软骨代谢中的作用及其参与作用的信号转导通路，临床应用前景等研究进展作一综述。

1　沉默信息调节因子

沉默信息调节因子（silent information regula-tor，SIR）2是一类最先从酵母中分离出来的依赖于NAD+的第3类组蛋白去乙酰化酶。在哺乳动物体内，有7个SIR2的同源物，构成了Sirtuin家族，分别为SIRT1～7，其功能涉及细胞寿命、代谢调节、炎症反应以及肿瘤的发生发展等过程。其中，SIRT1、2、3、5具有去乙酰化酶活性。SIRT4和6具有腺苷二磷酸-核糖基转移酶活性，SIRT7则通过与RNA聚合酶1的相互作用参与激活rRNA的转录活性［2］。

2　SIRT1在骨与软骨代谢中的作用

骨质疏松症是骨骼系统的一种多基因参与的复杂性疾病，是一种以骨量减少，骨的微观结构退化，骨的脆性增加为特征，易发生骨折的全身性骨骼疾病。有学者［3］观察到，在骨质疏松患者外周血单核细胞的细胞核和细胞质中，SIRT1基因的表达均增加；且SIRT1基因的表达变化与一些炎性因子有一定的相关性。

特异性地敲除小鼠前成骨细胞中的Sirt1基因，雌性小鼠骨密质的厚度下降，而骨松质的厚度则没有明显的变化。SIRT1蛋白促进了前成骨细胞的增殖、分化和存活，从而促进成骨活动，这些现象与无翅型小鼠乳房肿瘤病毒整合位点家族（wingless-type mice mammary tumour virus integration site family，WNT）/β-肌动蛋白信号转导通路相关［4］。研究［5-7］还证实：特性地敲除前成骨细胞中的SIRT1基因，不会对骨松质的体积有明显的影响；特性地敲除成熟的成骨细胞中的SIRT1基因，则会明显地减小骨松质的体积；相反的，激活或者过表达SIRT1基因，会明显地减少因增龄而产生的骨质丧失。

SIRT1在破骨过程中也有明显的作用。在骨髓来源的巨噬细胞中，SRT2183和SRT3025等SIRT1激动剂抑制了核因子（nuclear factor，NF）-κB受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）介导的破骨细胞分化，分散及再吸收的能力，从而抑制了破骨细胞生成，抑制破骨作用［8］。

SIRT1与软骨的代谢密切相关。在敲除了Sirt 1基因的小鼠中，可以观察关节软骨量减少，软骨细胞程序性死亡增加，伴随2型胶原纤维、聚集蛋白聚糖和黏聚糖水平的下降［9］。在小鼠模型的关节腔内注射白藜芦醇（SIRT1激动剂），可抑制其骨关节炎的发展。研究显示，抑制SIRT1基因的表达阻止了白藜芦醇介导的低氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）-2及P65（NF-κB亚单位）的下调。其机制是白藜芦醇激动了SIRT1，抑制了代谢因子HIF-2及P65在软骨中的表达，从而阻止了骨关节炎中软骨的破坏［10］。

间质干细胞是具有多向分化能力的细胞，可以分化为成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞及肌细胞，其分化能力随宿主年龄的增长而减弱［11］。特异性地敲除小鼠间质细胞中的Sirt1基因，小鼠的多种组织出现发育异常，包括皮下脂肪、骨密质厚度及骨小梁体积减少。体外试验［5］也证实，敲除SIRT1基因，可抑制间质干细胞的成骨向和成软骨向分化。也有学者［12］发现，使用SIRT1激动剂白藜芦醇处理间质干细胞会促进细胞的成骨向分化并且抑制其成脂向分化。这些皆证明在一定程度上，SIRT1与核心结合因子-α1（core binding factor α1，CBFA1）结合并使CBFA1脱乙酰化。

3　SIRT1调节骨代谢的信号转导通路

3.1SIRT1与叉头转录因子O

叉头转录因子（forkead box，FOX）O族是机体对活性氧族（reactive oxygen species，ROS）进行氧化防御的核心，哺乳动物中的FOXO家族包含FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6四个亚型。FOXO1、3、4 分布广泛，在骨组织内表达，而FOXO6 主要在脑组织内表达［13］。

FOXO在细胞质内以乙酰化形式存在，在外界刺激的作用下转入核内后，FOXO介导的基因表达有两个方向：1）乙酰化的FOXO主要介导促细胞程序性死亡和自噬基因的表达，为细胞对外界环境的一种主动适应表现；2）通过SIRT1的去乙酰化作用，SIRT1与FOXO结合并介导抗氧化相关基因的表达，包括促进超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等抗氧化酶的表达，清除过多的ROS；同时参与细胞周期调控和DNA修复等过程。不同强度的外界刺激，可以差异性地调控FOXO介导基因的转录［14］。

研究表明，SIRT1可以通过FOXO抑制破骨细胞的分化。在敲除了FOXO1、FOXO3和FOXO4基因的细胞中，SIRT1对破骨细胞生成的抑制作用被消除了。敲除了SIRT1后，FOXO基因的乙酰化作用加强，破骨细胞分化相关细胞因子表达增加；而抑制了FOXO基因的乙酰化后，FOXO介导的转录过程增强，抑制破骨细胞生成。

Kim等［15］认为，SIRT1基因通过去乙酰化FOXO基因增强FOXO基因介导的基因转录，从而抑制破骨细胞的生成。在成骨过程中，SIRT1通过去乙酰化FOXO基因，调节WNT信号转导通路的信号传导，从而调节成骨转录。

3.2SIRT1与WNT信号转导通路

WNT信号转导通路在胚胎发育、骨重塑和肿瘤发生等生理病理过程中起重要的调控作用，主要有经典WNT/β-肌动蛋白信号转导通路、WNT/ Ca2+信号转导通路、WNT/平行极性信号转导通路三种信号转导方式。经典WNT/β-肌动蛋白信号转导通路是调节骨代谢的重要信号转导通路［16］。在前成骨细胞中，乙酰化的FOXO转录因子通过与β-肌动蛋白的相互结合，减少了β-肌动蛋白在细胞核内的积累，抑制β-肌动蛋白/转录因子介导的成骨转录［17］。在经典WNT/β-肌动蛋白信号转导通路SIRT1可通过与FOXO结合（去乙酰化）下调FOXO3；抑制上述过程，可保护WNT/β-肌动蛋白信号转导通路，促进其介导的成骨转录。

硬化蛋白（sclerostin，SOST）主要由骨细胞特异性表达，既是骨形成的负性调节因子，亦是WNT信号转导通路的胞外抑制剂。Sirrt1+/-基因缺陷小鼠成骨量减少，Sost基因表达增加14倍；过表达Sirt1基因，可下调SOST，促进成骨。免疫共沉淀试验揭示，SOST是SIRT1蛋白的靶基因，SIRT1蛋白能通过SOST基因启动子H3K9的去乙酰化作用负调控SOST基因的表达［18］。有研究［19］表明，SIRT1激动剂SRT3025可以通过下调SOST，恢复小鼠卵巢切除术引起的骨质丧失及生物力学性能减退。

3.3SIRT1与NF-κB信号转导通路

在成骨与破骨细胞中，SIRT1可抑制NF-κB信号转导通路转导信号，而这个过程对于骨重建是必不可少的，而且可能与宿主年龄相关的骨丧失有一定联系。特异性地敲除小鼠成骨细胞和破骨细胞中的Sirt1基因，会导致小鼠骨质丧失。在体外，特异性地敲除小鼠破骨细胞中的Sirt1基因，会增加破骨细胞生成并激动NF-κB信号转导通路转导信号，而药物性地抑制NF-κB则会阻断这一过程。在成骨细胞中敲除SIRT1基因，会减少成骨细胞的分化；同样的，抑制NF-κB信号转导通路转导信号会阻断这个反应［6］。

3.4SIRT1与甲状旁腺素

间歇性地给予骨质疏松症患者甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH），可取得十分明显的疗效。SIRT1蛋白是基质金属蛋白酶（matrix metallopro-teinase，MMP）13的负性调节剂。在成骨细胞中，SIRT1激动剂抑制PTH介导的MMP-13的表达。这个调节作用是通过SIRT1与MMP13启动子中AP-1位点的c-Jun结合（通过去乙酰化c-jun）产生的［20］。SIRT1可以通过PTH调节骨与软骨代谢。

4　小结

SIRT1可促进成骨，抑制破骨，促进间质干细胞的成骨向分化，调节骨代谢。在骨组织中，SIRT1及其配体NAD+的活性随着宿主年龄的增加而下降［21-22］，这与随着宿主年龄的增长而导致的成骨细胞数量下降及骨丧失密切相关［23］。激活或过表达SIRT1基因会明显地减少因宿主年龄增长而产生的骨质丧失［7］；因此，用药理学的方法激动SIRT1基因可能成为预防和治疗骨质疏松的一种全新的途径。

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（本文采编王晴）

Silent mating type information regulation 2 homolog 1 in bone and cartilage homeostasis

Xu Xin，Wang Yanmin，Bai Ding. （State Key Laboratory of Oral Diseases，Dept. of Orthodontics，West China Hospital of Stomatology，Sichuan University，Chengdu 610041，China）

Q 55

A

10.7518/gjkq.2016.05.017

2015-12-03；［修回日期］2016-03-21

四川省科技支撑计划（2015FZ0074）

胥欣，硕士，Email：xuxinmy68@163.com

白丁，教授，博士，Email：baiding@scu.edu.cn