哺乳动物Sirt1调控衰老的研究进展

陶小红，刘 敏，邱 皓

（1.甘肃省第二人民医院，甘肃 兰州 730000；2.厦门医学院解剖教研室，福建 厦门 361008）

哺乳动物Sirt1调控衰老的研究进展

陶小红1，刘 敏2，邱 皓1

（1.甘肃省第二人民医院，甘肃 兰州 730000；2.厦门医学院解剖教研室，福建 厦门 361008）

近年发现sirtuins家族在各物种中广泛参与生物体寿命的调节，哺乳动物中的Sirt1在延缓衰老、延长寿命中发挥越来越重要的生物学作用，本文将介绍Sirt1在调控机体衰老中的作用及其相关的机制，同时探讨Sirt1作为药物新的作用靶点在治疗年龄相关性疾病中的意义。

Sirt1；p53；FoxO PGC-1α；PPAR-γ；线粒体

衰老是生命过程中的普遍现象，目前被广泛接受的衰老的概念是机体功能逐渐减退、能量产生逐渐减少同时伴随生育力的降低和死亡率的增加。目前认为衰老的病理生理学机制主要是随着年龄增长机体损伤的累积所致，如细胞内蛋白质、脂类和DNA大分子等不断受到外源性或内源性的损伤性刺激。外源性的损伤包括紫外线及环境中有毒物质的损害；内源性的损伤主要是活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）诱发的氧化应激所致的损伤［1］。除此之外，诸如细胞凋亡率增加、染色体末端端粒逐渐缩短、线粒体DNA突变率增加、DNA甲基化水平降低、免疫系统功能失调、体内干细胞数量的减少和功能的减退以及女性更年期后雌激素分泌水平的降低等都参与了衰老的进程。人类为了达到延长寿命的目的进行了孜孜不倦的求索，近年发现的sirtuins家族被认为可以延缓生物体的衰老，促进长寿，人们对其内在的作用机制也进行了大量的科学研究，其中sirtuins家族在哺乳动物中的成员之一——Sirt1是最重要也是与衰老关系最密切的，现对Sirt1在衰老调控中的研究进展进行综述。

1 Sirtuins家族概述

人们一直对长生不老怀有很大的憧憬，阐明寿命调节的机制，进而实现延缓衰老、延长寿命的目标，一直以来都是人们的追求和自然科学研究的热点。在过去的十几年中，关于衰老的研究取得了显著的进展，大量基因如p53、p16、p21被涉及到衰老的进程中，关于衰老的理论也是层出不穷，而热量限制是唯一被证实确实有效的延缓衰老的方法［2］。人们在研究中发现，能量限制在从真菌、线虫到大鼠等均可以延长寿命，并且其作用的发挥与组蛋白去乙酰化酶sirtuins家族密切相关［3］。sirtuins家族是NAD+依赖的第III类组蛋白去乙酰化酶，细胞内NAD+含量增加、NAD+/NADH比值增高均可促进其活性，而烟酰胺（NAM）则抑制其活性。NAD+水平的高低直接决定了sirtuins家族的活性，而Nampt是NAD+补救合成途径中的限速酶，Imai［4］等阐述了以NAD+为中心的哺乳动物的衰老理论，该理论很好地将Nampt、NAD+、Sirt1结合到一起，并阐述了它们之间的关系和调节作用是如何作用于细胞和全身性衰老的，该理论包含两个重要的部分：Nampt调节NAD+的生物合成；NAD+调节Sirt1的活性及其下游靶基因的转录。总之，该理论的核心就是机体NAD+水平决定衰老的进程，由于某些因素造成的机体NAD+水平的下降将加速衰老的进程。Sirtuins家族保守性很强，在各生物物种中广泛存在。在酵母，Sir2（silence information regulator2）基因缺失导致酵母寿命缩短，而其高表达则可显著延长寿命，该作用是Sir2通过交配型基因沉默、抑制rDNA串联重复序列形成、介导DNA修复、提高基因组稳定性等实现的［5］；在线虫，Sirt2.1通过感受机体营养摄取状态，通过Insulin（IGF-1）/PI-3K/Akt（PKB）/FOXO信号通路实现对寿命的调控；Sirtuins家族在哺乳动物中有七种，即Sirt1-7，这7种物质具有不同的亚细胞定位，作用于不同的底物，发挥不同的功能，其中Sirt1（silent mating type information regulation2homolog1）与酵母Sir2的同源性最高，其共同特征是它们都具有一个保守的由250个氨基酸残基组成的去乙酰化酶结构域，Sirt1在细胞的增殖、分化、衰老、凋亡和代谢中发挥重要的作用。Sirtl定位于第10号染色体的q21.3，基因长度为33kb，编码747个氨基酸，在Sirt1基因敲除模型中发现视网膜、精子发生、神经系统和心脏等的发育异常，说明Sirtl在这些组织器官的发育中可能发挥重要的作用［6］。研究表明，哺乳动物心脏高表达Sirt1可以减弱年龄依赖性的心肌肥大、凋亡、功能失调和延缓心肌的衰老［7］。与Sir2不同，Sirt1的底物除了组蛋白以外，还有多种重要的转录因子包括p53［8］、Ku70、叉头转录因子 FoxO［9］、NF-kB［10］、乙酰化酶 p300等，Sirt1通过调控以上底物的活性，广泛参与生物体寿命的调节。

2 Sirt1在衰老中的调控机制

2.1 促进细胞在不利条件下的存活

有研究证实在不良因素对细胞造成损伤的情况下，Sirtl的激活可以减少细胞的凋亡，增加细胞的存活和损伤的修复，从而提高细胞在压力下的抗性。有观点认为，在不良因素的刺激下，Sirt1会离开原位，游离到损伤处，进行修复，如果损伤持续存在，Sirt1会经常性的离开原位，使其原本沉默的基因表达开始上调，这些基因的上调可能与细胞衰老有关。Sirtl通过将p53C端的第382位赖氨酸残基去乙酰化，抑制p53与DNA顺式元件的结合，降低其下游靶基因的转录，从而减少在氧化应激和DNA损伤情况下p53诱导的细胞凋亡、衰老［11］；Sirt1还可以去乙酰化DNA修复因子Ku70，去乙酰化的Ku70一方面可以增强细胞对损伤DNA的修复能力；另一方面增强与凋亡诱导蛋白Bax的结合，使其无法启动线粒体凋亡途径［12］，Sirt1的细胞保护作用可能还与热休克蛋白有关。氧化应激被证实是衰老的重要原因，将小鼠体内超氧化物歧化酶SOD2敲除后，小鼠出现神经退行性变和心脏功能的严重障碍。在DNA损伤修复功能丧失的大鼠模型普遍表现早老现象、恶性肿瘤及寿命明显缩短。Forkhead叉头转录因子是一个转录因子家族，该家族共同的特征是具有一个长110个氨基酸的保守的DNA结合结构域，称为Fox（Forkhead box）结构域，Forkhead转录因子目前被分为17个亚家族，其中研究最深入的是O亚家族（FOXO）。在哺乳动物中有4个进化保守的 FOXO家族成员：FOXO1，FOXO3，FOXO4和FOXO6，这个家族受胰岛素-磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）-Akt信号通路的负调控。FOXO作为一类重要的转录因子调控众多靶基因的转录，发挥多种生物学功能，如介导细胞周期停滞、抵抗氧化应激、DNA损伤修复［13］及细胞凋亡［14］等。Sirtl能够与FOXO相互作用，直接或间接地去乙酰化FOXO，目前的观点认为Sirtl对FOXO有双重效应：一方面促进FOXO介导的细胞周期停滞、DNA损伤修复、应激抗性，使细胞周期停滞，允许细胞有更多的时间来修复损伤的DNA和抵抗氧化应激，增加存活的机会；另一方面抑制FOXO所介导的细胞凋亡，这些作用都使细胞存活率增加，从而延长了机体寿命，延缓衰老的进程。因此，Sirt1通过抗凋亡、稳定氧化还原状态、增强损伤后修复等，抑制不良因素对细胞的损伤，促进细胞的存活。

2.2 调控组织、细胞物质代谢和能量代谢

作为调节能量代谢的细胞器，线粒体在衰老中具有重要的作用，不仅因为线粒体是ROS产生的主要来源，更重要的是，线粒体也是最先被ROS攻击的靶点。线粒体DNA缺乏损伤修复系统，受到氧化应激损伤后的突变率大大高于核DNA，线粒体功能受损后，导致电子传递链功能失调，引发大量ROS的产生，线粒体内累积的ROS导致ATP产生减少，促发恶性循环，使得细胞内能量稳态失衡，从而诱发衰老病征的出现。研究也发现，线粒体功能失调及氧自由基的堆积是神经退行性疾病的重要病因［15］。Sirt1参与调节能量代谢与过氧化物酶体增殖物激活受体peroxisome proliferators activated receptor gamma，PPARγ）共活化物l-α（PGC-lα）密切相关。PGC-1α作为机体营养系统的中枢调节因子，是核呼吸因子（NFRs）和线粒体转录因子A（TFAM）的上游调节者，而NFRs和TFAM在线粒体的生物合成过程中具有重要的作用。Sirt1通过将PGC-lα的多个赖氨酸位点去乙酰化而上调其转录活性，进而促进NFRs和TFAM的表达，从而提高了线粒体的生物合成和功能，在调节机体的能量代谢中发挥重要的作用。同时由于线粒体数目的增加，减少了电子延滞于复合物I和复合物III的概率，降低了ROS的产生，减少了氧化应激的损伤。随着机体的老化，线粒体数目减少、功能减弱甚至丧失，因此Sirt1通过激活PGC-lα，增加线粒体的生物合成，调节机体的能量代谢，也可能是Sirt1的抗衰老机制之一。

Sirt1还在调节物质代谢稳态中发挥重要的作用，PGC-lα是线粒体活性的调节者，在骨骼肌和脂肪组织，PGC-1a通过增强线粒体的功能，促进能量支出，提高运动的热耗，从而对饮食过量诱发的胰岛素抵抗和肝脂肪变性起到保护作用［16］。在肝细胞，Sirtl通过去乙酰化PGC-lα将其激活，PGC-1α去乙酰化后通过与肝细胞核因子HNF4α相互作用增强了肝糖异生基因（如磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶）的转录，下调了糖酵解途径基因的表达，在禁食的情况下上调肝糖输出，维持机体能量的平衡［17］。有研究发现，在禁食的晚期Sirt1却抑制肝糖异生，该研究认为其机制是Sirt1通过其乙酰化作用失活或降解CREB调节的转录共激活者2（CRTC2），而CRTC2在禁食的状态下，正性调节肝糖异生［18］。Sirt1还可以通过调节胰岛素释放调节血糖稳态，高表达Sirt1的胰岛β细胞提高了血糖刺激后的胰岛素分泌，增加了胰岛素的敏感性，稳定了机体的血糖水平，抑制了高血糖对机体的损害。胰岛β细胞专一性高表达Sirt1的转基因鼠模型中发现，与对照组相比，转基因鼠的糖耐量和糖刺激后的胰岛素分泌均提高，这可能与β细胞功能的改善有关，且该有益作用并不会随着年龄的增加而减弱。敲除Sirt1的小鼠则表现为胰岛素分泌迟钝，这与Sirt1失去对解偶联蛋白2（uncoupling protein2，UCP-2）的抑制作用有关。UCP2是存在于线粒体内膜上的重要的转运蛋白，可以充当质子通道，向线粒体基质漏泄质子，消除了线粒体内膜的质子电化学梯度，使线粒体呼吸作用中的氧化磷酸化解偶联，导致产生热能而非ATP，在β细胞中，UCP2可以使葡萄糖刺激后的胰岛素分泌功能受损，Sirt1通过结合UCP2的启动子区抑制其转录活性，从而实现对胰岛β细胞功能的调节［19］。Sirt1还通过去乙酰化FOXO1促进neuroD和MafA基因的激活和转录，进而促进β细胞的存活和胰岛素分泌［2 0］。此外，Sirt1在染色质水平还能抑制蛋白酪氨酸磷酸酶的转录，增加外周组织对胰岛素的敏感性［21］；它还能去乙酰化胰岛素受体底物-2（IRS-2），进而增强胰岛素对该底物酪氨酸磷酸化的诱导，激活下游胰岛素受体信号通路，提高了组织对胰岛素的敏感性［2 2］。除了调节葡萄糖代谢的稳态，Sirt1在调节脂肪代谢中也发挥重要的作用，Sirt1通过调节PPAR-γ和PGC-lα促进脂肪动员和脂肪酸β-氧化［23］，从而减少脂肪堆积延长寿命。研究发现，Sirt1通过与PPAR-γ上的两个辅酶因子——核受体共抑制物（nuclearreceptorco-repressor，NcoR）和视黄酸及甲状腺激素受体沉默中介蛋白（silencing mediator of retinoidandthyroidhormonereceptor，SMRT）结合抑制PPAR-γ的活性，从而减少脂肪形成，促进脂肪动员和游离脂肪酸的释放，减少细胞的脂质过氧化损伤；激活Sirt1还可以减少前脂肪细胞向脂肪细胞的分化。由于机体的脂肪动员增加，脂肪作为能量来源供能比例增加，脂肪酸β-氧化增强，脂肪酸β-氧化中电子是以FADH从黄素蛋白脱氢酶进入呼吸链而绕过了复合物I，而复合物I是ROS产生的主要部位，这就使得机体ROS的产生下降，减少了氧化应激对机体的损伤［24］。因此Sirt1通过调节细胞和组织器官的能量和物质代谢稳态，促进机体内环境的稳定，延缓衰老的发生。

2.3 与衰老相关疾病的关系

随着机体年龄的增加，衰老相关性疾病如心血管疾病和神经系统退行性病变的发生率逐渐增加，大量研究表明Sirt1与衰老相关性疾病密切相关。Sirt1具有明显的抗动脉粥样硬化的作用，研究发现，Sirtl可以减少apoE-/-小鼠的动脉粥样硬化损伤面积，而且该作用与血脂和血糖水平无关［25］。Sirtl通过去乙酰化作用激活肝X受体LXR，后者是胆固醇逆行转运的主要调节因子，调节脂质和胆固醇代谢，从而达到预防动脉粥样硬化的目的［26］。内皮衰老参与了血管功能失调和动脉粥样硬化的发生发展，组织学检查发现，在动脉粥样硬化斑块处，血管内皮细胞具有衰老的形态学特征。Sirt1在脉管系统高度表达，在调节内皮细胞依赖的血管稳态和重塑中发挥重要的作用，Sirt1通过去乙酰化eNOS增加NO的产量，促进内皮依赖性的血管舒张，抑制Sirt1的活性，导致eNOS水平的下调，内皮细胞表现衰老样的细胞表型［27］，因此，Sirt1-eNOS-NO轴可能是内皮细胞衰老的主要的决定因子。Sirt1还可以通过抑制氧化应激诱导的细胞凋亡和NF-kB的表达，提高内皮细胞的功能，从而抑制动脉粥样硬化的发生。除了对年龄相关的心血管系统疾病具有保护作用外，Sirt1对神经系统也具有保护作用。在Wallerian慢性退化模型中发现，Sirtl对神经元的损伤有保护作用，当抑制Sirtl时，神经元的损伤加剧［28］。应用Sirt1的天然激活剂——白藜芦醇，神经元的损伤也明显减少。很多证据表明阿尔茨海默氏病（Alzheimer's

disease，AD）与Sirtl有关联，AD是一种以进行性认知障碍和记忆力减退为主要特征的中枢神经系统退行性疾病，AD小胶质细胞中β-淀粉样蛋白通过增加NF-kB的乙酰化介导了神经细胞的死亡，Sirt1通过去乙酰化NF-kB降低其活性，从而减少了β-淀粉样蛋白对神经元的损伤，发挥神经保护性作用［29］。Sirt1还能阻止啮齿类和人类与老化相关的记忆力的丧失［30］。因此，Sirt1通过抑制年龄相关性疾病的发生发展，起到延缓衰老、延长寿命的作用。

3 展望

Sirt1作为组蛋白去乙酰化酶，通过其自身的去乙酰化作用，在抑制凋亡、调节氧化还原稳态、调节能量代谢和物质代谢平衡中发挥重要的作用，进而调节内环境稳态和延缓衰老。作为Sirt1天然的激活剂--白藜芦醇是一种存在于红葡萄酒中的多酚，具有抗氧化的功效，对心脏、神经具有保护作用，但就其在饮食诱导的代谢紊乱、糖尿病、血管病变中的具体作用机制，还有待进一步的研究。由于白藜芦醇的低生物利用度和多靶点性限制了其临床应用，研究人员研发了白藜芦醇类似物SRT501和新型的Sirt1激活剂SRT1702，它们在降低血糖和提高组织胰岛素敏感性中显示出良好的临床应用前景。基于Sirt1在衰老调控中的作用，我们可以以Sirt1作为靶点，研究开发针对衰老相关性疾病（如糖尿病、心脑血管疾病及神经退行性疾病等）的药物，这将为治疗上述疾病带来新的契机。通过上述我们知道，sirtuins家族参与基因表达调控、基因组稳定性、机体的代谢过程，这些看似不相关的生命过程，被sirtuins家族联系在一起，我们相信，随着研究的深入，人们延缓衰老，延长寿命的梦想不再遥远。

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S865.3+4