应激诱导蛋白Sestrin的研究进展

李林，韩薇

• 综述 •

应激诱导蛋白Sestrin的研究进展

李林1，韩薇1

Sestrin（Sesn）属于Sesn家族的抗氧化蛋白，在暴露于应激的细胞中堆积，可以增强腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK），并抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）的激活[1]，能够清除自由基。Sesn进化上高度保守，普遍存在于整个动物界，然而在植物或真菌并没有发现Sesn同源基因。多数脊椎动物包括哺乳动物表达三种Sesn （Sesn1-3），而多数无脊椎动物只含有一种Sesn基因，在酵母菌尚未发现Sesn基因。哺乳动物Sesn是由三个独立的基因位点Sesn1-3编码。

1 Sestrin的抗衰老作用

营养过剩、蛋白质稳态失衡、活性氧（ROS）的积累，都可以加重细胞的损伤，促进老化。激活AMPK、抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1）、刺激自噬通路，均显示对延长寿命和长期保健有益[2]。实际上，Sesn缺失的果蝇和小鼠模型证明，Sesn的活性对防止年龄和肥胖相关的病理生理改变是必不可少的。在果蝇dSesn失活导致AMPK的慢性抑制和mTORC1的活化，导致新陈代谢异常，心脏方面，出现心律失常、心脏扩张，最终导致与年龄相关的心脏功能的下降，骨骼肌线粒体病理改变，最终呈现有缺陷的肌原纤维[1]。来自Sesn2和Sesn3敲除小鼠品系，也支持Sesn在年龄相关的代谢紊乱的抑制调节中的作用[3]。事实上在缺血损伤时，Alex Morrison等研究者[4]没有发现野生型和Sesn2敲除小鼠之间的心脏表型的显著变化，可能是由于还有其他两个Sesn基因（Sesn1，Sesn3），对保持心脏基础完整性有补偿作用。Sesn2敲除的心脏经历缺血随后再灌注显示，与野生型心脏相比，前者心肌梗死面积加大、收缩功能受损更为严重。因此Sesn2本质上对心脏是保护性的。与野生型蠕虫相比，Sesn突变蠕虫寿命更短，Sesn的过表达可以延长寿命，cSesn对调节蠕虫寿命和防止年龄相关的肌肉退行性改变及其重要[5]。作为抗氧化、抗衰老蛋白，Sesn2与ROS的生成有关，主要通过对mTOR的负调节来发挥作用[6]，Sesn2激活自噬抑制mTOR，是减弱年龄相关的病理生理机制[7]。

2 Setrin的抗氧化应激机制

人们一直在研究关于Sesn是如何行使这些抗氧化应激保护机体的复杂机制，最近新的发现包括对Sesn的抗氧化活性[8,9]的理解的加深，认识Sesn是一种氨基酸感应器[10,11]，确定Sesn的3D分子结构[9]，3D结构揭示了Sesn的三个功能位点及这三者的功能：mTOR调节部位，ROS抑制部位和亮氨酸结合部位。

2.1 Sestrin作为过氧化物还原酶（Prx） 哺乳动物Prx家族由六个成员组成，催化作用包括将半胱氨酸（Cys）-SH键氧化成Cys-SOH键，随后形成S-S键，S-S键可在硫氧还蛋白（Trx）系统作用下变为Cys-SH[12]。氧化发生时，Prxs被过度氧化成半胱氨酸亚磺酸（cysteine sulfinic acids，Cys-SO2H）而失活。Prxs的氧化形式即Cys-SO2H可被由Trx组成的特殊亚硫酰还原酶系统还原而恢复其活性[13]。Sesns可以调节癌细胞系、巨噬细胞[14]和神经元中的Prx再生。Sesn可以恢复氧化的Prxs（Cys-SO2H）的活性，Sesn在过氧化的Prxs还原中起辅助作用。由此可见，Sesn2是Cys-SO2H的还原酶，Sesn有助于Prx的循环回收，研究猜测Sesns可能通过维持Prxs活性抑制ROS积累，从而减少氧化物对细胞损伤。然而另一项研究反驳了这一假设：纯化的Sesn对Prx没有表现出任何固有的Cys-SO2H还原酶活性[15]。秀丽隐杆线虫的研究进一步证明Sestrin并不是遗传上回收过度氧化的Prx所需要的[16]，Woo HA等[15]的研究暗示Sesn不是半胱氨酸亚磺酸还原酶。现广泛认为Sesn不是Prx的唯一亚磺酸还原酶[17]。

Sesn与烷基过氧化物酶D（AhpD）序列相似，AhpD是烷基-氢过氧化物还原酶的组分，是结核分枝杆菌中的一种抗氧化蛋白，降解ROS[18]。AhpD具有两种氧化还原功能：降解烷基过氧化物酶C（AhpC）的半胱氨酸二硫键（Cys-S-S-Cys），也就是负责AhpC的循环再生[19]。Cys125对应于AhpD中两种催化半胱氨酸中的一种，Sesn中Cys125的突变（SesnCS），丧失了Sesn抗氧化应激的功能[18]。基于这种相似性功能，研究者认为Sesn是Prx的还原酶。目前尚不能确定Sesn是Cys-SO2H还原酶还是Prx的还原酶，确定的是Sesn的诱导可以促进过度氧化的Prx的循环吸收[14]，保护细胞免受ROS累积的危害[20]。

2.2 Sestrin作为自噬调节器 自噬是线粒体处理受损脂质、蛋白质、细胞器等的过程，可维持细胞结构和功能，并减弱损伤细胞的进一步增殖，助于细胞的抗氧化[21,22]。线粒体自噬，是机体氧化还原稳态的关键，因为损伤的线粒体积累导致ROS产生过多，可导致代谢改变和一些疾病等[23]。Sesn可以通过激活AMPK和抑制mTORC1来上调自噬。mTOR是一种关键的自噬调节因子，缺氧、营养失衡、ROS的积累均可激活其自噬调节作用[24]。环境刺激诱导的线粒体功能障碍，通过Sesn诱导线粒体自噬来消除应激损害。果蝇遗传研究也支持Sesn介导自噬，因为Sesn的失活导致自噬受损，导致损伤的线粒体的累积和随后的骨骼肌中ROS的升高，Sesn缺陷秀丽隐杆线虫也证明了此观点。自噬受损的生物模型也证明了衰老加速。Sesn失活时，激活AMPK或抑制mTORC1可以恢复线粒体稳态；SesnCS仍然可以调节AMPK/mTORC1信号及线粒体稳态[25]。这些表明Sesn依赖于AMPK/mTORC1通路调节自噬。

Sesn的线粒体调节功能对于细胞稳态极其重要，Sesn还通过另外的机制对氧化还原起作用。首先，在几种非肌肉细胞中，SesnCS在抑制ROS积累方面不如野生型Sesn有效。第二，Sesn生理条件下抑制ROS，最大限度降低线粒体损伤，包括神经元突触刺激，增殖衰老，巨噬细胞过氧化物信号[14]，棕色脂肪细胞产热和肾脏多巴胺信号。因此，Sesn介导的氧化还原生理机制，不能局限的认为是对线粒体和自噬的调控，还涉及额外的机制。

2.3 Sestrin作为Nrf2调节器 Nrf2是一种转录因子蛋白，上调抗氧化基因，包括Prx，Srx[8]，谷胱甘肽S转移酶（GST）和Trx的表达。在正常环境中kelch样ECH相关蛋白1（Keap1）跟Nrf2结合，降解其靶蛋白酶体。Keap1降解由几个半胱氨酸残基的氧化[26]或通过自噬适配器p62/基因组-1 （SQSTM1）[27]来介导。p62是一种蛋白质，在自噬缺陷的细胞，通过破坏Keap1-Nrf2相互作用而激活Nrf2。

Sesn2与Keap1、SQSTM1以及自噬启动子Unc-51样激酶1（unc-51-like kinase 1，ULK1[28]）结合在一起。Sesn2促进ULK1诱导的SQSTM1的磷酸化，促进Keap1的降解和随后的Nrf2的激活，诱导抗氧化基因表达，可见Sesn对Nrf2是正反馈调节。该途径可以解释Sesn2通过激活Nrf2、Keap1促进p62依赖的自噬而发挥抗氧化作用，Sesn2-Keap1-Nrf2通路对肝细胞的营养和化学应激引起氧化损伤也有防御保护作用。有趣的是Sesn2和SQSTM1，它们有助于降解Keap1，是Nrf2的直接转录靶点[29]。因此，Nrf2依赖性诱导的Sesn2和SQSTM1可以产生一个正反馈回路，保证最大激活Nrf2的抗氧化应激活性。

2.4 Sestrin作为一种过氧化物酶 X线晶体学测定人Sesn2 （hSesn2）结构可获得对其抗氧化功能的新理解。结构显示hSesn2含有两个结构上相似但功能不同的两个伪对称球状子域，N-末端结构域（Sesn-A）和C末端结构域（Sesn-C）。两个亚结构域与属于烷基过氧化物酶家族的一种蛋白质具有显著的结构同源性。Sesn-A通过其螺旋-转角-螺旋氧化还原酶基序行使烷基氢过氧化物还原酶作用，Sesn-C修饰了该基序以适应随后的mTORC1的抑制。Sesn-C的mTORC1抑制和自噬激活可以通过间接促进Nrf2的活性来改变细胞氧化还原功能。通过这两个独立的子域，Sesn可以单独的抑制ROS和mTORC1。Sean-A结构域含有一个半胱氨酸（Cys 125），hSesn2通过单催化Cys 125还原烷基氢过氧化物基团，Cys 125在催化循环期间被可逆地亚磺酰化。hSesn2的3D结构和既往生化研究表明其具有过氧化物酶活性，虽然许多研究表明，hSesn2是ROS[30,31]的抑制因子，但是对于hSesn2是否具有氧化还原酶活性存在巨大争议，而且hSesn2的生理ROS底物仍需鉴定。

3 展望

虽然Sesn2-Keap1-Nrf2通路给Sesn2的抗氧化作用令人信服的解释，仍然存在问题需要重视：Sesn2是否与Keap1一起以氧化还原敏感的方式调节Nrf2活性；Sesn调节AMPK 和mTORC1信号是否也有助于Keap1和Nrf2的自噬调节。另外，Sesn的氧化还原底物还有待进一步研究。随着人们对Sesn研究的深入，Sesn抗衰老的生化机制的神秘面纱也被逐步揭晓。考虑到Sesn在调节代谢平衡、抗癌、抗衰老及对心脏功能影响等方面的重要生理功能，未来研究应进一步研究Sesn的生化功能，利用Sesn的功能特点及其作用靶点，从而开发一个新的抗衰老药物、新的抗肿瘤药物、新的治疗心衰药物是有可能的。

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本文编辑：阮燕萍

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1674-4055(2017)07-0890-02

1150001 哈尔滨,哈尔滨医科大学附属第一医院心血管内科一科

韩薇,E-mail:hanwei2@medmail. com. cn

10.3969/j.issn.1674-4055.2017.07.41