Sirt2和Sirt3基因的研究进展

崔清明，彭英林

（1.湖南农业大学动物科技学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省畜牧兽医研究所，湖南长沙 410131）

Sirt2和Sirt3基因的研究进展

崔清明1，2，彭英林1，2

（1.湖南农业大学动物科技学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省畜牧兽医研究所，湖南长沙 410131）

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该文介绍了Sirtuins家族的成员、结构及生物学功能。从对机体的代谢调节方面重点介绍了该家族中sirt2和sirt3的研究现状。

Sirtuins家族；sirt2；sirt3；研究进展

Sirtuins家族是广泛存在于地球所有生命形态中的具有共同催化结构的古老蛋白质。Sirtuins家族是在包括细菌、真菌、酵母菌、疟原虫、后生动物、哺乳动物甚至病毒等生命体中发现的广泛保守的酶家族[1-3]。由sirtuins酶催化的最常见反应是NAD+依赖性蛋白质去乙酰化，是各种生物体中的调节剂，在酵母菌、蠕虫到哺乳动物中均有体现[4-5]。

表1 Sirtuins家族成员基本情况

1 Sirtuins家族简介

1.1 Sirtuins家族成员及定位

哺乳动物的沉默信号调节子（Silent information regulator，SIRT1-7）家族是酵母SIR2的同源蛋白质，是一类在物种间高度保守的蛋白质去乙酰化酶。Kelar等[6]最初于1979年在酵母中发现sir2并命名为MAR1（mating type regulator），20世纪90年代初，Gottschling等[7]共同研究发现sir2是染色体上端粒及其附近区域发生染色质沉默的主效基因。随后，另外四个sir2的同源基因也逐渐被人们从酵母中发现，它们对于细胞周期及基因组的稳定具有重要作用。随着研究的继续，sir2的同源基因在细菌、哺乳动物以及植物中被发现，因这些基因保守性很强，故将这一类蛋白统称为Sirtuins，简称sirt。

Sirtuins家族广泛存在于原核生物和真核生物中。Frye[8-9]首先从人睾丸Marathon cDNA文库中克隆出五个Sirtuins基因的cDNA，分别命名为sirt1-sirt5，随后Frye又从人脾脏Marathon cDNA文库中克隆出两个Sirtuins基因的cDNA，并命名为sirt6、sirt7。Sirtuins家族成员具有不同的亚细胞定位：sirt1、sirt6和sirt7主要分布在细胞核内，sirt2分布在细胞质中，而sirt3、sirt4和sirt5则定位于线粒体中。Sirtuins家族在生命衰老和代谢调节中起重要作用。Sirt1通过去乙酰化组蛋白或非组蛋白底物，参与转录调节、染色质修饰、能量代谢和衰老等生命活动[10]。Sirt2参与细胞周期的调控，与有丝分裂、染色质凝聚和细胞迁移息息相关，除此之外，还参与氧化应激反应和微管动力学的调节[11-13]。Sirt3、Sirt4和Sirt5存在于线粒体基质中，可以直接控制代谢酶的活性，在禁食和热量调节中起关键作用[14-16]。由于研究深入的不同，与Sirtuins家族前五种相比，我们对Sirt6和Sirt7的功能所知甚少，但它们与DNA修复和rDNA转录相关[17-18]。

哺乳动物中Sirtuins家族成员（sirt1-sirt7）的亚细胞定位、酶活性以及功能等详见表1[19]。

1.2 Sirtuins家族结构特征及酶活性（功能）

前人通过研究揭示了Sirtuins的结构。Sirtuins是一类高度保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖的去乙酰化酶，其家族成员具有相似结构，由约270个氨基酸残基组成的一大一小两个结构域。Fu M，Liu M，Sauve AA等[20]研究发现由Rossmann折叠构成了大的结构域，由锌指结构〔Cys-X-XCys-(X)15，20-Cys-X-X-Cys〕构成了小的结构域。在大小结构域之间存在一个较大缝隙，为NAD+提供了结合位点，乙酰化酶在这个裂缝中结合形成酶-底物的折叠结构而发生催化反应[21]。

Sirtuins家族成员都具有高度保守的NAD+结合域和催化功能域，不同的N端和C端可使它们能够结合不同的底物。其家族成员参与许多生理和细胞活动，包括氧化应激、代谢和老化等[22]。Landry J等[23]发现Sirtuins介导去乙酰基和NAD+断裂两种催化活性。Sirtuins家族成员中部分具有去乙酰化酶活性，部分具有ADP-核酸转移酶活性。依赖Sirtuins的去乙酰化反应是将底物乙酰基转移到NAD+的ADP-核糖基部分，同时，1个NAD+分子分裂成1分子烟酰胺（NAM）和1分子O-乙酰基ADP-核糖。依赖Sirtuins的ADP-核糖转移酶活性是将NAD+的ADP-核糖转移到乙酰化蛋白。

2 Sirt2与Sirt3基因

在GeneBank中查出，猪的sirt2基因（NC_010448．3）位于第六条染色体，由9个外显子和8个内含子组成，基因全长10 670 bp，mRNA全长1 819 bp，共编码391个氨基酸。

在GeneBank中查出，猪的sirt3基因（NC_010444．3）位于第二条染色体，由8个外显子和7个内含子组成，基因全长16 395 bp，mRNA全长1 569 bp，共编码357个氨基酸。

2.1 Sirt2基因的功能及研究进展

Sirt2主要位于细胞质中，在心脏、骨骼肌和大脑等组织中的细胞中有较高表达量[24]。有研究报道，sirt2参与正常的细胞的有丝分裂。Sirt2在细胞的有丝分裂期间表达强度显著提升，且在细胞周期的G2/M时期多次去乙酰化[25]；Suematsu T等[26]也验证了sirt2通过靶蛋白BubR1的去乙酰化达到其在有丝分裂中的作用。North BJ等[27]发现，当sirt2过度表达时，靶蛋白BubR1含量提升高，使小鼠的寿命延长较显著，表明了sirt2也可作为延长寿命的影响因子进行进一步研究。

2．1．1 sirt2与胰岛素

Sirt1与Sirt2对于胰岛素的调节都具有一定的作用。但Ramakrishnan G等[28]通过实验证明在调节胰岛素反应的细胞中AKT（胰岛素信号通路）激活的主要是Sirt2。尽管AKT与具有组成型PI3K激活的细胞中的Sirt1和Sirt2相关，但它仅在PI3K-AKT途径的正常调节的细胞中结合Sirt2。而胰岛素治疗的过程即诱导Sirt2-AKT复合物解离的过程。AMPK（腺苷单磷酸活化蛋白激酶）的活性，其由胰岛素负调节，是维持AKT-Sirt2复合物所需的，部分是通过调节Thr101处的Sirt2磷酸化。通过抑制Sirt2或敲除则降低胰岛素的AKT活性，增加Sirt2的表达则使AKT及其下游靶标的活性增强。他们通过研究将Sirt2定为新的阳性AKT调节剂，其增强正常细胞中的胰岛素反应，这些研究结果表明，Sirt2激活剂可用于治疗与肥胖相关的代谢综合症和Ⅱ型糖尿病。

2．1．2 sirt2与脂肪

Sirt2能够在脂肪组织中表达。Wang F等[12]发现，在哺乳动物中，由于在G2/M期sirt2进入细胞核并使组蛋白去乙酰化，sirt2通过使转录因子FOXO的去乙酰化影响氧化应激，sirt2的表达在热量限制性小鼠的白色脂肪组织和肾脏中升高。紧接着，Wang F等[29]通过实验发现，sirt2可以通过促进脂肪分解和抑制脂肪细胞分化来维持机体的能量平衡。他们通过禁食诱导sirt2在白色和棕色脂肪中表达。当小鼠暴露在寒冷环境下时，sirt2能够在棕色脂肪中表达，但不在白色脂肪中表达。当向小鼠的腹腔注射β-肾上腺素时，sirt2在白色脂肪中的表达增强。在机体缺乏足够的热量时，sirt2可通过使转录因子FOXO的去乙酰化抑制脂肪的生成，而且sirt2在3T3-L1脂肪细胞中也可促进脂肪分解；当机体葡萄糖和胰岛素浓度降低到一定浓度时，sirt2也可抑制脂肪细胞的分化。总体而言，sirt2影响着机体脂肪的代谢。

除此之外，sirt2在维持遗传物质的稳定性和抑制肿瘤的形成中具有重要作用[30]。当敲除小鼠的sirt2基因后，在细胞的有丝分裂期间伴随遗传不稳定的细胞死亡，随后引起肿瘤的发生。

2.2 Sirt3基因的功能及研究进展

Sirt3是位于线粒体中的Sirtuins家族成员之一，其参与生物体的众多代谢活动[31]。而且Sirt3是目前研究最多的线粒体sirtuins，它在代谢旺盛的组织如肌肉、褐色脂肪、肾脏、肝脏、脑和心脏中表达较高[32-33]。Sirtuins家族成员具有去乙酰化酶和ADP-核酸转移酶活性。Sirt3具有去乙酰化酶活性。在2010年Zhao等[34]通过高通量蛋白质组学证实，参与三羧酸循环、尿素循环和脂肪酸的β氧化等代谢的蛋白质可被乙酰化修饰，而线粒体中大约1/5的蛋白质可被乙酰化。结合sirt3的活性，sirt3可通过调控线粒体蛋白质乙酰化水平来参与代谢活动。

2．2．1 Sirt3与ATP

在线粒体中，sirt3可通过调节代谢酶来决定ATP（三磷酸腺苷）的生成速率。当缺失sirt3时，蛋白质乙酰化水平异常，则ATP生成减少[35]。在敲除sirt3的细胞中加入sirt3的表达后，ATP的产生可达到正常水平[36]。在心脏、肝脏和肾脏等代谢旺盛的组织中，ATP水平较高，且sirt3亦具有较高的表达水平。Sirt3也可通过激活AMPK来调节ATP的产生。在细胞中，AMPK的激活需其上游激酶LKB1对其进行磷酸化修饰，Pillai等[37]研究发现sirt3可与LKB1相互作用，通过激活AMPK使ATP在细胞中维持较高浓度。在线粒体中，sirt3的表达对于ATP的生成具有重要作用。

2．2．2 Sirt3与脂肪

在肝脏中，sirt3参与尿素循环、脂肪酸的合成与分解和胴体生成等代谢活动。在Sirtuins家族成员中，位于线粒体上的sirt3和sirt5都具有调节细胞内尿素循环的功能，且在饥饿时，肝脏中其会被诱导大量表达。Sirt3可通过去乙酰化增强限速酶K88的活性，进一步增强尿素循环[38]。

在调控脂肪酸代谢中，缺失sirt3小鼠的肝脏中，游离脂肪酸较多，这会使肝细胞的死亡速度加快，但当加入sirt3的表达之后，可以使这种情况得以改善[39]。Hirschey M D等[40]研究发现，在小鼠禁食期间，若缺乏sirt3，则小鼠出现脂肪酸氧化障碍，此时机体的ATP水平降低且小鼠对寒冷环境出现不耐受的反应。此实验表明，sirt3在调节线粒体代谢和脂肪酸氧化中具有一定作用。在所有动物中，sirt3与肝脏组织的脂肪代谢密切相关。由于sirt3的缺失可使游离脂肪酸增加，因此，也可加速甘油三酯的合成，进一步促进肝脏中脂肪的沉积。

除了上述功能之外，sirt3对于减缓衰老和延长寿命有一定的作用[41]。Sirt3通过去乙酰化激活参与脂肪酸β-氧化、氨基酸代谢、电子传递链和抗氧化防御的线粒体酶，使线粒体代谢增强，机体新陈代谢旺盛并减缓衰老。Sirt3也可通过降低活性氧和抑制线粒体通透性转换孔的组分来防止细胞凋亡。因此，可以探索将sirt3作为药物用于延缓衰老并延长人类的寿命。

3 小结

从sirt2和sirt3基因的研究进展中可看出，二者均对脂肪的代谢有一定的影响。桂林生等[42]通过对Sirtuins家族基因多态性分析及与肉质性状的关联分析发现，该家族基因可作为影响秦川牛肉质性状的关联基因，可用于加速秦川牛的选育。然而，关于猪Sirtuins家族基因的相关研究却鲜有报道，因此，研究Sirtuins家族在猪上的功能也可作为改善猪肉品质，加速猪遗传改良的新途径。

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2017-03-06）

崔清明（1992-），男，山西运城人，硕士研究生，主要从事动物遗传育种与繁殖方面研究，E-mail：1335217946@qq.com

彭英林（1965-），男，湖南双峰人，研究员，E-mail：13907487646@126.com