Sestrins调控机制研究进展

刘佳秋，韩薇

作者单位：1 150001 哈尔滨,哈尔滨医科大学附属第一医院

Sestrins（Sesn）属于应激反应蛋白家族，在应激的情况下表达上调，具有多种生物学功能[1,2]。Sesn包含三个家族成员，即Sesn1、Sesn2和Sesn3，它们具有特定的蛋白质编码基因，共用了近50%相同的氨基酸序列[1,3]。Sesn1，是一种生长抑制DNA损伤诱导基因（GADD），也称p53调控蛋白26（PA26），是由肿瘤抑制蛋白（p53）调节[3]。Sesn2，是一种PA26同源体，也称为缺氧诱导基因95（Hi95），在缺氧条件下被诱发[3-5]。Sesn3，是一种新型的PA26结构相关基因，被转录因子Forkhead box O（FoxO）家族诱导[6]。

1 调节Sestrin的上游途径及机制

1.1 氧化应激 氧化应激发生在活性氧（ROS）和活性氮（RNS）产生及清除机制不平衡的过程中。Sestrin家族蛋白是抗氧化防御机制的一种，主要在氧化应激条件下被激活，其他伤害性刺激也可诱导Sesn。高水平的ROS主要通过激活抗氧化反应元件（AREs）来刺激一系列抗氧化基因表达[7]。NF-E2相关因子2（Nrf2）是一种重要的转录因子，来自基本碱性亮氨酸拉链（bZIP）蛋白家族，在哺乳动物细胞中广泛表达，Nrf2通过与AREs结合来调节各种抗氧化基因的表达，在严重应激条件下对细胞保护起重要作用[7,8]。正常情况下，Nrf2与其阻遏者kelch样ECH相关蛋白1（Keap1）定位于细胞质，通过Cul3-based E3连接酶进行泛素化和蛋白酶体降解，氧化应激使Keap1从Nrf2中分离，并促使Nrf2核转位，使其与AREs结合和激活[8]。Nrf2在Sesn2表达调控中起核心作用，研究表明Nrf2活化剂如叔丁基对苯二酚和萝卜硫素以剂量和时间依赖性上调Sesn2 mRNA的表达[7]。Sesn2通过p62依赖自噬和继发的Nrf2活化，由Keap1降解介导其抗氧化作用[8]。

氧化应激和补充ROS有利于癌细胞增殖和突变，最终导致基因组不稳定性。除了高ROS水平，大多数的肿瘤都与Sesn2下调有关[4,9,10]。相反，在多种癌细胞中，Sesn2诱导抑制氧化应激并减缓肿瘤的发生[3,4,11]。研究结果表明，Sens2的抗氧化作用对细胞起到保护作用，防止器官损伤，并消除肿瘤的发生。

1.2 内质网应激 在不良生理条件下，内质网内未折叠蛋白积聚导致内质网应激。三个内质网跨膜酶：蛋白激酶RNA样内质网激酶（PERK），肌醇需要酶1（IRE1），和转录激活因子6（ATF6），共同监控内质网的健康，通过触发未折叠蛋白反应（UPR）修复内质网应激，为维护内质网稳态发挥了重要作用[12]。

内质网应激条件下Sens2表达上调，然而其确切机制知之甚少。研究表明，在肝细胞中，棕榈酸诱导内质网应激时，Sesn2通过PERK-c/EBPβ介导的信号转导机制激活[13]。在癌细胞中Sesn2通过激活转录因子4（ATF4）依赖于PERK进行诱导[14]。最近研究发现，缺乏PERK或x-box-binding蛋白-1（XBP1，一个IRE1下游标记）的小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）不能在内质网应激下诱导Sesn2表达[15]。同样，在毒胡萝卜素和氨甲喋呤介导的内质网应激中，癌细胞系XBP1（HCC1806和MCF7）沉默抑制了Sesn2诱导。在葡萄糖饥饿诱导的内质网应激下，ATF4和Nrf2两种转录因子通过UPR的PERK通路得到刺激，直接绑定到Sesn2启动子使其表达上调，这种发生机制独立于p53[12]。综合来看，内质网应激导致Sesn2上调依赖于PERK和IRE1/XBP1转导通路，Sesn2激活发生是通过两种机制：一种是通过p53回应DNA损伤；另一种是通过UPR介导ATF4和Nrf2激活。

1.3 缺氧 低氧或缺氧刺激能显著激活Sesn2表达。癌细胞在缺氧条件下上调Sesn1和Sesn2，然而与Sesn1不同，Sesn2主要由于能源匮乏继发缺氧而激活，并独立于p53[1,5]。Sesn2可以依赖或独立于缺氧诱导因子（HIF-1）激活[16]，至于是哪种化学物质通过何种机制刺激缺氧，激活Sesn2，目前尚未可知。

关于新生大鼠的研究数据表明，与中度脑缺血缺氧（HI）损伤相比，重度HI损伤下Sesn2通过HIF-1α在神经元上表达明显上调。此外，新生大鼠受到重型HI损伤后，由神经元HIF-1α介导的Sesn2激活通过抑制血管内皮生长因子（VEGF）减弱了血脑屏障（BBB）的渗透[17]。另一研究发现，缺氧介导的Sesn2上调阻碍了细胞内ROS的产生，缺氧和一氧化氮（NO）以一种依赖HIF-1α的方式上调Sesn2，活化的Sesn2通过防止过氧化物酶家族亚磺化，增强过氧化物防御[18]。因此，Sesn2不仅作为一个分子来结合缺氧和氧化应激信号，也作为一种防御机制对抗细胞的缺氧应激。

2 Sestrin调节的下游途径及机制

2.1 AMP激活蛋白激酶（AMPK）活化和mTORC1抑制 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一种丝氨酸苏氨酸蛋白激酶，最初发现于酵母突变体中，它对雷帕霉素的生长抑制作用具有抵抗力。mTOR包含两个不同的多蛋白复合物：雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1），对雷帕霉素敏感；以及mTORC2，对雷帕霉素不敏感。mTORC1蛋白激酶作为“主调节器”，回应于不同的刺激，包括生长因子、氧化应激和能量水平改变[19,20]。持续的mTOR刺激与多种疾病相关，如糖尿病、肥胖症、心血管疾病、癌症和自身免疫性疾病等[20]。

AMPK是能量不足条件下激活的一种酶，是细胞内mTOR的主要负调控因子。研究表明，Sesn2在细胞内主要通过AMPK活化和结节性硬化症2（TSC2）磷酸化来抑制mTOR的活化[21,22]。Sesn2介导的AMPK活化抑制了NADPH依赖氧化酶4（NOX4），因此减少细胞内通过NOX4氧化酶系统产生的ROS[23]。在体内和体外，基因沉默和Sesn2沉默可引起多种类型细胞中mTOR持续激活信号，说明Sesn2对mTOR的抑制起到重要作用。在壁层上皮细胞中，Sesn2沉默引起mTORC1下游目标如p70核糖体蛋白S6激酶（p70S6K）磷酸化上调[24]。在小鼠研究中，营养过剩可引起mTOR的慢性激活，最终导致Sesn2在多种组织包括肝脏和骨骼肌中诱导，相反，Sesn2基因沉默增强了mTOR活性，并加重肥胖相关的疾病，如糖耐量异常、胰岛素抵抗和脂肪肝等[22]。

2.2 自噬 自噬是细胞的一种防御机制，指引衰老和错误折叠的蛋白质进行溶酶体降解，从而保护细胞避免过度应激，适应不良的细胞信号。在细胞中，自噬激活的主要刺激是mTOR信号抑制和/或AMPK激活,这一过程是通过自噬相关蛋白（ATG）和UNC-51-样自噬激活激酶1（Ulk1）蛋白磷酸化实现的[25]。Sesn2能够调节mTORC1/AMPK信号通路，因此，预测Sesn2激活会刺激细胞自噬。事实上，Sesn2与几个自噬相关蛋白（ATG）和BCL2/腺病毒E1B 19 kDa蛋白应答蛋白3（BNIP3）行为一致，被发现可诱导自噬[26]。Sesn2抑制mTORC1对于P62自噬介导KEAP1的降解非常重要[8]，因此，在氧化应激中，自噬激活对于Nrf2信号介导的Sesn2抗氧化作用是不可或缺的。

在癌细胞中，Sesn2诱导自噬由c-Jun氨基末端激酶（JNK）信号通路调节。关于鼻咽癌细胞系的研究中发现，刺激JNK信号通路增加了Sesn2表达，这种表达可能被siRNA介导的JNK通路沉默减弱[27]。而且JNK介导的自噬在Sesn2表达沉默后被抑制，提示在癌细胞中JNK介导的自噬诱导依赖于Sesn2。最近关于人类膀胱癌的研究中揭示了JNK通过何种机制激活了Sesn2并刺激癌细胞自噬。研究结果表明，在Sesn2启动子区，JUN（JNK通路激活产生）与AP-1结合位点结合，这是Sesn2激活和诱导癌细胞自噬的关键[28]。总之，Sesn2在自噬刺激中起着重要作用，它可作为一个细胞中介物，整合信号AMPK和mTOR及信号通路，并促进癌细胞凋亡。

2.3 细胞凋亡 程序性细胞死亡，通常被称为细胞凋亡，控制细胞生长和发育的过程。细胞凋亡是特定的生化和形态学改变，包括膜皱缩、细胞皱缩、核固缩、染色体DNA分裂及胞内蛋白裂解。大量研究表明，Sesn2在多种类型细胞中具有抗凋亡作用。关于RAW264.7细胞的研究中发现，在氧化低密度脂蛋白（oxLDL）刺激下，Sesn2通过JNK/c-Jun通路表达，Sesn2沉默可以促进细胞凋亡[29]。在相关体外研究中发现，受到缺氧缺血性脑损伤的新生大鼠通过鼻腔给予重组人Sesn2，可减少大鼠神经细胞凋亡，改善神经功能。因此，Sesn2诱导是减轻各种伤害性刺激引起细胞凋亡的一种代偿性反应。相比之下，在癌细胞中，Sesn1/2下调会导致癌细胞生长加速[11]，这表明Sesn可引起癌细胞的凋亡。因此，Sesn2可作为各种疾病如心血管疾病、代谢性疾病，神经退行性疾病和癌症等的治疗目标。

3 Sestrins在心血管疾病中的意义

心脏负荷增加或损伤引起心肌肥大，最终导致心肌营养不良和死亡。事实上，心脏肥大是心血管疾病死亡率和发病率的预测因子之一。氧化应激是心脏病理生理的一个重要因子，因此预测Sesn对心肌细胞起保护作用。从机制上看，一方面心功能下降引起mTOR过度活化，Sesn表达受损，而抑制mTOR可以缓解Sesn下调导致的表型混乱[30]。研究显示，Sesn1通过抑制mTOR信号从而有效抑制血管紧张素Ⅱ诱导的心肌成纤维细胞增殖[30]。抑制mTOR似乎可以起到心脏保护作用，特别是在压力超负荷的状态下。

另一方面，Sesn可能通过调节自噬途径影响心脏的功能。严格的自噬调节有助于防止压力超负荷引起的心肌肥厚[31]，相反，阻断自噬可能进一步加重心肌肥厚[32]。Sesn1沉默能够加重肾上腺素诱导的心肌细胞肥大，Sesn1过度表达则保护这些遭受肥厚性应力的细胞[32]。Sesn1通过激活AMPK/mTORC1/自噬轴起到细胞保护作用，阻断该通路会减少Sesn对抗肥厚性应力的能力[32]。此外，Sesn2维持和增强自噬活性需要AMPK上游激酶肝激酶B1（LKB1）引起的AMPK活化[33]。AMPK激活控制线粒体的生物合成，维持能量平衡，并最终帮助细胞在缺血条件下存活。

Sesn也在动脉粥样硬化中发挥有益的作用。最近发现，Sesn2沉默能够增强小鼠动脉粥样硬化和动脉粥样硬化其他特征的形成，其作用机制可能包括增加ROS的产生和内质网应激以及增加血管中的粘附分子[34]。总之，Sesn1和Sesn2有望成为改善心血管疾病有吸引力的目标。

4 结论

Sesn2，一种应激反应蛋白，主要由p53调控，可以对抗遗传毒性和氧化应激，从而起到细胞保护作用。目前，人们认为Sesn2是细胞代谢的一个关键调节器，在正常生理和病理状态下对维持细胞稳态作出积极贡献。在细胞中Sesn抑制ROS的产生和mTOR的活化，并增加AMPK信号通路和抗氧化水平。Sesn的调节作用使它成为一个有吸引力的治疗目标。制定治疗策略来上调Sesn，重点在于破译构成Sesn多种有益作用如抗氧化、消除缺氧信号与内质网应激，AMPK激活/mTORC1抑制、自噬激活、维持正常细胞稳态、以及对癌细胞增殖的抑制作用的基础，即调节Sesn的上游通路及其调节的下游通路。后续研究中将会使用器官特异性敲除Sesn2的转基因动物模型，将Sesn水平与疾病进展相联系，这有助于探索在特定疾病中由Sesn2调节的生化途径。此外，运用于体外和体内模型的小分子Sesn2类似物或诱导剂的开发和筛选将有助于明确Sesn2作为各种疾病的药物靶点的治疗潜力。