Sestrins延缓衰老作用的研究进展

黄铭江，韩 薇

(哈尔滨医科大学附属第一医院 心血管内科， 黑龙江 哈尔滨 150001)

衰老是由于细胞的不断损伤，这种损伤来自环境应激所介导的基因毒性及氧化应激[1]。过量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)会损害DNA及某些蛋白，从而导致衰老[1- 2]。雷帕霉素靶点复合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1)通过调控营养物质对生物体的作用来对抗衰老，对mTORC1信号通路的基因及药理学抑制可以延长包括大部分哺乳动物在内的生物体寿命[3- 4]，表明mTORC1信号通路在衰老的进展中具有重要作用。

Sestrins是一类高度保守的应激诱导蛋白，哺乳动物和大多数脊椎动物表达3种sestrins(sestrin1- 3)，而大部分无脊椎动物只包含1种sestrins基因[5]。在培养细胞中，sestrin1和sestrin2降低了ROS浓度并且抑制了mTORC1的活性[6- 7]，表明sestrins可能通过抑制上述两种典型的促衰老途径来发挥抗衰老作用。在很多动物模型中[8- 14]，Sestrins基因的敲除导致了多种衰老以及肥胖相关的病理过程，包括胰岛素抵抗、心功能下降、肌肉萎缩、线粒体损伤及肿瘤的产生等，而抑制ROS和mTORC1通路的治疗手段均可延缓上述病理过程。近年来，确定了Rags基因的间隙蛋白活化物2(GAP activity towards Rags 2，GATOR2)为sestrins的直接作用靶点[15]，深入理解了sestrins的抗氧化功能[16- 17]，并确定了sestrins作为一种氨基酸传感器[18]而存在。本文综述了 sestrins 蛋白在延缓衰老及其他病理过程中的生理功能。

1 Sestrins抑制氧化应激

Sestrins通过不同的转录因子被转录诱导来保护细胞免受氧化损伤，包括p34、Nrf2、AP- 1和FoxOs[5]。Sestrins的缺失将导致细胞和组织更易受到氧化应激的影响[11]。因此，sestrins的表达被认为是细胞在抵抗氧化应激过程中的重要环节。

1.1 Sestrins作为一种自噬调节器

线粒体自噬对于生物体内氧化还原的平衡至关重要，损伤线粒体的积聚会产生过量的ROS，从而导致多种退行性病变[19]。Sestrins可以通过AMPK的活性作用及对mTORC1的抑制来促进细胞自噬。在多种环境应激所导致的线粒体失活条件下，sestrins还可以诱导细胞自噬[11]。

在对秀丽线虫的研究中观察到细胞自噬对于调节sestrins的抗氧化活性的重要性，sestrins缺失将损害生物细胞自噬功能，导致损伤线粒体的积聚及骨骼肌细胞ROS浓度的上调[8]。这种现象的产生主要是由于腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)与mTORC1比例的失调及细胞自噬功能的丧失，因为在sestrins敲除的苍蝇中，AMPK的药理活性及对mTORC1的抑制可以恢复线粒体的稳态；sestrincs 是一种不具备氧化还原活性的sestrin，仍然可以通过调节AMPK/mTORC1通路来恢复线粒体稳态[7]。

1.2 Sestrins作为Nrf2调节器

核因子E2相关因子(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)是一种转录因子，它可以上调包括氧化型过氧化物酶基因(peroxiredoxin，Prx)、硫氧还原蛋白(sulfiredoxin，Srx)、谷胱甘肽巯基转移酶(glutathione-S-transferase，GST)和硫氧化还原蛋白(thioredoxin，Trx)在内的多种抗氧化基因的表达水平[20]。在自然界，Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)通过与Nrf2结合导致蛋白酶体的降解。Keap1主要通过其多种半胱氨酸残基的氧化而失活[20]。

Sestrin2与Keap1、接头蛋白1(seques-tosome- 1，SQSTM1)[10]及Unc类似自噬活化激酶1(Unc- 51-like autophagy-activating kinase 1，ULK1)均有相关性[21]，sestrin2促进了ULK1介导的SQSTM1磷酸化[21]，后者促进了Keap1的降解以及Nrf2的激活[22]。这个通路可以解释sestrin2是如何通过Nrf2的上调以及其抗氧化作用靶点来发挥其抗氧化剂作用[16]。有报道sestrin2-Keap1-Nrf2通路对于保护肝细胞免受来自营养所导致的氧化应激方面具有重要作用[11]。

1.3 Sestrins作为一种氧化还原酶

应用X线结晶学检测人类sestrin2(hSesn2)结构使人们对于sestrin的抗氧化功能又有了进一步认识，这种晶体结构揭示了hSesn2所包含的两种结构学相类似的亚结构域:Sesn-A和Sesn-C。这两种亚结构域与罗尔斯通氏菌蛋白YP- 296426.1在结构学上均具有显著的同源性，这种蛋白属于烷基过氧化氢酶一族，包括烷基过氧化物酶D(alkylhydroperoxidase D，AhpD)[17]。Sesn-A结构域包含了螺旋-转角-螺旋结构的氧化还原酶基序，这种基序与半胱氨酸125(cysteine125，Cys125)有着一个完整的质子中继系统和其他保留在AhpD和富氧罗尔斯通菌属YP- 296426.1中的关键残基[17]。

hSesn2是一种活化烷基过氧化氢酶[17]，这个观点基于以下实验观察：1)重组hSesn2催化过氧化氢异丙苯的能力与烷基过氧化物酶C(alkylhydroperoxidaseC，AhpC)和AhpD相当；2)利用Cys125和其他2个关键残基Tyr127、His132来替代Sesn-A中的关键催化残基同样使hSesn2烷基过氧化氢酶失活；3)hSesn2反应中间体形式Cys-SOH在野生型hSesn2中也可以被检测，但在Cys125替换的hSesn2中不能。

2 Sestrins调控mTOR信号通路

除氧化还原调节外，sestrins还参与应激依赖性雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin，mTOR)的调控。mTOR存在于两种不同的蛋白激酶复合物:mTORC1和mTORC2。Sestrins 通过抑制两种对于mTORC活性所必需的GTP酶——Rheb和RagA/B来抑制mTORC1。AMPK-结节硬化复合物2(tuberous sclerosis complex 2,TSC2)通路调节sestrin对于Rheb的影响，GATOR1-GATOR2复合物还使Sestrin对RagA/B产生作用。尽管sestrins可以强烈抑制mTORC1，但其却通过其他不同的生物机制来激活mTORC2通路。以下将介绍sestrins是如何通过不同的生物机制来调节mTOR相关的信号通路。

2.1 Sestrins作为AMPK调节器

Sestrins介导mTORC1的对照研究表明，这种调控依赖于AMPK[8]。提示sestrins与TSC1∶TSC2复合物有关，同时通过AMPK介导的磷酸化来提高TSC2的活性。Sestrins还能在AMPK活化标志物-Thr142中促进AMPK的磷酸化水平[7]。因为TSC2是Rheb的一种GTP酶活化蛋白(GAP)，sestrins依赖的TSC2活性可以使Rheb和mTORC1失活。对AMPK和TSC2的药理学及shRNA介导的抑制可以减弱sestrin对mTORC1的抑制[8]，此结论也支持上述观点。

许多报道证实sestrins的AMPK活化作用，及其在各种细胞中对于mTORC1通路控制的重要性[11,13]。对果蝇的基因学研究也证实了这一观点，因为AMPK-TSC2通路对于sestrin在调控组织增生以及减弱衰老相关病理过程方面的作用很重要[23]。包括脂肪肝以及胰岛素抵抗在内的sestrins基因敲除小鼠的代谢表型也可以被AMPK的药理学以及病毒学活化强烈抑制[10- 11]。此结果进一步表明AMPK是sestrins在调控代谢稳态过程中的下游关键靶点。

近期的研究发现，sestrins在缺乏AMPK的小鼠胚胎成纤维细胞中同样可以抑制mTORC1通路[15,18]，表明AMPK并非sestrin在mTORC1通路中的唯一靶点。Sestrins诱导的AMPK活性的分子机制尚不明确。有人认为sestrins作为AMPK和肝激酶B1(liver kinase B1，LKB1)之间的一种信号支架蛋白来发挥作用[13]，sestrins通过诱导AMPK调节亚基的表达来使AMPK达到最大活性。

2.2 Sestrins作为一种Rag GDP解离抑制因子(GDI)

在对sestrin调控mTORC1通路的非AMPK依赖作用机制的研究中，sestrin被认为是一种GDP解离抑制因子(GDP dissociation inhibitor，GDI)来抑制RagA/B[18]。这个结论基于以下研究:1) 在活化RagB持续表达时，sestrins不能抑制mTORC1通路;2)Sestrins表现出了与RagA/B：RagC/D复合物的相互作用;3)在体外实验中，sestrins抑制GTP在RagA/B蛋白中的加载，在人类和小鼠GDI1蛋白中，sestrins表现出了有限的序列同源性[18]。

尽管这个结论可以解释sestrins介导的mTORC1抑制依赖于RagA/B[15,18]，但某些研究结论却与之矛盾。hSesn2的晶体结构表明sestrins与GDI蛋白之间并没有结构同源性[17]，sestrins中所提出的GDI基序的组成与GDI1有着极大不同。事实上，这种推定的GDI基序的突变并不能阻止sestrins抑制mTORC1通路[17]。最初的研究报道，hSesn2免疫染色与溶酶体膜上的Rag复合物重叠[18]，但随后的高免疫荧光分析研究表明，hSesn2实际上排除于溶酶体表面[15]，表明hSesn2并不直接在溶酶体膜上控制RagA / B活性。在后续的几个研究中，并未检测到sestrins和RagA/B的直接相互作用[15,17]。提示sestrins介导的RagA/B的调控可以通过间接机制，包括一些其他的信号通路。

2.3 Sestrins作为一种GATOR调节器

蛋白组学研究确定了sestrins和GATOR2的相互作用关系[15]，GATOR2是一种由RagA/B调控的杂三聚体复合物[24]。普遍认为GATOR2可以抑制GATOR1——一种杂三聚体复合物，可以作为RagA/B的G蛋白调控因子(GAP)[25]。假定sestrins与GATOR2结合，将GATOR1从GATOR2介导的抑制中释放出来，从而促进GATOR1的RagA/B抑制活性[15]。沉默或者敲除GATOR1的部分结构可以破坏由sestrins介导的mTORC1的抑制[15]，此结果也证实了上述观点。Sestrins、GATOR1和GATOR2的遗传学关系也保留在果蝇中：沉默GATOR1阻断了由sestrin介导的果蝇翅膀生长的抑制，同时在sestrin缺失的苍蝇中，GATOR2的突变修复了细胞自噬的缺陷[15]。表明sestrins通过GATOR复合物的调节来抑制RagA/B依赖mTORC1的活性。

关于sestrins如何调节GATOR的机制尚不明确。有报道高水平的sestrins表达破坏了GATOR1:GATOR2超复合物的平衡[15]。Sestrins并不影响RagB的GTP加载状态[16]，另有报道表明RagB中GTP的加载被sestrins的过表达所改变[15,18]。这些矛盾部分由于GATOR1和GATOR2复合物的分子结构尚未确定。例如，尽管普遍认为GATOR1作为RagA/B的G蛋白调控因子(GAP)而发挥作用[25]，但是它的3个独立亚结构是如何促进这种复合物GAP活性尚不清楚[24]，GATOR2抑制GATOR1的机制目前也不知晓。

2.4 Sestrins作为一种mTORC2调节器

尽管sestrins可以强烈抑制mTORC1通路，但在培养细胞、小鼠及果蝇组织中，sestrins还可以促进mTORC2依赖性蛋白激酶B(Akt)的磷酸化[13]。mTORC1的慢性激活可以导致胰岛素抵抗，同时sestrin介导的mTORC2-AKT通路的活性依赖sestrin对mTORC1的抑制，而sestrin又可以通过激活TSC1∶TSC2复合物上调mTORC2的表达，此过程与mTORC1无关[13]。Sestrin2和sestrin3可以与mTORC2的一种调节亚基Rictor结合，直接促进mTORC2的催化活性[13]。Sestrins似乎可以通过多种机制来上调mTORC2-Akt通路的水平。Akt上调sestrins活性的作用对于其在对抗胰岛素抵抗以及延缓糖尿病进展方面很重要[13]。未来的研究应着重明确sestrins所介导的Akt上调的分子机制以及不同条件对各种信号通路的影响。

3 结语

近年来，对sestrins活性的分子机制研究取得了很大进展。Sestrins作为一种多功能蛋白可以独立发挥延缓衰老的作用，这在很大程度上可以归结于sestrins降低ROS以及调控mTOR1通路的作用。最近确定的hSesn2的晶体结构，通过揭示其两种亚结构域对于其功能的影响证实了sestrins的上述两种作用。此外，结构诱导的基因突变研究产生了一系列可以特异性消除sestrins的氧化还原控制功能或mTORC1调节功能的基因点突变，已经成为研究不同生理条件下sestrins功能的基本工具。表明sestrins在调节代谢稳态及延缓衰老相关疾病方面的重要功能。对sestrins生化功能的进一步研究可能会为对抗衰老相关性疾病方面提供新靶点。