SIRTUIN 基因家族的生物学功能及其在畜禽肉质性状上的研究进展

石 岗，李 尚，冯韶华，刘 刁，芦春莲，曹洪战

（河北农业大学动物科技学院，河北保定 071000）

哺乳动物SIRTUIN（以下简称SIRT）可与P53、FOXO 和KU70 等蛋白相互作用，参与调控细胞代谢、应激反应、衰老和凋亡等生理过程。SIRT 是一种高度保守的去乙酰化酶类，从细菌到人类具有高度保守性。目前人类公认的SIRT 基因家族成员有7 个：SIRT1、SIRT2、SIRT3、SIRT4、SIRT5、SIRT6 和SIRT7，且有不同的亚细胞定位，SIRT2 主要分布在细胞浆中，SIRT1、SIRT6 和SIRT7 主要定位在细胞核内，SIRT3、SIRT4 和SIRT5 则定位于线粒体内。SIRT 家族基因在哺乳动物细胞中广泛分布说明其功能具有多样性。本文主要对 SIRT 基因家族的生物学功能及其与畜禽肉质、生长等性状的关联分析进行综述。

1 SIRT 基因家族成员的生物学功能

1.1 SIRT1 在SIRT 基因家族中，SIRT1 是研究内容最多、研究最深入的一个成员。人类SIRT1 基因是SIRT2的同源物，定位在SSC10，全长22 kb，包括8 个内含子和9 个外显子[1]。其主要分布于细胞核的核仁中，在肝脏、心脏、脂肪、生殖器官和肌肉等器官中高度表达，SIRT1 参与去乙酰化过程，可以去乙酰化组蛋白和很多重要的转录因子和调节蛋白，从而调控能量代谢、胰岛素分泌和调节细胞寿命等多种生物学功能，比如能通过抑制前体脂肪细胞的分化来促进脂肪细胞的代谢、与抑制解偶联蛋白2（UCP-2）来促进胰岛细胞分泌胰岛素、能够通过去乙酰化P53 蛋白第382 号位置上的赖氨酸残基，负调控P53 活性，进而抑制细胞衰老和凋亡[2-4]。除此之外，SIRT1 基因在保护神经元和脑组织方面同样发挥着重要的生理作用。

1.2 SIRT2 人类SIRT2 定位于SSC19，全长21 kb，包括13 个外显子[1]，主要定位于细胞质中，在脑、脂肪和睾丸中的蛋白表达量最高[5]，在细胞有丝分裂、热量限制和细胞增殖等生物学过程中发挥作用。比如在细胞有丝分裂过程中，SIRT2 蛋白水平升高，其作为组蛋白去乙酰化酶能在一定程度上使有丝分裂过程延迟[6]。SIRT2 在热量限制的小鼠肾脏和白色脂肪组织中的表达量增加，而热量限制的啮齿动物更能抵御帕金森氏病、阿尔茨海默氏病等带来的损害[7]，因此，研究这两者的关系成为热点。SIRT2 是一种有效的肿瘤抑制基因，敲除小鼠SIRT2 基因后其肿瘤细胞的生长速度明显加快。但有学者认为SIRT2 基因是否能作为肿瘤的抑制基因有待进一步研究[8]。此外，SIRT2 基因还是细胞程序后坏死的一个重要调节因子，若没有SIRT2，细胞坏死过程就不会发生，因此可以作为防止坏死性受伤中的药物作用目标。

1.3 SIRT3 SIRT3 是第1 个被定位于哺乳动物细胞线粒体的Sirtuin，人类SIRT3 基因定位于SSC11，全长21 kb，在肝脏、肾脏、心脏、肌肉和脂肪等与代谢过程有关和富含线粒体的组织中高度表达。SIRT3 基因也参与去乙酰化过程，如果敲除小鼠的SIRT3 基因，其线粒体蛋白会呈现高度乙酰化状态[9]，导致新陈代谢异常。SIRT3 基因同样与FOXO 基因家族相互作用参与调控细胞寿命，还参与氧化应激、线粒体代谢稳定和癌变等生物学过程[10]。随着机体年龄的增长，SIRT3 活性降低，也进一步解释了线粒体渗透性转移的增加和心肌功能随年龄增加而衰退。当机体发生应激反应时，SIRT3 基因的表达增多部分通过阻碍Bax 转位到线粒体来保护心肌细胞免于损伤。越来越多的研究表明，SIRT3 基因能够直接参与多种病理学过程，如癌症和应激反应等，还需要进一步研究其遗传变异的机理，达到治疗癌症和延长寿命等目的。

1.4 SIRT4 人类SIRT4 基因定位于SSC12 上，其基因结构研究很少，主要在脑、肝脏、胰腺、甲状腺和肌肉等组织细胞中广泛表达。SIRT4 蛋白被定位于线粒体内，是一种线粒体蛋白，且具有NAD+依赖的二磷酸腺普核糖体转移酶活性，能够参与调控机体的脂肪酸氧化和线粒体中的基因表达[11-12]。SIRT4 基因同样能通过调控胰岛素的分泌来参与能量代谢过程，虽然它不具有去乙酰化酶活性，但也可使线粒体基质中的GDH 酶失活（Glutamate Dehydrogenase），SIRT4 依赖的GDH 受到抑制后可提高胰岛素的分泌水平[13]。同时，SIRT4基因还参与多种病理过程，如调控低氧诱导的心肌凋亡（SIRT4 的高表达量能够维持机体脂肪酸新陈代谢，在低氧诱导的心肌凋亡中，SIRT4 基因表达量明显下降）和降低吸烟导致的慢性阻塞性肺病的发病率。

1.5 SIRT5 人类SIRT5 基因位于SSC6 中，是单拷贝基因，具有8 个外显子，SIRT5 蛋白定位于线粒体基质中，具有NAD+依赖的去乙酰化酶活性较弱，其在动物组织中广泛表达，尤其是在肝脏、肾脏、心脏和脑中的表基因表达量最高[14]，此外，其在淋巴细胞中也大量表达，提示若SIRT5 的染色体断裂则可引起粒细胞白血病。CPS1 蛋白在尿素循环中扮演着重要角色，在转基因小鼠的研究中发现SIRT5 可以对CPS1 进行去乙酰化作用并激活其活性，进而调控尿素循环过程[15-16]。研究还发现，SIRT5 基因还可去乙酰化作用于UOX，增加其活性，促进尿酸盐转化为尿囊素，进而调控机体中的嘌呤分解代谢过程[17]。在病理学研究方面，SIRT5 基因缺乏会导致运动缺陷，并且会使线粒体特异性氧化酶SOD2 的表达水平降低，进而说明SIRT5 基因可以通过调控线粒体氧化酶活性，为帕金森氏病的预防和治疗提供新的研究思路[18]。同时，研究发现SIRT5 基因与机体的癌症相关，如果敲除该基因，则癌细胞的生长和转化会受到抑制[19]。

1.6 SIRT6 人类SIRT6 基因位于SSC19，全长39.1 kb，包含8 个外显子，其位于细胞核内，是一种核内蛋白，在肝脏、肾脏、生殖器官和脂肪等组织细胞中高度表达[5]。SIRT6 基因不仅ADP-核糖基转移酶活性较强，还具有去乙酰化酶活性，驳斥了之前SIRT6 基因在细胞中无去乙酰化酶活性的言论[20]。大量研究表明，SIRT6 能够维持基因组稳定（在DNA 同源重组中发挥着重要作用）[21-22]，并能延长机体寿命，因为热量限制会影响SIRT6 基因的蛋白表达量。对饥饿小鼠体内的SIRT6 基因进行研究，发现其蛋白稳定性和表达量均提高，促进了基因组稳定性，进而延长小鼠寿命[23]。同时，SIRT6基因的过表达还能降低关节炎等炎症的发生率[24]，其还是一个肿瘤抑制基因，能通过增强基因组的稳定性而使机体的肿瘤和衰老发生的几率降低。

1.7 SIRT7 人类SIRT7 基因位于SSC17，全长6.2 kb，包含10 个外显子，广泛在肝脏、脾脏和睾丸等增生组织表达和脑、心脏和骨骼肌等非增生组织中低水平表达。虽然SIRT7 不具备去乙酰化酶活性及ADP-核糖基转移酶活性，但是依然具备参与应激反应、细胞凋亡和肿瘤发生等生物学功能。若把小鼠SIRT7 基因敲除，不仅会将低其寿命（细胞凋亡的速度提高2 倍以上，并提高对氧化或毒性的敏感性，应急抗性能力降低），还会引起心脏并发症。同时，SIRT7 基因与肿瘤发生有关，会抑制肿瘤细胞的生长，维持机体重要的细胞新陈代谢通路[25-26]。另有研究表明，如果把小鼠中的SIRT7 基因敲除，会引发慢性脂肪肝症状，说明SIRT7 可以抑制内质网应激反应并缓解慢性肝脂肪变性症状[27]。

2 SIRT 基因家族对畜禽重要性状的关联分析研究

家畜的生长性状、肉质性状和体尺性状具有重要的经济价值，受环境影响较大。采取传统的育种方法对性状的提高进展缓慢，近年来，主要采取分子育种方法对性状加以改善，常用方法是研究基因的分子标记与目标性状的关联分析，确定影响性状的基因及其分子标记，为家畜的分子标记辅助选择提供基础。目前，SIRT 基因的功能研究已成熟，且国内外有很多关于SIRT 基因家族与家畜重要性状的关联分析，取得了一定的成果。

2.1 SIRT 基因家族对牛重要性状的关联分析 目前主要在小鼠和人类方面研究SIRT 基因家族的生物学功能。在家畜生产中，主要是对SIRT 基因家族与牛和猪的重要性状进行相关性分析，在羊和鸡上的研究报道很少。国内对SIRT 基因家族与牛经济性状的影响研究主要集中在肉质性状、生长性状和体尺性状上。邓冠群等[28]研究表明，SIRT3 基因突变位点的基因型与秦川牛的体高、体斜长、背膘厚和眼肌面积等性状具有显著或极显著关系，说明SIRT3 基因显著影响着秦川牛的体尺和肉质性状，可能是一个候选基因。桂林生[29]研究发现，SIRT1 基因的3 个SNP 位点g.25764G＞A、g.25846A＞G和g.25868T＞C 能够显著影响秦川牛的部分生长性状和肉质性状，此外还发现了其他6 个SIRT 基因家族成员中能够影响秦川牛生长发育和肉质性状的SNP 位点，且确定了在各个性状中表现最佳的单倍型组合。姚玉妮等[30]利用PCR-SSCP 和测序技术研究SIRT1 基因多态性与利杂牛等肉牛屠宰性状的相关分析，检测到了4 个SNPs 位点：g.-382A＞G、-306T＞C、-274G＞C和-271G＞C，并确定了显著影响性状的基因型。Li 等[31]研究发现，SIRT1 基因的突变位点 -274C＞G 和-382G＞A分别显著影响24 和18 月龄南阳牛的体重和体高性状。这些研究成果为牛重要性状的改善及其分子育种提供了理论基础，并加快肉质改良和生长速度等的遗传进展。

2.2 SIRT 基因家族对猪重要性状的关联分析 有关SIRT 基因家族对猪重要性状的影响的研究报道很少。王候光等[32]通过RT-PCR、免疫印迹分析、重组质粒和测序鉴定等分子生物学和生物信息学方法成功在大肠杆菌中表达了猪去乙酰化酶SIRT3 基因，并初步鉴定重组蛋白的抗原性和特异性，为进一步研究猪的生理和病理机制奠定基础。刘炳婷等[33]以1～3 日龄长白仔猪为研究对象，研究发现SIRT2 基因可抑制猪前体脂肪细胞的分化，对调控脂肪细胞分化具有重要作用，与Jing 等[34]和Wang 等[35]的研究结果一致。张敏[36]研究了SIRT2基因的多态性与537 头长白猪生产性状的关联性，得到了4 个SNP 多态性位点，并确定了初生重和平均日增重的优势基因型，但未发现SIRT 基因对眼肌面积、背膘厚和断奶重等性状有显著性差异。崔清明等[37]研究发现，SIRT2 第8 外显子存在1 处C/T 突变，SIRT3 第5 外显子处存在1 处A/G 突变，并分别在中国地方猪湘村黑猪和大围子猪肉质上进行关联分析发现存在的3 种基因型均对肉质有显著影响。王利红等[38]以苏姜猪为研究对象，发现SIRT1 在公猪胃组织的mRNA 表达量显著高于其他组织，在母猪小肠组织中表达量显著高于其他组织。除此之外，未见关于SIRT 基因与猪其他性状的关联分析。

2.3 SIRT 基因家族对家禽上的研究报道 目前在SIRT基因在家禽上的研究报道相对较少。魏守海等[39]以鹅为研究对象，发现PI3K-AKt-mTOR 信号通路、FoxO1、胰岛素均可通过SIRT1 调控细胞的生长和增殖。王荣霞等[40]以鸡为研究对象，发现白藜芦醇通过影响SIRT 的表达来调控肌肉代谢。叶保国等[41]研究发现，SIRT1 基因在北京鸭6 周龄时表达量显著低于出壳时。但相关机理机制还不够清楚。刘三风等[42]以泰和丝毛骨鸡、杏花鸡和隐形白洛克鸡为研究材料，发现SIRT1 基因的c.1753G＞A 位点有3 种基因型，GG 基因型显著高于AA 基因型，且不同品种之间不同基因型差异较大。但并未与性状进行关联分析，无法得知与性状之间的关系。

3 小 结

SIRT 基因家族在细胞凋亡、增殖、新陈代谢和应激反应等生理和病理过程扮演着重要角色，是机体中重要的基因家族。牛、猪和羊等在中国畜牧业中是重要的畜种，研究、培育和推广优良畜禽品种，提高畜禽质量是调整畜牧业产业结构的重点。而肉质性状和生长性状被作为评估畜禽遗传育种工作效果的重要衡量指标，因此有很多关于基因多态性与目标性状关联分析的报道。SIRT 基因家族的研究报道多集中在人类疾病和动物模型上，研究发现SIRT 基因的多态性能显著影响猪肉质和日增重，但这些性状都是多基因控制，还需要大量试验来证明单个突变或多个突变如何影响了这些性状。SIRT 基因在牛等畜禽中具有调节脂肪沉积过程等作用，可能会对其肉质等性状产生显著影响。但是目前这方面的研究报道很少，已有的研究成果还需要运用大量的试验样本进行验证，以确定SIRT 基因的多态性位点及其优势基因型。如果能够发现影响肉质和生长等性状的基因变异位点，为应用分子标记辅助选择，对改良畜禽的性能具有一定的实际意义。