Sirtuin家族与心血管疾病相关性研究进展

汪潇潇 蒋维

(1.重庆大学附属肿瘤医院/重庆市肿瘤研究所/重庆市肿瘤医院，肿瘤转移与个体化诊治转化研究重庆市重点实验室，重庆 400030； 2.四川大学生物治疗国家重点实验室，四川 成都 610041)

1 Sirtuin(Silent information regulator two proteins)家族成员的结构学特征及其实现蛋白质去乙酰化活性的结构学基础

Sirtuins的序列分析表明Sirtuin家族成员具有高度保守的催化活性中心和不同长度和序列的N-和C-末端片段。通过对Sirtuin家族成员进行X-射线晶体结构分析，Sirtuin家族成员的活性中心区域的结构相似，包含一大一小两个结构域。大结构域为Rossmann折叠区域，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)的结合区域，在不同的种属间具有高度保守性[1]。小结构域为不同的、多变的锌指结构，以及具有三到四个螺旋结构的螺旋形模块。大、小结构域通过四个连接环相连，且四个连接环间形成一个裂隙，其中的大部分氨基酸残基是高度保守的[2]。乙酰化的赖氨酸和NAD从反方向插入裂隙中的疏水通道，是发挥去乙酰化催化作用的场所。由于锌离子离活性位点太远，不能直接参与去乙酰化，但它对催化活性中心区域结构的完整性的维持具有重要作用[3]。四个半胱氨酸残基在四面体几何结构中整合锌离子，锌离子则使三个β链聚集在一起，从而维持结构的稳定性。Sirtuins通过NAD和乙酰化赖氨酸底物的结合、糖苷键的剪切、乙酰化基团的转换、烟酰胺和去乙酰化赖氨酸的形成发挥其催化作用[4]。总之，Sirtuin的结构、各种底物和中间体/过渡态模板以及产物等，为NAD和乙酰化赖氨酸底物的结合和催化反应以及Sirtuin如何促进去乙酰化过程提供了重要的信息。

2 Sirtuin家族成员与心血管疾病

2.1 Sirtuin家族成员与心脏缺血/再灌注损伤

心脏缺血再灌注损伤包含了复杂的损伤因素，包括缺血时能量的缺失以及复灌时氧化应激的产生，从而导致一系列细胞坏死通路的激活，最终导致心脏损伤。Sirtuin家族蛋白被证实参与此损伤过程中心肌细胞功能的调节，抵抗氧化应激，调控代谢通路等。心脏在缺血状态下，能量代谢紊乱，腺苷酸活化蛋白激酶(Adenosine monophosphate protein kinase，AMPK)活化，使得腺苷三磷酸(Adenosine triphosphate，ATP)存储增加，消耗减少[5]。Sirtuins蛋白的活性与细胞能量代谢状态密切相关，即受到 NAD+水平的调节。Suchankova等发现AMPK活性的改变也与 NAD+水平及SIRT1的活性相关，表明在心脏缺血时，SIRT1和AMPK有密切的联系，且已有研究证实在缺血再灌时若SIRT1缺失，AMPK的活化也降低[6]。此外，在缺血再灌时小鼠心脏组织SIRT1的表达下降，SIRT1缺失的小鼠发生更严重的心梗损伤，而心脏特异性过表达SIRT1的小鼠心梗面积明显减小，并且SIRT1通过促进叉头转录因子1(Forkhead box protein O1，FOXO1)的转录活性，促进其细胞核定位，使得心肌细胞凋亡降低，抗氧化蛋白表达增加，氧化应激降低[7]。在心脏功能障碍时，SIRT6表达水平下降，使得细胞凋亡和衰老加重。SIRT6对低氧诱导因子-1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)的去乙酰化可能影响葡萄糖代谢[8]。线粒体作为心脏能量的来源，心脏的生理功能与线粒体功能的完整性密切相关。位于线粒体的SIRT3已被证实可通过提高锰超氧化物歧化酶(Manganese superoxide dismutase，MnSOD)的活性，降低氧自由基(Reactive oxygen species，ROS)的产生[9]，进而改善缺血再灌过程中的氧化应激，达到保护心脏的作用。并且SIRT3可通过去乙酰化线粒体膜通道孔(Mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的亲环素D，使得促凋亡蛋白的释放减少。除了抗氧化和抗凋亡的作用，SIRT3还可调节线粒体ATP的合成[10]。总之，Sirtuins，特别是SIRT1、3、6和7在心肌受到氧化应激，基因组DNA损伤等时，它们可改善心肌损伤。

2.2 Sirtuin家族成员与心脏肥大

心脏重塑包含了多方面的诱导因素，其表现通常为心肌细胞的肥大、凋亡和纤维化组织的增加等。诸多证据表明表观遗传的修饰对于促进或抑制疾病过程有重要作用。Sirtuins家族可发挥其去乙酰化酶的作用对转录调节等进行修饰。过表达SIRT1或应用白藜芦醇活化SIRT1后，SIRT1通过与过氧化物酶体增殖物激活受体α(Recombinant peroxisome proliferator activated receptor alpha，PPARa)发生相互作用，增加PPARa与核因子κB(Nuclear factor kappa-B，NF-κB)的 Protein65(P65)亚基的结合，导致P65的去乙酰化，同时也去乙酰化PPARa的协调因子过氧化物酶体增殖物激活受体C辅激活因子 1A (Peroxisomeproliferator-activated receptor-C coactivator-1A，PGC-1A)，从而抑制苯肾上腺素导致的心肌肥大[11]。此外，体内体外SIRT1的过表达也可改善血管紧张素II诱导的心肌肥大和损伤。SIRT3和SIRT7基因敲除的小鼠都表现出心脏肥大。其中SIRT3缺失的小鼠主要表现为心脏间质的纤维化，而SIRT7缺失的小鼠主要为炎症介导的心肌病变[12]。SIRT3是内源性的心脏肥大的调节因子，通过活化叉头转录因子3(Forkhead box protein O3，FoXO3a)、抗氧化蛋白MnSOD和过氧化氢酶(Catalase)，降低ROS，使得肾素-血管紧张素系统(Renin-angiotensin system， RAS)以及下游丝裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)/胞外信号调节激酶(Extracellular signal-regulated kinase，ERK)和Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase/Protein kinase B (PI3K/Akt)信号通路的活化降低，进而抑制心脏肥大。SIRT6通过抑制 Insulin-like growth factor(IGF-Akt)信号通路，去乙酰化组蛋白3的赖氨酸残基9位(Histone 3 Lysine 9，H3K9)，从而改善心脏肥大和心衰[10]。

2.3 Sirtuin家族成员与高血压

高血压为血压长期增高的慢性疾病，血管发生重塑，胞外基质改变。在高血压血管病变的过程中，细胞的增值，肥大，炎症，纤维化均为导致血管重塑的因素[1,3]。血管紧张素II在诱导高血压的过程中，导致血管重塑，血管平滑肌增值，胶原堆积等。SIRT1可降低血管紧张素II诱导的NF-κB与转化生长因子-β(Transforming growth factor-β1，TGF-β1)启动子的结合，从而降低炎症，缓解血管重塑，降低血压[14]。动脉血管内皮功能受到一氧化氮(Nitric oxide，NO)极大的影响，NO的产生减少和内皮型一氧化氮合酶(Endothelial nitric oxide synthase，eNOS)活性的降低与SIRT1功能的降低密切相关[15]。SIRT1功能的降低与NADPH活性的提高相关，进而提高超氧化合物阴离子的浓度，促进NO的降解，使得内皮功能障碍进一步加重。并且SIRT1的缺失下调基质金属蛋白酶-14(Matrix metalloproteinase-14，MMP-14)，提高内皮因子和谷氨酰胺转移酶的表达，从而促进纤维化。SIRT2在高血压诱导的血管重塑中影响内皮细胞的迁移[16]。

2.4 Sirtuin家族成员与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化为伴有脂代谢紊乱的慢性免疫炎症反应疾病。动脉粥样硬化形成的重要步骤是大动脉皮下间隙单核细胞的渗透和巨噬细胞对脂肪的吞噬作用，巨噬细胞继而分化为泡沫细胞，促使大量炎症细胞因子的释放，从而又促进单核细胞的聚集，形成恶性循环。因此脂代谢紊乱和炎症反应为动脉粥样硬化形成的主要因素[17]。SIRT1在内皮功能障碍的相关疾病中发挥着重要的保护作用。在胰岛素抵抗、动脉粥样硬化及相关冠状动脉疾病中，SIRT1基因和蛋白水平的表达均为低水平，被证实为动脉粥样硬化的重要保护因子[18]。同样，血管平滑肌的异常增殖也是动脉粥样硬化发生发展的重要致病机理，SIRT1被证实也可抑制动脉粥样硬化时血管平滑肌的异常增殖，且这一过程可能受到了FoXO3a的介导。SIRT6在衰老进程中发挥着重要的保护作用，可抑制基因组DNA的损伤和端粒功能的紊乱，对于维持内皮细胞和新生血管的生成很重要。有研究者发现，SIRT6+/-APOE-/-小鼠在高脂饮食后Natural-killer group 2 member D(NKG2D)配体上调，促进血管炎症，动脉粥样硬化更为严重[19]。

3 总结及展望

Sirtuins家族蛋白通过发挥其酶活性对一系统靶蛋白进行去乙酰化和/或腺苷二磷酸-核糖修饰，影响多种信号通路。随着年龄的增长，细胞受到环境等因素的损害增加，Sirtuins不仅参与细胞内的转录调控，也参与代谢的调节，在细胞发生氧化应激、基因毒性及代谢紊乱时发挥重要作用[2]，对于危险因素的作用进行负调节，使机体受到保护。在心血管疾病中，Sirtuins的表达水平通常受到了动脉和心脏内稳态改变的影响，如在发生动脉粥样硬化和心肌病变时，Sirtuins表达量的改变。在位于细胞核的Sirtuins成员中，SIRT1和SIRT6对于抑制和延缓心血管疾病有重要作用。特异性位于线粒体的SIRT3维持细胞器的稳定性，保护提供心脏能量的线粒体。因此，针对Sirtuins开发的小分子化合物可能成为治疗衰老相关的心血管疾病的新工具和新的治疗方法。到目前为止，动物模型试验证实白藜芦醇，作为Sirtuins的非特异性激动剂，在内皮和心肌细胞发生应激状态下发挥有效的保护作用。但是更有效和更特异的小分子化合物还有待进一步研究和开发。