Sirtuins家族蛋白及其在糖脂代谢中的作用

韦 晓，汪奇峰，陈 煜，杨 雪，陈国芳，刘 超

(南京中医药大学附属中西医结合医院内分泌科 江苏省中医药研究院瘿病证治重点研究室，南京 210028)

随着现代医学的发展，人类的寿命正在延长，但寿命延长也会导致很多疾病如心血管疾病、糖尿病、阿尔茨海默病等患病率的增加，延缓衰老已成为生命科学研究的热点之一。糖脂代谢紊乱是影响以上疾病发生发展的重要因素，如何调节代谢平衡已成为对抗衰老的关键。代谢平衡是人体内一系列精确调节的过程，此过程包含能量的摄取、利用和储存。当食物充足，多余的能量会被储存起来，以备能量不足时使用。人体中有一套经长期进化而来的精确调控系统，其中涉及许多信号通路，包括胰岛素、胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1，IGF1)、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)、AMP活化的蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)以及Sirtuins信号通路[1]。限制热量已被证实可以对抗衰老性疾病[2]，而热量限制可以激活Sirtuins家族蛋白，从而发挥重要作用[3]。Sirtuins是一种去乙酰化酶，在细胞核和细胞质中均发挥作用，如去乙酰化核酸、去乙酰化胞质蛋白、去乙酰化线粒体内蛋白，其可以从细胞层面调控糖脂代谢的相关分子，整体改善寿命和生存时间[4]。在代谢研究领域，Sirtuins蛋白的激活剂如白藜芦醇、SRT(sirtuin modulator)已成为研究热点，通过发挥类似热量限制的作用缓解代谢性疾病的进展[5]。现就Sirtuins蛋白与糖脂代谢的关系进行综述，旨在总结Sirtuins蛋白调节糖脂代谢的分子机制。

1 Sirtuins信号通路

Sirtuins自发现以来就成为代谢研究的热点，甚至被命名为长寿蛋白。沉默信息调节因子2(silent information regulator 2，Sir2)基因首先在酵母菌中发现，认为具有激活端粒酶和核糖体DNA、延长寿命的作用[6]，其通过去乙酰化组蛋白发挥功能。哺乳动物中发现的Sir2同源蛋白被命名为Sirtuins，Sirtuins是一种具有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)依赖性的组蛋白去乙酰化酶[7]。随着研究的深入发现，Sirtuins不仅是能量代谢的调控器，还可以作为基因转录的调控因子，调控除组蛋白外其他代谢相关分子的乙酰化[8]，如Sirtuins可以直接激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator 1α，PGC-1α)、叉头蛋白转录因子O1(forkhead box protein O1，FOXO1)的表达[9]，通过影响代谢相关酶的表达和活性，影响细胞对糖脂的代谢功能。因此，研究Sirtuins信号通路对缓解代谢类疾病具有重要作用。

2 Sirtuins的种类与功能

Sirtuins家族蛋白包括SIRT1～SIRT7，其在器官和组织中普遍表达。基于氨基酸序列Sirtuins家族蛋白可分为4型，SIRT1～SIRT3为1型，SIRT4为2型，SIRT5为3型，SIRT6、SIRT7为4型[10]。SIRT1在器官和组织中广泛分布，主要存在于胞质，需进入细胞核内才能发挥作用。有些药物可通过抑制SIRT1入核，调控一些基因的表达[11]。SIRT2存在于胞质中，在G2期向M期过度时入核，影响细胞周期[12]。SIRT3、SIRT4、SIRT5具有线粒体信号肽序列，可进入线粒体影响细胞内的能量平衡。SIRT6和SIRT7存在于细胞核内，其对代谢的作用还需要进行更深入的研究。

Sirtuins最初是作为NAD依赖的去乙酰酶被发现的，不仅在细胞核内具有去乙酰化功能，也可以去乙酰化胞质内的一些蛋白[11]。如SIRT4和SIRT6可以去乙酰化ADP-核糖体转移酶，SIRT5可以去乙酰化氨甲酰磷酸合酶1(carbamoyl phosphate synthe-tase 1，CPS1)[13]。Sirtuins的酶促反应需要以NAD+作为底物，NAD+可以被Sirtuins转化为烟酰胺，高水平的烟酰胺会非竞争性抑制Sirtuins的活性，从而形成负反馈调节[11]。

2.1SIRT1 SIRT1作为热量限制的靶蛋白已进行了大量研究，其活化可有效缓解代谢性疾病。SIRT1可以去乙酰化组蛋白，也可以去乙酰化其他胞质蛋白。p53蛋白是第1个发现的SIRT1的胞质靶蛋白[14]，乙酰化的p53蛋白会增加与DNA的结合能力，并通过激活下游靶基因的转录抑制细胞增殖。在DNA损伤或氧化应激的情况下，SIRT1会去乙酰化p53蛋白，p53蛋白去乙酰化会降低自身的活性，激活细胞周期的表达，增加细胞增殖率[15]。p53蛋白属于抑癌蛋白，其活性的降低有可能会导致肿瘤的发生，但目前并未发现SIRT1具有致癌作用[12]。PGC-1α也可被SIRT1去乙酰化，SIRT1可通过调控PGC-1α，控制线粒体内的氧化还原反应，影响线粒体功能[16]。SIRT1还可以调控FOXO1的乙酰化。FOXO1是糖脂代谢过程中的关键调控因子，其乙酰化调节不同于磷酸化调节，不是对FOXO1活性的激活或抑制，而是改变FOXO1作用的底物，从而影响其功能[17]。

白藜芦醇存在于干红葡萄酒、蓝莓、花生等食物中[18]，可以激活SIRT1通路，对糖尿病、肥胖、阿尔茨海默病以及帕金森病等具有改善作用[19]。

2.2SIRT3 SIRT3是线粒体内最重要的去乙酰化酶，其作用的底物在代谢过程中发挥了重要作用[20]。Sirt3基因敲除小鼠会出现脂肪代谢障碍[21]。3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合成酶2参与了酮体的生成，血糖降低时体内酮体的含量会升高，为大脑直接供能，其乙酰化位点可以被SIRT3去乙酰化[22]。热量限制可以促进SIRT3去乙酰化草酰琥珀酸脱羧酶2和谷氨酸脱氢酶，这两种酶均参与了三羧酸循环[23]。此外，热量限制会通过SIRT3提高超氧化物歧化酶2的活性，减少活性氧类，缓解细胞内的氧化应激，调节细胞内氧化还原反应[24]。

2.3其他Sirtuins 相对于SIRT1和SIRT3，其他Sirtuins家族成员研究的较少。胞质内的SIRT2可以去乙酰化微管蛋白[25]，还可以去乙酰化蛋白酶激活受体3，减少有活性的蛋白激酶C，这种作用会影响神经鞘细胞髓鞘的形成[26]。SIRT2可通过去乙酰化磷酸烯醇丙酮酸羧激酶调节代谢过程[27]。FOXO1也会被SIRT2去乙酰化，进而改变催化活性[26]。

SIRT4存在于线粒体内，有研究显示，Sirt4基因敲除小鼠血清胰岛素的水平较正常小鼠低[28]。SIRT4可以调节肝脏和肌肉的脂肪酸氧化，但SIRT4与SIRT3对谷氨酸脱氢酶的调节作用是相反的。SIRT5最初不是作为去乙酰化酶被发现的，而是作为CPS1的琥珀酰化和丙二酰化酶被发现的[29]。在热量限制期间，SIRT5通过激活CPS1启动尿素循环。SIRT6与基因组DNA的稳定性相关，在新陈代谢和衰老过程中起着修复DNA的作用。Sirt6基因敲除小鼠IGF1的水平降低，并发生严重低血糖症[30]。这可能与敲除小鼠的肌肉和棕色脂肪组织大量摄取葡萄糖，导致血糖降低有关[31]。选择性沉默神经细胞中Sirt6基因表达的小鼠出生体型小，并出现追赶生长的现象，在成年后更易发生肥胖，这种现象可能与组蛋白H3的去乙酰化相关[32]。SIRT7可以去乙酰化p53蛋白，Sirt7基因敲除小鼠会表现出心脏肥大，这可能是p53过度乙酰化的结果，但此过程不能排除SIRT1的影响[33]。

3 Sirtuins与糖代谢

Sirtuins对维持血糖的稳定十分重要，可对肝脏、肌肉、脂肪以及胰腺进行细胞水平的调控，影响各个器官对胰岛素信号的敏感性，调节对糖类的摄取和利用，参与血糖的稳定。摄入能量不足或消耗能量增加时，如热量限制、进行锻炼时肝脏会增加葡萄糖的合成，SIRT1在此过程中扮演双重角色。一方面，可通过去乙酰化降低环腺苷酸效应元件结合蛋白调节转录辅助激活因子2的活性，抑制肝糖原的生成；另一方面，SIRT1通过增加FOXO1和PGC-1α的表达，增加糖异生，抑制糖酵解[34]。但SIRT1引起PGC-1α表达的变化，导致糖原合成增加的作用微弱。目前仍需要证明环腺苷酸效应元件结合蛋白调节转录辅助激活因子2、FOXO1以及PGC-1α在糖异生中的作用，才能更好地揭示SIRT1所扮演的角色。从已知的研究看，SIRT1的功能倾向于将血糖维持在一个稳定的水平。

SIRT2、SIRT3、SIRT4可增加糖异生[35]。SIRT2可增加糖异生相关酶的水平，而SIRT3和SIRT4可在热量限制过程中上调糖异生。SIRT1、SIRT3和SIRT6可通过抑制缺氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)的转录，抑制糖酵解过程。SIRT1通过去乙酰作用抑制HIF-1α的活性[36]，而SIRT3通过激活超氧化物歧化酶2以及增加谷胱甘肽的水平抑制HIF-1α的表达，提高抗氧化作用[37]。SIRT6与HIF-1α可协同降低糖酵解[38]。Sirtuins参与糖异生和糖酵解的过程，对血糖的稳定至关重要。

SIRT1除影响细胞内的糖酵解与糖异生外，还参与了胰岛素对血糖的调节。胰岛素可以增加器官对血糖的吸收，促进糖原合成，阻止糖异生过程，是体内最重要的降血糖激素。体内实验证实，激活SIRT1可提高胰岛素的敏感性，还可增加胰岛素的分泌，这些作用可能是通过降低解偶联蛋白2的活性实现的[39]。Sirt3基因的缺失可能导致线粒体功能紊乱和胰岛素抵抗。以上研究提示，Sirtuins可作为治疗糖尿病的一个潜在靶点。

在血糖的调控过程中AMPK具有重要作用。AMPK是一个异源三聚体，由α、β以及γ亚基构成，其中α亚基为催化亚基，具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶位点。AMPK广泛存在于真核生物中，是能量代谢过程中的一种重要激酶，受AMP/ATP比值的调节，当细胞耗能增加、储存能量减少时，AMP/ATP比例升高，AMPK被激活，ATP的消耗降低合成增加，维持细胞内能量代谢的正常进行，因此AMPK又被称为“细胞内能量检测器”。

Yang等[40]发现，在C57BL/J小鼠肝脏和HepG2细胞中，α-硫辛酸可以增强SIRT1去乙酰化酶的活性，通过去乙酰化肝脏激酶1，激活SIRT1/肝脏激酶1/AMPK信号通路，发挥调节代谢的作用。Wang等[41]发现，成纤维细胞生长因子21的抗氧化作用是通过SIRT1的去乙酰化作用实现的，成纤维细胞生长因子21可以通过激活SIRT1使肝脏激酶1去乙酰化，继而激活AMPK信号通路。但也有研究认为，AMPK可作为SIRT1的上游蛋白调节其活性[42]。Chang等[42]发现，AMPK磷酸化激活后可以磷酸化甘油醛-3-磷酸脱氢酶，磷酸化后的甘油醛-3-磷酸脱氢酶可以进入细胞核，使SIRT1与其抑制蛋白乳腺癌抑制基因1蛋白解离，诱导SIRT1活化，激活其生物学功能。目前仍需要更深入的研究阐明SIRT1与AMPK在代谢中的相关性。

4 Sirtuins与脂代谢

脂类代谢包括脂类的合成、储存和消耗，脂类在体内的代谢受严格调控。营养过剩时，胰岛素会增加肝脏脂类的合成；营养不足时，胰高血糖素和肾上腺素会增加脂肪的氧化分解。肝脏X受体(liver X receptor，LXR)是调控脂类代谢的重要转录因子，通过增加固醇反应性元素结合蛋白1c的水平调节脂类代谢[43]。SIRT1可通过激活LXR的转录因子，增强LXR的表达；也可通过去乙酰化作用降低固醇反应性元素结合蛋白1c的表达，抑制脂肪酸的合成，这种双重作用类似于SIRT1对血糖平衡的调节，旨在将脂类代谢稳定在一个平衡水平[44]。除SIRT1之外，SIRT6也参与了脂肪酸的合成，Sirt6基因沉默小鼠肝脏内高表达与三酰甘油合成相关的基因[45]，推测SIRT6可以反馈调控三酰甘油的合成。

脂类的储存受过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)的调控，SIRT1可促进PPARγ转录因子复合物的组装，调控PPARγ转录起始位点与反式作用因子结合[46]，进而增加细胞对脂类的利用。除此之外，SIRT1还可以通过激活FOXO1间接激活PPARγ的转录[47]。

营养不足时，SIRT1可通过激活脂肪酸的氧化磷酸化途径生成能量，此过程需要激活PPARγ和PGC-1α[48]。PPARγ和PGC-1α在Sirt1基因沉默小鼠的肝脏中低水平表达，高脂饮食下会诱发小鼠肝脏脂肪性病变[49]。此结果证实SIRT1调节了肝脏的脂肪代谢。其他Sirtuins家族蛋白，如SIRT3、SIRT4和SIRT6也参与了肝脏脂肪代谢过程，但其机制需要进一步研究。

5 小 结

Sirtuins家族蛋白是依赖于NAD+的去乙酰化酶，可调控多种与代谢相关的转录因子。Sirtuins活化具有潜在的治疗肥胖、降低癌症风险、改善应激反应的作用。如Sirtuins的表达降低或被抑制，会严重影响细胞内的代谢平衡；增强Sirtuins的表达或功能，可以一定程度地对抗肥胖等疾病。热量限制作为对抗衰老的手段，可以改善代谢水平，如增加胰岛素敏感性，调节生理节律，提高基因组稳定性、抑制肿瘤、减轻炎症、保护神经细胞、缓解焦虑等，Sirtuins家族蛋白的活化可能是发挥这些作用的分子机制。白藜芦醇是SIRT1的激活剂，可以改善代谢延缓衰老，可能对缓解代谢类疾病和延缓衰老有积极作用[50]。Sirtuins被认为是治疗代谢与衰老性疾病的潜在靶点，但其确切的作用仍需要更多的临床研究证明。