SIRT3在急性肾损伤中的作用研究进展

王晓凤，杜国强，张 媛，王 鸾，徐 璨，赵 正，赵 敏※

(1.中国医科大学附属盛京医院急诊科，沈阳 110004； 2.青岛市市立医院耳鼻喉科，山东 青岛 266000)

急性肾损伤是以肾小球滤过率突然下降为主要特征的疾病，可由肾脏缺血、肾毒性药物、脓毒血症及泌尿系梗阻等多种病因造成，临床表现为血清肌酐浓度增加以及少尿[1]，治疗措施主要包括针对病因进行的对症支持治疗，如保护肾脏功能、预防和处理并发症等。急性肾损伤以及其并发症无法单独使用药物控制时应及时使用肾脏替代疗法。然而，即便经过精心治疗，国外研究表明危重症患者的急性肾损伤的发病率为50.1%[2]、死亡率为41.8%[2](最终纳入401例患者),另一项国内研究表明急性肾损伤的发生率为54.7%[3](最终纳入3 687例患者)，且90 d死亡率随着急性肾损伤的严重程度的加重而增加(急性肾损伤1、2和3期的死亡率分别为16.7%、27.5%和48.3%)，部分存活患者脱离透析后有可能会进展为终末期肾病。研究发现，线粒体损伤是急性肾损伤最重要的病理生理学表现之一，而沉默信息调节因子(silent information regulator，SIRT)3参与线粒体蛋白稳态的调节，在线粒体生成、分裂、融合及自噬中发挥重要作用[4]。SIRTs是DNA编码的Ⅲ型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖性蛋白，属于组蛋白脱乙酰基酶类[4]，可以通过乙酰化水平来调节蛋白的活性[5]。SIRTs由大约270个氨基酸残基构成，具有两个不一样的结构域，结构域之间存在一个裂缝，含有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的结合位点，结合烟酰胺腺嘌呤二核苷酸后发生催化反应。在哺乳动物中，发现该家族具有七个亚型，N端和C端结构的不同决定了各亚型在各亚细胞结构中的定位和功能各不相同[6]：SIRT1、SIRT6和SIRT7主要存在于细胞核中，SIRT2在细胞质和细胞核中发现，而SIRT3、SIRT4和SIRT5主要存在于线粒体中。SIRT3、SIRT4、SIRT5负责蛋白质乙酰化的调节。因此SIRT3在急性肾损伤的发生发展机制中可能具有潜在的研究价值。现就SIRT3在急性肾损伤中的作用研究进展进行综述。

1 SIRT3与线粒体相关的生物学作用

SIRT3是一种高度保守的依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的去乙酰化酶。SIRT3以长链形式存在，并有一个线粒体相关的靶向序列位于N端，当发生氧化应激等刺激时，细胞中的长链SIRT3经基质加工肽酶水解脱去其N端线粒体序列成为短链SIRT3，并进入线粒体发挥功能。据报道，超过65%的线粒体蛋白质转化修饰需通过乙酰化完成[7]。在敲除SIRT3基因小鼠的肝脏组织、棕色脂肪组织及梗死后心肌组织中，线粒体蛋白高度乙酰化，这种变化与SIRT3表达下调同时发生[8]，说明SIRT3是主要的线粒体去乙酰化酶，可以调控线粒体蛋白乙酰化水平，进而调节机体代谢[4]。

1.1SIRT3调节线粒体的生物发生 线粒体的生物发生是线粒体代谢的一种机制，主要由过氧化物酶增殖体激活受体γ辅激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)调控。PGC-1α属于核受体超家族，介导线粒体蛋白DNA序列的转录翻译[9]。研究表明PGC-1α可以通过雄激素相关受体α调控SIRT3的表达，雌激素相关受体α是SIRT3的启动子区，介导PGC-1α引起的SIRT3的转录[4]，敲减SIRT3的表达能明显减弱PGC-1α对线粒体的转录调节。对人脐静脉内皮细胞的研究表明，SIRT3介导叉头框转录因子O3 亚型的去乙酰化，诱导其易位至细胞核内，为线粒体生物的合成提供了关键蛋白，如PGC-1α、动力相关蛋白1、线粒体融合蛋白2和线粒体转录因子A。这些发现证明SIRT3在调节线粒体生物合成，保护线粒体代谢中的核心作用。

1.2SIRT3调节线粒体裂变与融合 细胞对能量的需求依靠线粒体裂变和融合之间的动态平衡。裂变由细胞质内的动力相关蛋白1和线粒体外膜上的分裂蛋白共同介导。线粒体通过裂变适应细胞不断生长需求。同时，视神经萎缩蛋白1和线粒体融合蛋白共同介导了线粒体的融合，融合的过程实现了线粒体应对细胞应激时对能量需求的增加。裂变导致线粒体分裂，而融合则意味着线粒体内代谢产物和线粒体DNA在线粒体之间的交换。这种正常的裂变与融合的平衡受多种内、外部因素影响。据报道，SIRT3通过去乙酰化，激活视神经萎缩蛋白1来维持甚至增强线粒体呼吸链膜蛋白复合体的活性，同时也提出，SIRT3对视神经萎缩蛋白1的去乙酰化调节可能是阻断线粒体介导细胞凋亡的机制之一[10-11]。Morigi等[12]发现在肾小管上皮细胞中，SIRT3过表达可降低动力相关蛋白1在线粒体中的聚集，并证实SIRT3可通过调节动力相关蛋白1和线粒体外膜上的分裂蛋白的表达，限制线粒体分裂。有研究表明，SIRT3在钙离子动态中起重要作用，并与细胞的凋亡调控相关[6]。细胞凋亡依赖于线粒体渗透性转换孔，线粒体渗透性转换孔的持续开放将会导致线粒体膜电位流失、细胞色素C的释放，激活前凋亡通路。SIRT3可以通过细胞色素D的去乙酰化阻止线粒体渗透性转换孔的持续开放，进而阻止活性氧类的产生，使钙离子动态稳定，稳定线粒体动力学，减少细胞的凋亡。因此，SIRT3是调节线粒体动力学的重要蛋白。

1.3SIRT3调节线粒体生物能量的合成 能量的生成是细胞生存的核心元素，ATP产生降低是细胞凋亡的强烈信号。SIRT3调节呼吸链中酶复合物Ⅰ、酶复合物Ⅱ和酶复合物Ⅴ的活性以及线粒体核糖体蛋白10的活性，因而SIRT3几乎可以调节整个呼吸链的转录[6]。

当细胞中主要供能物质丙酮酸供给不足时，细胞中的线粒体可以通过转换供能途径为脂肪酸、氨基酸以及乙酸分解代谢，从而为细胞提供能量，这种叫华宝效应(Warburg effect)的代谢转换也受SIRT3表达水平的调节。在SIRT3敲低小鼠的肝脏中有43%的蛋白质乙酰化增加，参与三羧酸循环，说明乙酰化可能在调节三羧酸循环中的能量代谢方面发挥重要作用。研究证实，在线粒体能量生产中，SIRT3介导了脱乙酰化和活化的过程，包括异柠檬酸脱氢酶2、乙酰辅酶A合成酶2、谷氨酸脱氢酶以及电子传递链相关蛋白[13]。Hirschey等[14]发现心脏组织中广泛存在长链脂肪酸辅酶A脱氢酶的乙酰化，而SIRT3缺陷型动物显示心脏中长链脂肪酸辅酶A脱氢酶乙酰化增加，脂肪酸氧化水平减少33%。最近的研究表明，SIRT3通过线粒体蛋白的去乙酰化参与心脏ATP的调节，在SIRT3缺陷小鼠的心脏中ATP水平明显降低[15]。这些均说明SIRT3对蛋白乙酰化的调节，可能是线粒体能量合成的关键。

1.4SIRT3对抗氧化防御系统的调节 谷胱甘肽、超氧化物歧化酶参与人体内的氧化还原反应，是重要的还原剂，可以清除体内过氧化后产生的有害代谢物质，可以阻止脂质的过氧化。活性氧类是判断氧自由基产生和组织损伤的重要生物标志物。线粒体是产生活性氧类的主要场所。生理情况下，活性氧类可以调节细胞稳态、细胞分裂与分化等多种生理活动，而在特殊环境下，因长期的缺血、缺氧或药物的毒性作用，呼吸链无法正常获得电子，呼吸链被中断，大量的电子堆积，与再灌注后摄入的游离氧结合，继而产生活性氧类。过多的活性氧类直接影响线粒体氧化和抗氧化系统的平衡，使活性氧类的清除作用受抑制，导致活性氧类大量聚集，最终造成线粒体膜脂质、蛋白质的过氧化，从而影响线粒体膜的通透性，同时破坏线粒体嵴的结构，引发线粒体损伤，影响线粒体产能，无法提供足够能量。SIRT3的过度表达抑制核因子κB的转录活性，并下调胞外调节蛋白激酶1/2和p38的磷酸化，降低活性氧类水平，故在近端肾小管上皮细胞中可能存在SIRT3介导的抗氧化机制[16]。有研究表明，SIRT3可以通过锰超氧化物歧化酶减少细胞内活性氧类水平，作为去乙酰化酶，SIRT3非特异性地使组蛋白和非组蛋白去乙酰化，可通过使超氧化物歧化酶两个关键的赖氨酸残基去乙酰化来增强细胞的抗氧化活性。另外，SIRT3可增加锰超氧化物歧化酶及异柠檬酸脱氢酶2的活性，将线粒体中咽酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸向还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸转换，有助于维持谷胱甘肽处于还原状态，同时，与硫氧还蛋白-2相互作用参与过氧化氢的清除，提高机体抗氧化防御能力[17]。细胞核中的SIRT3可以通过去乙酰化增加叉头框转录因子O3亚型的表达，进一步促进锰超氧化物歧化酶和异柠檬酸脱氢酶2表达，减轻氧化应激对细胞的损伤[7]；SIRT3还可以减少p38促分裂原活化的蛋白激酶、胞外调节蛋白激酶1/2的磷酸化作用，抑制核因子κB活化，提高锰超氧化物歧化酶的表达水平来抑制活性氧类的生成，进而减少活性氧类导致的小管间质性肾炎的恶化[18]。研究表明缺乏SIRT3的细胞和组织显示出高的氧化应激指数，但Parodi-Rullán等[19]观察到在缺血后恢复期间，SIRT3缺乏会加剧心脏功能障碍，并增加活性氧类生成，而不会对线粒体蛋白质和DNA造成氧化破坏。在氧化应激方面，SIRT3随着活性氧类的增加而上调，这种上调机制可能受缺氧诱导因子-1α调控。另一种可能存在的通路是E2相关调节因子抗氧化应激通路，一旦发生氧化应激，E2相关调节因子转移至核内，使具有抗氧化反应原件结合位点的基因激活并表达[20]，而SIRT3和E2相关调节因子的功能主要在于调控能量代谢和线粒体生成[8]。

2 SIRT3在急性肾损伤中的作用机制

急性肾损伤主要指急性肾小管坏死，管状细胞富含线粒体，对能量需求更高，近端小管更加依赖有氧代谢过程，较远端小管更容易处于氧化应激状态[21]，有文献提出近端小管的线粒体改变是肾脏疾病发生和发展的重要标志[22]，而SIRT3作为线粒体酶参与线粒体的多种生物调节，推测SIRT3在急性肾损伤中发挥重要作用，也确有文献证明SIRT3在急性肾损伤中重要的保护作用[11,23]。

2.1SIRT3与脓毒症导致的急性肾损伤 脓毒症是急性肾损伤最常见的致病因素。在成人和儿童的数据中，脓毒症占发达国家所有急性肾损伤的26%～50%，而在原发性肾脏疾病相关的急性肾损伤中脓毒症占7%～10%[22]。基础实验表明，在小鼠脓毒症导致的急性肾损伤模型中，SIRT3可以减轻急性肾损害以及肾脏的病理损伤，甚至延长生存期[11]。Zhao等[24]在盲肠结扎与穿刺所致小鼠脓毒症模型中发现SIRT3基因敲除小鼠肾脏组织中的活性氧类生成增加，SIRT3可以通过NOD样受体家族3炎性小体/白细胞介素-1β和白细胞介素-12的炎症反应信号通路减少肾小管上皮细胞损伤及细胞凋亡，从而改善肾功能。同时该课题组还发现，SIRT3通过调节AMP活化的蛋白激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路，对脓毒症所导致的急性肾损伤具有保护作用。

2.2SIRT3与缺血再灌注所导致的急性肾损伤 缺血再灌注所是急性肾损伤的第二大原因，通常由泌尿系手术、肾脏移植、结石梗阻解除等相关操作导致，此原因诱发的急性肾损伤机制可能是缺血、缺氧导致线粒体功能障碍，导致细胞坏死，或者再灌注的级联放大反应，如炎症反应、氧自由基增多、钙离子超载等。关于缺血再灌注导致急性肾损伤的研究较少，Pan等[25]利用斯钙素1转基因小鼠和Hek细胞通过体内体外实验发现，斯钙素1对激活肾脏中的AMP活化的蛋白激酶有重要作用，AMP活化的蛋白激酶介导了斯钙素1上调解偶联蛋白2和SIRT3蛋白的过程，并对缺血再灌注导致的急性肾损伤具有保护作用。

2.3SIRT3与药物导致的急性肾损伤 我国一项多中心研究表明，约40%的急性肾损伤病例可能与药物有关[26]，抗癌药物毒性仍然是急性肾损伤的一个重要原因[27]。

顺铂是一种高效的化疗药物，用于治疗睾丸、卵巢癌、非小细胞肺癌和头颈部鳞状细胞癌[28]，但其临床作用受到其肾毒性的极大限制。在顺铂所致急性肾损伤的实验模型中，氧化应激和线粒体损伤的增加与SIRT3表达的减少有显著相关性[12]。Kim等[29]的研究表明，SIRT3基因敲除小鼠的肾损伤更严重，肾脏炎症和肾小管凋亡也更明显，SIRT3可能在顺铂引起的肾毒性中起重要作用。Morigi等[12]研究表明，在顺铂导致的急性肾损伤模型中，SIRT3基因敲除鼠的肾损伤程度更重，死亡率更高，同时在细胞实验中得以验证，顺铂处理人肾小管细胞后SIRT3的蛋白表达量降低，线粒体功能降低，而经过SIRT3的激活剂处理后线粒体功能障碍得以改善，表明SIRT3对急性肾损伤有保护作用。

2.4SIRT3与其他原因导致的急性肾损伤 造影剂性肾病是医院获得性急性肾损伤的病因之一。Huang等[30]利用人肾近端小管上皮细胞系(HK-2细胞)进行了体外实验，发现白藜芦醇处理可减少细胞DNA断裂，增加抗凋亡蛋白Bcl-2和存活蛋白的表达，激活胱天蛋白酶3，防止细胞自噬性死亡，抑制活性氧类生成，但没有发现SIRT3在这些效应中发挥作用，所以SIRT3在造影剂肾病中的作用值得商榷。

3 展 望

临床工作中，急性肾损伤缺乏有效的早期标志性诊断指标和有效的防治措施，但线粒体损伤在肾损伤中发生较早，针对线粒体的保护对于保护肾功能作用重大，因而SIRT3作为线粒体蛋白理论上有望成为早期诊治急性肾损伤的有效指标及治疗靶点。近年来，针对SIRT3的治疗相对局限，有证据表明通过补充烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和注射5-氨基-4-甲酰胺咪唑核糖核苷酸可以提高SIRT3的表达[31]。此外，从玉兰树的树皮中提取的和厚朴酚[32]，也具有抗氧化和抗炎活性的作用，可以增加SIRT3的表达量，减少相关器官的损害，但尚处于研究阶段。目前的基础研究中有关SIRT3的上、下游通路以及SIRT3的调控机制并不十分清楚。因此，具体应用到临床还需要更多证据的积累。