SIRT3与神经系统疾病关系的研究进展

王鲲宇，苗 妍综述，戚晓昆审校

沉默信息调节因子(sirtuin)家族是一组高度保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)依赖的蛋白质去乙酰化酶，目前已鉴定出7种哺乳动物sirtuin家族成员，即sirtuin 1-7(SIRT1-7)[1]。SIRT3主要分布于代谢旺盛的器官及组织中，如脑、心脏、肝脏和棕色脂肪组织等。虽然关于SIRT3的亚细胞定位仍存在争议，但主流观点认为细胞核内合成的无酶活性长链型SIRT3在应激条件下转移至线粒体内，经酶切后形成有酶活性的短链型SIRT3，定位于线粒体中[2]。SIRT3因在能量代谢和氧化应激过程中发挥重要作用而受到国内外学者的广泛关注[3]。神经系统代谢水平高且几乎无能量储备，因此神经系统疾病涉及不同程度的线粒体功能障碍。研究发现，SIRT3与多种神经系统疾病密切相关。本文将就SIRT3与神经退行性疾病、脑卒中、癫痫和年龄相关性听力损失关系的研究进展予以综述。

1 SIRT3与神经退行性疾病

1.1 SIRT3与阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD) AD是老年人群中最常见的神经退行性疾病，以进行性认知功能障碍和行为损害为特征，其典型的组织病理学改变是以β-淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)为核心的神经炎性斑沉积、tau蛋白过度磷酸化引起的神经原纤维缠结以及神经元丢失[4]。淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein，APP)基因、早老素1(presenilin 1，PS1)和早老素2(presenilin 2，PS2)基因是家族性AD最常见的责任基因。在APP/PS1转基因小鼠大脑皮质中，sirt3的转录和翻译水平均较野生型小鼠下降[4]。而APP/PS1转基因小鼠经长期跑台运动训练后，认知功能可得到改善，海马Aβ减少，多种线粒体抗氧化酶和参与线粒体DNA(mtDNA)损伤修复的8-氧代鸟嘌呤DNA糖基化酶活性增高。同时，训练也通过增强电子传递链(electron transport chain，ETC)复合体I、复合体IV和ATP合酶的活性改善线粒体呼吸功能，减少活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的产生和mtDNA氧化应激损伤。这些神经保护作用均与长期跑台训练提高海马SIRT3表达水平有关[5]。Yin等[6]进一步证实，APP转基因小鼠大脑皮质SIRT3表达水平和活性降低，并于体外实验中发现外源性Aβ同样可诱导海马HT22细胞SIRT3表达水平和活性降低，而提高SIRT3的表达水平能够缓解Aβ的神经毒性作用。Yin等[7]通过对AD患者和非AD患者尸检结果的对比研究发现，AD患者内嗅皮质、颞中回和额上回sirt3转录和翻译水平降低，且低水平SIRT3与AD患者认知功能障碍和tau蛋白的病理性积累关系密切。有资料显示，神经营养因子垂体腺苷酸环化酶激活肽能够诱导SIRT3表达，对Aβ引起的神经元毒性产生神经保护作用。敲减sirt3后，垂体腺苷酸环化酶激活肽的保护作用受到明显抑制。此外，垂体腺苷酸环化酶激活肽在AD患者和PS1/APP/Tau转基因小鼠脑组织中表达量皆下降，与Aβ和tau蛋白的表达量呈现负相关关系[8]。以上研究提示，SIRT3可能在AD中发挥重要作用。令人欣慰的是，和厚朴酚对于提高AD体内外模型的SIRT3水平表现出积极的作用，这将为AD的治疗带来新的希望[9]。

1.2 SIRT3与帕金森病(Parkinson’s disease，PD) PD是第二大神经退行性疾病，其主要运动症状肌强直和运动迟缓与黑质多巴胺能神经元大量变性丢失关系密切[10]。越来越多的证据显示，线粒体功能障碍和氧化应激是PD发病的重要原因，SIRT3作为线粒体内具有调节氧化应激功能的蛋白酶有可能参与到PD的病程中[11]。研究表明，SIRT3的缺失可导致PD模型小鼠黑质纹状体多巴胺能神经元缺失及超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2，SOD2)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)表达水平降低现象进一步加重[12]，而过表达SIRT3则可减缓PD模型大鼠的病理进展，改善其行为学异常，提高纹状体多巴胺水平，保护黑质致密部多巴胺能神经元[13]。另外有研究进一步证实，sirt3敲除PD模型小鼠黑质致密部多巴胺能神经元SOD2乙酰化水平增高，酶活性下降，氧化应激增强，退行神经元增多，并且该现象于PD患者中得到验证[10]。体外研究中，Cui等[14]发现MPP+能够减低人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞SIRT3的表达，并减低线粒体柠檬酸合成酶和异柠檬酸脱氢酶2(isocitrate dehydrogenase，IDH2)的酶活性和表达水平，过表达SIRT3可通过对柠檬酸合成酶和IDH2的去乙酰化提高其酶活性，维持线粒体代谢功能的完整性，抵抗MPP+的神经毒性。也有类似研究[15]验证了SIRT3对PD体外模型有神经保护作用。Zhang等[16]发现SIRT3通过PGC-1α-ERRα-SIRT3通路对PD体内外模型高乙酰化水平的SOD2和ATP合酶β进行去乙酰化修饰而发挥对多巴胺能神经元的保护作用。

1.3 SIRT3与亨廷顿病(Huntington’s disease，HD) HD是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，以进行性加重的锥体外系症状和认知功能障碍为主要临床表现[17]。由于编码亨廷顿蛋白(Huntingtin，Htt)的基因突变，CAG三核苷酸重复序列过度扩增，含有多聚谷氨酰胺的异常Htt形成，导致以皮质和纹状体神经元为主的线粒体功能障碍[18]。目前针对该病尚无有效的治疗措施。Fu等[17]的研究成果为HD的治疗提供了新的线索，他们发现反式葡萄素可对多种细胞的HD模型产生神经保护作用。在含有异常Htt的神经细胞中，SIRT3表达水平显著下降，而反式葡萄素可以维持HD细胞中SIRT3的表达，SIRT3通过对下游分子LKB1的去乙酰化修饰激活AMPK，增强PGC-1α的表达，促进线粒体的生物发生。同时，反式葡萄素通过提高SIRT3的水平，激活SOD2，缓解HD细胞内ROS的聚积[17]。近期，Yang等[19]利用3-硝基丙酸诱导的HD小鼠模型，发现sirt3敲除小鼠与野生型小鼠相比，纹状体神经元更易受到3-硝基丙酸的毒性作用，进一步说明SIRT3可能是治疗HD的关键靶点。

1.4 SIRT3与肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis，ALS) ALS是一种以慢性进行性上、下运动神经元变性丢失为特征的神经退行性疾病，其发病与氧化损伤、兴奋性毒性、炎症、线粒体功能障碍等多种因素有关[20]。大多数ALS患者为散发型，约有10%的患者为家族型，其中以超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)基因发生突变最为常见[21]。SIRT3能够在一定程度上恢复sod1突变引起的神经元线粒体碎片化和双向轴浆运输障碍，减少神经元的死亡[21]。除神经元外，星形胶质细胞在ALS的发生进展过程中也起着重要作用。已有研究表明，将sod1突变小鼠的原代星形胶质细胞与运动神经元共培养可诱导运动神经元死亡[22]。然而，过表达SIRT3的sod1突变星形胶质细胞对运动神经元的毒性作用明显减弱，说明SIRT3能够有效拮抗sod1突变星形胶质细胞介导的运动神经元损害，为ALS的治疗提供了新的思考方向[23]。

2 SIRT3与脑卒中

2.1 SIRT3与缺血性脑卒中 缺血性脑卒中是由脑血流供应中断导致脑组织氧糖不足而引起的，其较高的致死率和致残率使之成为威胁人类生命和健康的重大疾病之一。临床上治疗缺血性脑卒中的首要目标是尽早恢复脑组织的血流供应，但随之而来的缺血再灌注损伤又成为亟待解决的问题。研究显示，线粒体功能障碍在脑缺血和缺血再灌注损伤中扮演重要角色[24]。SIRT3对脑梗死后脑组织神经和血管的再生以及神经功能的恢复有着积极的作用，其作用机制可能与VEGF、AKT、ERK相关信号通路有关，而与JNK和P38无关[25]。Yin等[26]对大脑中动脉阻断小鼠注射乙酰乙酸和β-羟基丁酸进行干预，发现二者能够通过SIRT3-FoxO3a-SOD2通路抑制氧化应激，改善受损的神经功能。也有研究表明，梗死脑区sirt3转录和翻译受到脑缺血再灌注损伤的抑制，提高SIRT3的表达水平可通过激活Wnt-β-catenin通路减少线粒体分裂、ROS累积和神经元凋亡，缩小脑梗死面积[27]。细胞氧糖剥夺(oxygen-glucose deprivation，OGD)和氧糖剥夺复氧(oxygen-glucose deprivation and reoxygenation，OGD/R)模型是研究缺血性脑卒中和缺血再灌注损伤的常见体外模型。Xie等[28]报道，羊毛硫氨酸合酶C样蛋白1能够抑制OGD造成的海马HT22细胞线粒体功能障碍和氧化应激损伤，进而减少细胞凋亡，其主要通过AKT-PGC-1α-SIRT3通路激活依赖SIRT3的抗氧化酶而发挥作用。通过使用淫羊藿次苷II干预PC12细胞OGD/R模型，Feng等[29]指出淫羊藿次苷II可通过提高SIRT3和IDH2的表达水平缓解OGD/R造成的PC12细胞氧化应激损伤。血脑屏障结构和功能的完整性对维持中枢神经系统正常生理状态意义重大，Chen等[30]以人脑微血管内皮细胞和星形胶质细胞共培养体系的OGD模型研究脑缺血后SIRT1和SIRT3对血脑屏障通透性的影响。他们发现SIRT1会加重OGD诱导的细胞凋亡，增大血脑屏障的通透性，而SIRT3的作用则恰好相反，并且SIRT1通过对AMPK-PGC1通路的抑制作用进而抑制SIRT3的表达。脑梗死不仅会引起大量神经元和胶质细胞死亡，也会造成星形胶质细胞激活，形成胶质瘢痕，阻碍神经元轴突的再生，导致脑组织修复受阻。小分子合成药物Adjudin可上调SIRT3-FoxO3a通路并下调SIRT3-Notch1通路，抑制脑梗死后星形胶质细胞激活和胶质瘢痕形成，促进神经功能恢复[31]。近年来，神经干细胞移植对脑梗死的治疗作用成为研究热点，而移植后神经干细胞本身的凋亡问题始终困扰着研究者。Jiang等[32]发现，SIRT3可抑制小胶质细胞活化诱导的神经干细胞氧化应激损伤，增加神经干细胞的存活率。

虽然上述研究结果均提示，SIRT3对缺血性脑卒中具有多方面的神经保护作用，但目前针对该观点仍存在争议。Novgorodov等[33]认为，脑缺血再灌注损伤后SIRT3也能够促进神经酰胺的产生，造成ETC功能障碍和ROS蓄积，加重损伤。关于SIRT3与缺血性脑卒中的关系仍需要更多的研究与探索。

2.2 SIRT3与出血性脑卒中 出血性脑卒中主要包括蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)和脑出血。相较于缺血性脑卒中而言，目前关于SIRT3与出血性脑卒中相关性的研究较少。Huang等[34]报道SAH模型大鼠大脑皮质sirt3转录和翻译水平明显下降。有学者通过研究亚低温对SAH模型大鼠的影响，发现亚低温干预能够缓解SAH对大鼠脑组织sirt3转录和翻译的抑制，增强SOD2、GSH-Px和过氧化氢酶的活性，增强线粒体能量代谢及ROS清除能力，从而提高脑组织对SAH的耐受力[35]。此外，Yang等[36]和Zhang等[37]的研究结果表明，褪黑素和葛根素皆可改善SAH模型小鼠神经功能，减轻脑水肿，减少大脑皮质神经元的凋亡，其保护作用可能与二者上调大脑皮质SIRT3表达水平进而激活SOD2有关。Zheng等[38]研究了糖尿病大鼠脑出血对SIRT3的影响，结果显示血肿周围脑组织SIRT3蛋白含量降低，并且与非糖尿病大鼠脑出血相比，SIRT3蛋白含量更低，脑组织受损更严重。和厚朴酚能够通过SIRT3-SOD2通路和SIRT3-NRF1-TFAM通路清除ROS，提高ATP水平，保护糖尿病大鼠因脑出血受损的脑组织。sirt3敲减后，和厚朴酚的神经保护作用明显减弱。同时，由于ROS能够激活炎症小体NLRP3，诱导神经炎症，和厚朴酚也通过SIRT3-SOD2通路清除ROS从而抑制了NLRP3引起的神经炎症反应。

3 SIRT3与癫痫

癫痫是一组不同病因导致的脑部神经元高度同步化异常放电所致的临床综合征，以发作性、短暂性、重复性和刻板性为特征。脑部神经元在实验动物癫痫模型中大量死亡，以海马最为显著。癫痫持续状态(status epilepticus，SE)是神经科常见的急症，其发作时间异常延长，在发作期间有大量ROS产生，导致氧化应激相关性神经元死亡[39]。Cho等[40]的研究结果表明，SIRT3可通过激活SOD2缓解SE引起的海马神经元氧化应激损害。同时，他们发现SE发作初期，海马神经元线粒体内SIRT3一过性增高，发挥作用后重新回到细胞核内，说明SIRT3通过SOD2发挥抗氧化应激作用可能受其细胞定位的影响[40]。Gano等[41]通过红藻氨酸诱导的大鼠颞叶癫痫模型同样发现了模型大鼠海马SIRT3表达水平先升后降的趋势，致使SOD2、IDH2和ETC复合体I乙酰化水平增高，导致细胞ROS清除和能量供应功能障碍。而且，sirt3敲除小鼠与野生型小鼠相比，红藻氨酸引发的海马神经元死亡现象更加显著[19]。因此，SIRT3可能成为治疗癫痫的有效靶点。

4 SIRT3与年龄相关性听力损失(age-related hearing loss，AHL)

AHL是老年人群中最常见的感觉系统疾病，由内耳耳蜗螺旋神经节神经元和感觉毛细胞的进行性丢失引起。当前，氧化应激被认为是AHL发病的关键因素[42]。Someya等[42]采用热量限制的方式干预AHL小鼠，实验表明热量限制能够拮抗氧化应激损害，保护耳蜗神经元，预防或减缓野生型小鼠AHL的发生，但对sirt3敲除小鼠却无效。除纯音听力减退外，对言语的识别率降低是AHL的另一特点，这与听皮质受损有关。Zeng等[43]利用D-半乳糖诱导大鼠听皮质早衰，发现早衰听皮质中SIRT3表达下降，导致SOD2抗氧化活性下降，mtDNA因受到过氧化损伤发生缺失突变，造成听皮质细胞死亡。目前关于AHL的治疗主要集中在对外周功能障碍的改善，提高中枢SIRT3的表达是一个值得研究的方向。

5 小 结

自sirtuin家族发现以来，对sirtuin家族的研究主要集中在SIRT1。然而，随着近年来逐渐重视对SIRT3的研究，越来越多的研究成果证明SIRT3因调节能量代谢和氧化应激的特性而在神经系统疾病中表现出独特的作用和潜力。尽管人们对SIRT3与神经系统疾病关系的研究取得了一定的成果，但是仍有大量存在争议的问题亟待解决，其发挥作用更深入的分子机制仍有待进一步探索，进而为SIRT3作为治疗相应神经系统疾病的靶点提供更充分的证据。在此基础上，寻找安全可靠的SIRT3激动剂也是未来研究的重要方向。总之，基于目前的研究进展，我们有理由相信，SIRT3有望为相关神经系统疾病的治疗带来新的希望。