Sirt7在病理生理活动中的作用机制

鲁阳阳， 李 艳， 罗 成

(宜春学院医学院医学生化教研室，江西 宜春 336000)

沉默信息调节因子2相关酶(silent mating type information regulator 2-related enzymes，Sirtuin)是NAD+依赖性的去乙酰化酶，可以催化去除多种蛋白质中特定赖氨酸残基上的乙酰基团[1, 2]。Sirtuin家族成员包括Ⅰ(Sirt1，Sirt2，Sirt3)、Ⅱ(Sirt4)、Ⅲ(Sirt5)和Ⅳ(Sirt6，Sirt7)[3]。其中，Sirt1和Sirt2可以在细胞核与细胞质间穿梭，Sirt3、Sirt4、Sirt5位于线粒体，Sirt6位于细胞核，Sirt7则位于核仁[4]。Sirt7基因位于17号染色体长臂的25区3带，由9个内含子和10个外显子构成，其中3～8外显子编码依赖NAD+的催化结构域[5]。Sirt7广泛存在于组织器官中[6]，分子量44.9 kD，由402个氨基酸组成，其中核定位信号(LQGRSRREGLKRRQE)位于氨基端(氨基酸序号61～76)，而核仁定位信号(KRTKRKKVT)位于羧基端(氨基酸序号392～400)[7]，等电点为9.8[5]。

近年来对Sirt7的研究越来越多，它的生物学功能也逐渐被阐明，诸多研究成果被刊登在Nature[8]、Science Advances[9]、Molecular Cell[10]、Circulation Research[11]等国际顶级刊物上。除了去乙酰化酶活性，Sirt7还具有腺苷二磷酸(adenosine diphosphate，ADP)-核糖基转移酶[12]、去琥珀酰化酶[13]和去戊二酰化酶[10]等活性。另外，Sirt7还能与损伤特异性DNA结合蛋白1(damage-specific DNA binding protein 1，DDB1)/ cullin 4/DDB1-cullin 4相关因子1[14]、Suv39h1/Sirt1[15]、哺乳动物雷帕霉素靶体蛋白/ RNA聚合酶Ⅲ转录因子复合体2[16]、Myc[17]、核呼吸因子1[18]和Elk4[19]等作用，进而调节其功能，目前调节机制尚不清楚。Sirt7的众多功能使其参与基因组稳定[20]、RNA转录调节[21]、应激抵御[17]和代谢调控[19]等多种活动(Fig.1)，在癌症[22]、脂肪肝[17]、心肌肥大[23]和卵细胞形成[24, 25]等病理/生理活动中扮演重要角色。

Fig.1 The biological functions of Sirt7 Sirt7 plays important roles in maintaining genome stability, regulating RNA transcription, resisting stress response, regulating metabolism and inflammation, etc.

1 维持基因组稳定

1.1 DNA损伤修复

在DNA损伤剂阿霉素处理下，HEK293 T细胞内大量表达的Dicer(RNase III 家族成员之一)可与Sirt7直接相互作用，将Sirt7从细胞核转运至细胞质，组蛋白H3K18乙酰化水平上升，降低基因组的稳定性[26]。过表达Sirt7可以抵御Dicer的作用，抑制阿霉素处理引起的DNA损伤以及细胞凋亡[27]。当DNA双链断裂时，共济失调毛细血管扩张突变(ataxia telangiectasia mutated，ATM)蛋白K3016被组蛋白乙酰化酶TIP60催化发生乙酰化修饰从而被激活，进而招募下游信号分子到DNA损伤位点，对受损DNA进行修复。DNA损伤修复完成后，ATM K3016结合的乙酰基团必须被去除以失活ATM，避免下游信号分子持续作用导致细胞凋亡[28]。因此，当DNA损伤修复接近完成时，Sirt7会结合到染色质上对损伤位点的ATM进行去乙酰化，逐步失活ATM，避免ATM持续活化引起的细胞凋亡[29]。DNA损伤激活的多聚(ADP-核糖)聚合酶1(poly (ADP-ribose) polymerases 1，PARPs)也会引导Sirt7结合到染色质的受损部位[20]。Sirt7去乙酰化H3K18后，大量p53结合蛋白1被招募到DNA损伤部位，利用非同源末端连接方式修复受损的DNA[20]。此外，Sirt7可以催化去除DNA损伤部位H3K122的琥珀酰基团，共同促进DNA修复[13]。

1.2 R环解旋

R环是由RNA:DNA杂交片段和DNA非模板链组成的三链核酸结构，其形成原因包括基因转录合成的RNA分子不能与模板DNA链分开、RNA分子重新与DNA链杂交等。R环的存在易导致基因突变，同时对DNA复制和同源重组等也会产生不利影响。DEAD 盒RNA解旋酶(DEAD-box RNA helicase，DDX21)能够解开R环进而抑制R环导致的基因突变。然而，DDX21发生乙酰化修饰会降低其解旋酶活性。Sirt7能催化去除DDX21的乙酰基团，促进R环的解旋，保护基因组稳定性[30]。

1.3 染色质重塑

当细胞内Sirt7缺乏时，Sirt1会催化去除自身K230的乙酰基团呈高度活化状态，进而激活甲基转移酶Suv39h1催化组蛋白H3K9高度甲基化，导致臂间异染色质结构紊乱。反之，细胞内Sirt7处于正常水平时会与Suv39h1形成复合物，抑制Suv39h1的甲基转移酶活性，间接调控染色质组蛋白的甲基化水平，从而避免染色质结构的改变[15]。由中度重复序列构成的失活rDNA需要被压缩为异染色质，以避免同源重组导致基因组不稳定及核仁结构的破坏。Sirt7不仅直接催化组蛋白H3K18的去乙酰化，还可以募集Sirt1与DNA甲基转移酶1形成复合物聚集到rDNA上，促进rDNA甲基化。Sirt7缺乏将导致组蛋白乙酰化程度增加、rDNA甲基化程度降低、核仁结构碎片化和rDNA重复缺失[31]。

着丝粒蛋白A是组蛋白H3的特异性变体，可取代H3参与核小体的组装。霍利迪连接识别蛋白是着丝粒蛋白A的伴侣蛋白质，协助着丝粒蛋白A/组蛋白H4前核小体复合物的形成。组蛋白乙酰转移酶1催化H4的K5及K12基团乙酰化，进而稳定着丝粒蛋白A/H4前核小体复合物。组蛋白乙酰转移酶1自身高乙酰化水平伴随其催化活性的降低。Sirt7能够特异性降低组蛋白乙酰转移酶1乙酰化水平，维持着丝粒蛋白A/H4前核小体复合物中H4K5、H4K12的乙酰化水平，从而确保着丝粒蛋白A核小体正确组装，维持染色体在有丝分裂过程中的稳定[32]。

除了去乙酰化及去琥珀酰化酶活性外，Sirt7还具有去戊二酰化酶活性，能够催化去除H4K91的戊二酰基团，进而调节染色质结构，维护基因组的稳定性[10]。

2 调节转录

2.1 rRNA

Sirt7与B-WICH家族成员、上游结合因子、RNA聚合酶(RNA polymerase，RNA Pol)I形成转录起始复合体，有利于转录的发生。Sirt7敲低引起RNA Pol I最大组分RPA194蛋白含量下调[33]。在新生rRNA前体存在下，Sirt7可以催化聚合酶相关因子53(polymerase associated factor 53，PAF53)K373去乙酰化，去乙酰化的PAF53通过与RNA Pol I和上游结合因子相互作用，促进RNA Pol I结合在rDNA启动子，从而促进rRNA前体的合成。当细胞处于能量胁迫时，Sirt7从核仁转移到核质中，PAF53乙酰化水平增加，RNA Pol I与启动子的结合下降；腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate activated protein kinase，AMPK)被激活，进而磷酸化RNA Pol I转录起始因子TIF-IA，两方面共同影响RNA Pol I的活性[21]。另外，AMPK还能催化Sirt7 T153发生磷酸化修饰，促进26 S蛋白酶体的激活物复合物亚单位3与Sirt7相互作用，引导Sirt7从核仁穿梭至核质，并被蛋白酶体降解，最终减少rRNA的生成[34]。

在细胞分裂间期，Sirt7催化去除核仁小核糖核蛋白的主要成分核仁纤维蛋白的4个赖氨酸位点(K102，K121，K205，K206)乙酰基团，从而激活核仁纤维蛋白的甲基转移酶活性。核仁纤维蛋白进而催化组蛋白H2AQ104甲基化，促进rRNA前体的生成、甲基化和成熟[35]。当细胞进入有丝分裂时，核仁纤维蛋白离开核仁组织区域，而Sirt7继续与上游结合因子相互作用滞留在核仁组织区域的染色质上，一方面核仁纤维蛋白不受Sirt7的调控而发生高度乙酰化，H2AQ104甲基化水平下降，rRNA生成受阻[35]，45 S rRNA前体的剪切成熟受到抑制[36]；另一方面，成熟促进因子(细胞周期蛋白依赖性激酶1-细胞周期蛋白B复合体)催化Sirt7磷酸化，使Sirt7失去促进rRNA转录的能力[37]。当有丝分裂结束时，Sirt7发生去磷酸化而重新活化，催化核仁纤维蛋白去乙酰化促进rRNA转录再生核仁[35]。Sirt7也可以催化U3 核仁小核糖核蛋白主要成员相关蛋白U3-55K的去乙酰化，促进rRNA前体的正确剪切生成成熟的18 S rRNA[38]。

2.2 mRNA

mRNA由RNA PolⅡ进行转录，分为转录起始、转录延伸和转录终止3个阶段。其中，转录延伸又可以分为早期延伸阶段和晚期延伸阶段(高效延伸)。早期延伸阶段，RNA PolⅡ从转录起始点开始转录一小段RNA后暂停转录。正向转录延伸因子(positive transcription elongation factor b，p-TEFb)由细胞周期蛋白依赖激酶9和细胞周期蛋白T1组成，是介导RNA PolⅡ从暂停状态进入高效延伸阶段的关键调控因子。在人体细胞中，p-TEFb与7SK核小核糖核蛋白结合而处于非活化状态。Sirt7可以促使p-TEFb与7SK 核小核糖核蛋白分离，催化细胞周期蛋白依赖激酶9 K48去乙酰化，进而激活细胞周期蛋白依赖激酶9的激酶活性，细胞周期蛋白依赖激酶9催化RNA PolⅡ羧基末端结构域S2磷酸化，促进RNA PolⅡ沿着DNA模板向前移动，进入高效转录阶段[39]。

2.3 tRNA

除了调节rRNA及mRNA生成外，Sirt7也能够与哺乳动物雷帕霉素靶体蛋白及RNA聚合酶Ⅲ转录因子复合体2相互作用形成复合体，促进RNA PolⅢ转录生成tRNA[16]。

3 抵御应激

3.1 未折叠蛋白质反应

内质网是真核细胞内重要的膜性细胞器，确保新合成多肽链的正确折叠，并通过质量控制机制识别错误折叠的蛋白质，通过蛋白酶体、溶酶体和自噬途径促进错误折叠蛋白质的降解。一些刺激因素，例如氧化应激、缺氧、和炎症等会导致内质网功能障碍, 引起内质网中未折叠或错误折叠蛋白质的累积，诱发内质网应激，与包括脂肪肝在内的多种疾病的发生密切相关[40]。内质网应激会触发未折叠蛋白质反应，通过改善蛋白质折叠、促进质量控制机制和降解途径来减少错误折叠蛋白质的数量，促进细胞存活，但在严重的内质网应激下，未折叠蛋白质反应不能使细胞恢复内质网稳态，最终将引发细胞凋亡。Myc可以与核糖体蛋白启动子特异性结合，激活核糖体蛋白基因转录，促进核糖体的合成[41]。在衣霉素或毒胡萝卜素等内质网应激的化学诱导剂刺激下，内质网应激调节因子X-盒结合蛋白(X-box binding protein1，XBP1)被活化为激活形式XBP1s，与Sirt7基因启动子结合，促进Sirt7基因的转录和翻译，减少内质网应激蛋白质的表达。另外Sirt7与Myc特异性结合，抑制核糖体蛋白基因的转录，减少了核糖体数量，进而减少错误折叠蛋白质的累积，最终缓解未折叠蛋白质反应[17]。

线粒体内蛋白质合成稳态失衡也会激活未折叠蛋白质反应。核呼吸因子是由核基因编码的调控线粒体呼吸链合成的转录因子，有核呼吸因子1和核呼吸因子2两种。核呼吸因子1调节转录的下游靶基因与线粒体的生物合成密切相关，包括线粒体核糖体蛋白和线粒体翻译因子等。Sirt7可以与结合在近端启动子上的核呼吸因子1结合，减少靶蛋白的转录和翻译，抑制线粒体生物合成及代谢活性，同时也抑制未折叠蛋白质反应相关蛋白质的表达，抵御未折叠蛋白质反应引起的细胞活性丢失[18]。

3.2 氧化应激

Sirt7在抵御氧化应激诱发的细胞功能障碍中发挥关键作用。与正常小鼠相比，Sirt7基因敲除小鼠的心肌退行性肥大，心肌细胞内p53乙酰化水平显著上升，且对H2O2应激极为敏感[42]。

卵母细胞质量对胚胎发育和妊娠结局至关重要。活性氧会引起卵母细胞减数分裂过程中染色体错位、纺锤体紊乱，导致子代胚胎的发育滞后甚至停滞。与正常饮食喂养的小鼠相比，高脂饮食喂养12周的小鼠的卵母细胞内Sirt7含量显著下降，伴随活性氧含量显著上升。如果在高脂饮食喂养小鼠卵母细胞内过表达Sirt7，可以抑制减数分裂过程中活性氧生成，使染色体及纺锤体功能恢复正常，对调节卵母细胞的质量至关重要[25]。

4 代谢调控

4.1 糖代谢

肝的Sirt7特异性敲除可以抑制糖异生和改善糖耐量[43]，甚至拮抗高脂饮食条件下的胰岛素抵抗[14]。泛素特异性肽酶7与Sirt7相互作用并清除Sirt7 K63位点的多聚泛素链，抑制Sirt7与葡萄糖-6-磷酸酶启动子的结合，导致葡萄糖-6-磷酸酶表达下降，使糖异生受阻。当细胞处于葡萄糖缺乏的环境中，泛素特异性肽酶7与Sirt7的相互作用减弱，Sirt7依赖转录因子Elk4与葡萄糖-6-磷酸酶启动子的结合增强，促进葡萄糖-6-磷酸酶表达，糖异生增强，进而维持细胞内葡萄糖稳态[19]。

4.2 脂质代谢

在肝细胞内，Sirt7可以直接与E3泛素连接酶复合物—DDB1/cullin 4/DDB1-cullin 4相关因子1相互作用，阻止孤儿核受体4经多聚泛素化-蛋白酶体途径降解。孤儿核受体4下游靶基因表达增加，进而促进脂肪酸的摄取、甘油三酯的合成与储存。Sirt7基因敲除小鼠能够抵抗高脂饮食引起的脂肪肝，肝中甘油三酯含量显著减少[14]。

Sirt7在早期脂肪细胞前体细胞和前脂肪细胞中过表达，促进脂肪细胞分化。微小RNA93能够抑制Sirt7蛋白表达，进而减少脂质生成，限制脂肪细胞前体的自我更新及脂肪细胞的生长[44]。

4.3 线粒体功能

Sirt7催化核转录因子GA结合蛋白(GA binding protein，GABP)β1的K69、K340和K369位点去乙酰化，促进GABPα/GABPβ异四聚体的形成，进而调节线粒体呼吸链复合体蛋白质的表达及呼吸控制率，促进线粒体功能稳定[45]。另外，蛋白质精氨酸甲基转移酶6能直接和Sirt7相互作用，并催化Sirt7 R388位点甲基化，抑制Sirt7对H3K18的去乙酰化作用，引起Sirt7靶基因启动子处H3K18高度乙酰化，促进线粒体生成及维持线粒体正常功能[46]。

5 调节炎症反应

脂多糖及博来霉素处理的小鼠肺组织中Sirt7表达都显著下降，伴随大量炎性因子过量表达，血管通透性增加，细胞连接蛋白质丢失。脂多糖诱导的肺部炎症模型中，尽管Sirt7缺失会抑制血管内皮细胞的促炎反应及NF-κB信号传递，但是内皮间质转化的诱导破坏了内皮细胞之间的连接，增加血管通透性，同时Sirt7缺失加重了上皮炎症反应，加剧肺组织炎症的发展[47]。

Sirt7敲除能够降低炎性因子的表达，进而抵抗顺铂诱导的急性肾损伤。Ras相关核蛋白(Ras-related nuclear protein，Ran)是真核细胞中含量丰富的小分子GTP酶，在核转运过程中具有十分重要的作用。在人胚胎肾细胞HEK293 T中，Sirt7会催化去除Ran K37位点的乙酰基团，破坏了Ran/染色体区域稳定蛋白1复合体的稳定性及核质转运功能，导致NF-κB的重要组分p65蛋白无法核输出，NF-κB复合体无法正常形成，NF-κB介导信号转导被阻断，炎性因子的表达受到抑制，进而有效缓解了肾上皮细胞炎症[48]。

6 其他

Sirt7催化叉头框蛋白O4去乙酰化，增强叉头框蛋白O4结合到谷氨酰胺酶1启动子的能力，进而抑制谷氨酰胺酶1表达，阻断博来霉素诱导的肺纤维化[49]。

Sirt7催化GATA4 K311位点去乙酰化，抑制了GATA4对心房利钠肽、脑利钠肽等下游基因的转录激活作用，减缓苯肾上腺素诱导的心肌肥大[23]。

K612位点乙酰基团被Sirt7催化去除后，活化T细胞的核因子c1会经蛋白酶体活化复合物3依赖的蛋白酶体降解，从而促进毛发从静止期进入生长期，加速毛发的生长[50]。

此外，Sirt7还可以诱导间充质细胞向上皮细胞的转化[51]，调节细胞外基质组分的重建[52]，并且具有体温周期诱导的昼夜节律性表达的特点[43]。

7 问题与展望

作为Sirtuin家族成员之一，Sirt7的生物学功能近年来备受研究者关注。除了Sirtuin家族成员共有的去乙酰化酶活性外，Sirt7还具有ADP-核糖基转移酶、去琥珀酰化酶、去戊二酰化酶等活性，赋予其维持基因组稳定、调节RNA转录、抵御应激、调控代谢及炎症等功能，在多种病理生理活动中扮演重要角色。

然而，Sirt7诸多病理生理功能的调节机制细节仍不甚明了，需要进一步深入探讨。例如，Sirt7负调节缺氧诱导因子的蛋白质水平及转录活性，调节过程既不依赖Sirt7的去乙酰化酶活性，也不是通过经典的脯氨酸羟基化介导的蛋白酶体或者溶解体降解途径，具体涉及的机制目前并不清楚[53]；Sirt7去乙酰化酶活性与其作为辅转录因子调控下游基因表达的关系仍不明[19]等。

另外，Sirt7在肿瘤发生发展中的作用仍然极具争议性：Sirt7促进滤泡状甲状腺癌细胞FTC-133、甲状腺乳头状癌细胞TPC-1及甲状腺癌细胞C643 的增殖、迁移及浸润能力[54]，肝癌细胞Hep3B及SMMC7721的增殖[55]，血管肉瘤细胞ISO-HAS的增殖及浸润[56]，但是抑制小鼠乳腺癌 4T1细胞[57]及口腔鳞状细胞癌细胞HSC3、OECM1、OC3、SCC4和SCC25的肺转移[58]。Qi等[59]发现，Sirt7抑制结肠癌细胞HCT116的增殖，Yu等[60]则发现，Sirt7促进结直肠癌细胞HCT116及THC8307 的迁移及浸润。因此，仍需要大量的深入研究来阐明Sirt7在病理生理活动发生发展中的作用，为开发靶向疾病治疗药物提供参考。