SIRT6蛋白在肝脏能量稳态中的调控作用

程义尧 韩小娟 徐文静

组织或细胞中的葡萄糖、脂肪酸和氨基酸等能量物质一直处于动态平衡,维系细胞能量稳态,肝脏是人体最大、最重要的能量代谢器官。随着生活方式的改善,热量摄入过多是导致机体能量失衡的重要原因。常表现为肥胖、非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)、非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis,NASH)、胰岛素抵抗、T2DM等代谢性疾病。NAFLD目前流行的学说为“二次打击”学说,初次打击是肝细胞内脂质蓄积,为疾病的初始阶段,肝内脂质蓄积过多主要是由于肝脏甘油三酯的来源增多或去路减少,导致代谢紊乱和胰岛素抵抗;二次打击是脂质氧化和应激,表现为氧化应激和炎症增加[1]。在此条件下,NAFLD易发展为非酒精性脂肪肝炎,相较于肝脏普通炎症,NASH更易发展为肝纤维化甚至肝细胞癌。

沉默信息调节蛋白(silent information regulatory protein, Sirtuin)家族蛋白是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖的去乙酰化酶,具有NAD+依赖性的去乙酰化酶活性及ADP-核糖基转移酶活性等作用[2]。目前,哺乳动物已发现7种Sirtuin家族蛋白,每种都包含保守的Sirtuin核心结构域,该结构域赋予NAD+依赖性的去乙酰化酶作用。Sirtuin家族在机体的生理和病理过程中均发挥重要作用。SIRT6首次由人脾cDNA文库中克隆,位于细胞核中,具有多种酶活性,包括:NAD+依赖性的去乙酰化酶活性、去琥珀酰化酶活性和去甲基化酶活性。目前SIRT6被研究较深入的功能是其乙酰化酶作用,已鉴定出组蛋白H3的三个赖氨酸位点为SIRT6去乙酰化底物,分别为H3K9、H3K18、H3K56位点。此外,SIRT6也能使多种非组蛋白底物去乙酰化[2]。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[3]。近年来,SIRT6在代谢相关性疾病,尤其是维持肝脏能量稳态方面的调控能力越来越受到关注。

一、SIRT6对糖代谢的影响

SIRT6是葡萄糖稳态的调节因子,主要与葡萄糖摄取、胰岛素分泌和敏感性、糖异生有关。在以往研究中,SIRT6基因敲除小鼠在早期即出现致命性低血糖,SIRT6缺乏导致葡萄糖转运蛋白-1(glucose transporter type-1,GLUT1)、胰岛素受体底物1/2和胰岛素受体表达也有所增加,从而激活AKT信号通路,组织葡萄糖的摄取增加,发生低血糖状态[4-6]。在喂养小鼠时升高血糖即可增加突变小鼠的存活率[7]。胰腺β细胞的葡萄糖传感能力由循环中葡萄糖浓度变化而激活。SIRT6通过去乙酰化插头框蛋白-1(forkhead box O1,FoXO1),增加胰岛素促进因子-1、GlUT2的表达,维持胰腺β细胞的葡萄糖传感能力和系统糖耐量[8]。SIRT6可能通过维持线粒体功能和调节细胞内Ca2+动态来调节胰岛素分泌[9],但胰腺β细胞若长期暴露于游离脂肪酸较高的环境中,会导致β细胞功能障碍或致细胞凋亡[10]。SIRT6对棕榈酸诱导下的胰腺β细胞功能及存活也具有一定保护作用[11]。

β细胞功能障碍是T2DM病理生理学的重要原因[4]。SIRT6具有促进胰腺胰岛素分泌、抑制肝糖异生和甘油三酯合成以及缓解肥胖的功能。在使用一些胰岛素增敏剂(RGZ)时,SIRT6通过参与RGZ介导的代谢作用,对肝细胞脂肪变性具有一定保护作用[9],而SIRT6的抑制剂可增加和骨骼肌中GLUT-1/4的表达改善2型糖尿病模型小鼠的糖耐量异常[12]。而过表达SIRT6后,高糖诱导的细胞凋亡和氧化应激通过激活AMPK途径得到缓解[13]。SIRT6还具有抑制肝脏糖异生作用,糖异生作为非糖物质的转换,在肝脏中是甘油、丙酮酸等糖异生前体的一种代谢途径。磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)是糖异生过程中重要的两种限速酶。FoxO1是G6Pase和PEPCK的关键转录因子,在细胞核中作用于PEPCK和G6Pase的启动子,从而加强转录过程,加速肝脏中葡萄糖的生成[14]。SIRT6肝脏特异性敲除小鼠显示过氧化物酶增殖物激活受体γ辅助活化因子-1(PGC1)和FoxO1被过度激活,糖异生减少[15]。PGC1与线粒体发生密切相关,并能与多种核受体及转录因子相互作用,调控糖代谢稳态。P53作为一种肿瘤抑制因子,通过激活FoxO1促进其自细胞核转位至细胞质,从而影响PEPCK和G6Pase的转录。当FoxO1 与SIRT6相互作用时,利用SIRT6的去乙酰化作用为FoxO1出核铺垫。P53激活后SIRT6表达增加,进而导致SIRT6与FoxO1的相互作用增加,FoxO1易位后,PEPCK和G6Pase表达下降,从而抑制肝脏糖异生[16]。

二、SIRT6在脂肪酸代谢中的作用

SIRT6肝脏特异性敲除小鼠肝脏中脂质蓄积增多,肝脏脂肪变性增加,表现为脂肪酸摄入增加,甘油三酯合成增加,肝内甘油三脂、胆固醇水平显著升高;脂肪酸β氧化减少,促进脂肪肝形成。SIRT6脂肪组织特异性敲除导致高脂饮食诱导下胰岛素抵抗,肥胖敏感[17]。

脂肪酸脂解作为肝脏脂肪细胞的甘油三酯的一条去路,脂解减少可导致甘油三酯在肝脏脂肪细胞中蓄积。SIRT6通过对脂肪甘油三酯脂肪酶(ATGL)的表达调控以及磷酸化激素敏感性甘油三酯脂肪酶(HSL)和脂滴包被蛋白-1(Perilipin-1)调控脂解。在过表达SIRT6的脂肪细胞中,ATGL的蛋白水平以及HSL和Plin-1的磷酸化水平较高,减少了甘油三酯在肝脏脂肪细胞中的蓄积。上述机制可能SIRT6 乙酰化FoxO1来抑制其对ATGL基因启动子的占据,从而达到调控脂解的作用。SIRT6的敲除促进了FoxO1的核输出及其细胞质积累,FoxO1转录活性降低[18]。

(一)SIRT6增强脂肪酸β氧化 β氧化即脂肪酸经活化后转移入线粒体生成乙酰CoA,后乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化,释放大量ATP,是脂肪酸分解的关键步骤。SIRT6杂合子小鼠的基因表达分析可发现过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferators-activated receptors α,PPARα)信号通路显著降低,该信号通路调节多种能量代谢途径,PPARα可通过上调肉碱棕榈酰转移酶-1和中链酰基辅酶A脱氢酶,增强肝脏脂肪酸β氧化。SIRT6不能使PPARα直接去乙酰化,而是通过对PPARα的共激活因子NCOA2 K780去乙酰化,从而导致PPRE染色质的组蛋白乙酰化转移酶乙酰化增加,进而激活PPARα依赖的信号[19]。同时,上文中提到SIRT6敲除小鼠中 PGC1a 活性的增加,PGC1α 是 PPARα 的主要激活剂,PPARα通过调控靶基因消耗能量,表现为脂肪酸氧化增加,甘油三酯合成下降,HDL升高,LDL下降。目前,对SIRT6和PPARα的相互作用途径尚不完全清楚,但可以确定二者均位于脂质代谢网络的中心,共同调节脂肪酸代谢[15]。

(二)SIRT6抑制肝脏脂质生成 固醇调节元件结合蛋白-1(SREBP1)、肝脏X受体α(LXRα)是肝脏促进脂肪生成中的关键调节因子[20]。在高脂高糖胆固醇饮食下的SIRT6肝脏特异性敲除小鼠模型,肝脏中SREBP1-c1的蛋白水平显著升高。SIRT6敲除肝细胞中的pSREBP1(SREBP1前体)、mSREBP1(SREBP1成熟体)、LXRα/β和SREBP1靶基因lipin 1、SCD1和ELOVL5表达水平增加[21]。上述基因表达增加均可导致脂肪酸合成增加,促进肝脏脂质蓄积。

在SIRT6特异性敲除的小鼠肝原代细胞中,甘油三酯含量明显增加,SIRT6过表达小鼠高脂饮食条件,肝脏游离脂肪酸和甘油三酯显著增高,参与甘油三酯合成的关键基因,同时也是PPARγ的靶基因甘油酰基转移酶(diacylglycerolacyltransferase,DGAT1)表达明显下降。肥胖与超重情况下,皮下脂肪组织中DGAT1减少,而肥胖中DGAT1水平的下降也可导致炎症反应。缺乏SIRT6,脂肪组织特异性敲除SIRT6,会引起DGAT1表达的增加,促进小鼠高脂饮食诱导的肥胖引起炎症反应的发生并降低胰岛素敏感性[22],更易形成脂肪肝。

三、SIRT6缺乏影响肝脏酮生成

酮体是脂肪酸氧化代谢过程中的中间代谢产物,包括乙酰乙酸、β羟丁酸和丙酮。通常酮体在肝脏内生成,后运出肝脏在其他组织被利用。酮生成由肝脏脂质代谢信号网络控制。生酮饮食下,肝细胞特异性SIRT6敲除小鼠酮生成受损,而小鼠原代肝细胞中SIRT6的过度表达促进了酮生成。SIRT6通过影响线粒体利用脂肪酸底物从而影响酮生成。脂肪特异性蛋白-27(fat-specific protein 27,Fsp27)是一种脂质包被蛋白,通过限制脂质的利用,起到脂肪酸氧化的屏障作用。而脂解抑制剂 G0/G1 开关基因-2(G0S2)蛋白主要功能是直接与脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)结合,从而抑制ATGL脂肪水解,促进脂质聚集。Fsp27和G0S2是Crebh(反应元件结合蛋白H)的直接靶基因。在高酮饮食下,SIRT6缺乏引起Fsp27表达增加,其机制可能是SIRT6与Crebh竞争性抢占Fsp27启动子,抑制Fsp27和G0s2的表达,从而影响肝脏酮生成[23]。

四、SIRT6缺乏增加蛋白质合成

在长期高热量进食条件下,蛋白质合成的增加会引起内质网应激,进一步引起VLDL受体上调、介导脂质摄取,从而导致肝脏脂肪变性。SIRT6基因敲除小鼠中,肝细胞脂肪变性,未折叠蛋白反应上调[24]。X框结合蛋白(Xbp1)是一种转录因子,可增加内质网生物发生以及蛋白质分泌的特定基因和相关分子伴侣的表达。SIRT6直接介导XBP1s去乙酰化,使XBP1在Lys65、Lys146、Lys257和Lys297位点去乙酰化,并依赖其去乙酰化活性,导致XBP1的蛋白酶体降解。NAFLD患者相较于健康受试者,肝组织中XBP1s的总水平和乙酰化水平明显高于健康对照组,而SIRT6蛋白水平在NAFLD患者中降低,也支持SIRT6 表达的降低和乙酰化的一致性[25]。

而在Ravi等[26]的实验中发现SIRT6可在不依赖其催化活性的情况下调控蛋白质合成。mTOR是细胞中有关蛋白质合成的重要调控因子,在一定条件下,mTORC1复合物由上游激活因子Rheb激活,通过其下游靶蛋白p70核糖体S6激酶和真核起始因子eIF4E结合蛋白4EBP的磷酸化来正向调控帽依赖翻译及EJC相关的翻译。在SIRT6缺陷细胞中,mTOR和Rheb水平增加,mTOR信号通路被异常激活。SIRT6促进细胞中mTOR和Rheb与溶酶体共定位,可提高mTORC1活性[27],过表达SIRT6则会抑制蛋白质的合成,而SIRT6的缺乏会使总体蛋白质合成上调。同时,SIRT6与构成性转录因子-1(Sp1)DNA结合区域的锌指结构结合后,不需要依赖其去乙酰化酶活性,调节Sp1在mTOR信号基因启动子上的占位,从而调节其转录活性,蛋白质翻译也可被过度激活。

五、SIRT6缓解氧化应激

氧化应激是体内氧化与抗氧化作用失衡的一种状态,导致中性粒细胞炎性浸润,蛋白酶分泌增加,产生大量氧化中间产物,包括ROSs、O2-、·OH和H2O2等。机体清除活性氧及亲电子体主要依靠Nrf2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,核红细胞-2相关因子-2),Nrf2最主要的功能是调节氧化还原循环,维持氧化还原稳态,主要通过合成或调节谷胱甘肽和巯基特异性抗氧化蛋白。

SIRT6依赖其去乙酰化酶活性在Nrf2-ARE信号通路激活中发挥作用,SIRT6促进Nrf2与其抑制蛋白解离,核转位增加,增强下游靶基因的调控。SIRT6介导的 Nrf2激活可保护间充质干细胞免受 ROS 的损伤[28]。Nrf2下游靶基因血红蛋白氧合酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)是抗氧化酶,生理情况下,HO-1基因表达水平较低,氧化应激情况下,HO-1基因快速激活,但在SIRT6缺失情况下,即使氧化应激刺激HO-1基因也不能被激活,提示SIRT6的单ADP-核糖基化活性对于HO-1的激活是至关重要的,SIRT6通过调控募集到Nrf2调控的HO-1基因启动子区域来保护细胞免受氧化应激损伤,这为SIRT6参与抗氧化应激提供了新的机制。

肝脏抗氧化应激基因Mt1过表达可改善SIRT6缺陷小鼠乙醇诱导的肝脏损伤和酒精性脂肪肝, Mt1过表达后,肝脏内H2O2含量降低,谷胱甘肽水平增高、抗氧化基因的表达增高,说明Mt1在一定程度上缓解肝脏氧化应激[29]。肝细胞特异性SIRT6敲除小鼠高脂高糖饮食16周后,小鼠肝纤维化和氧化应激及相关基因表达都有明显上升[30]。以上研究结果均提示SIRT6在缓解氧化应激中起重要的调控作用。

展望

已有的研究结果证实 SIRT6 作为一种组蛋白去乙酰化酶,在肝脏能量稳态中的多个环节发挥重要调控作用,主要功能体现在对糖代谢、脂质代谢和蛋白质代谢的调控,见图1。各种原因的SIRT6 功能紊乱,均可引起或加重疾病的发生发展,如在肝脏,可引起NAFLD,大量肝细胞反复脂肪变性和水肿,病情进一步进展则可能出现肝细胞坏死、星状细胞激活、炎症通路激活发展为NASH,部分患者甚至进展为肝硬化、肝癌。同时,SIRT6 也通过不同的信号通路在肝脏炎症、肝纤维化过程发挥保护作用。虽然还需要基础实验和临床研究取得更详实确切的结果,但SIRT6可通过维持肝脏能量稳态和缓解氧化应激,为SIRT6激动剂研发,为NAFLD和NASH治疗靶点的研究提供新思路、新靶点。

利益冲突声明:所有作者均声明不存在利益冲突。