SIRT1与代谢性疾病

(中南大学药学院湖南长沙410013)【摘要】哺乳动物Sirtuin家族是一类由SIRT1-SIRT7组成的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖的组蛋白/非组蛋白去乙酰化酶。其中，SIRT1是目前研究最多，也是研究最为深入的sirtuin家族成员。本文就近年来对SIRT1与2型糖尿病、肥胖症等代谢性疾病间的治疗靶标及机制研究进展做一综述。【关键词】SIRT1；组蛋白去乙酰化酶；能量代谢【中国分类号】R736.4【文献标识码】A【文章编号】1004-5511（2012）04-0424-02 糖尿病是一种由多种病因引发的以慢性高血糖为特征，伴有因胰岛素分泌和/或作用缺陷引起的糖、脂肪和蛋白质代谢异常的代谢紊乱性疾病。其中以胰岛素抵抗，伴胰岛素分泌不足的2型糖尿病最为普遍。糖尿病发病率的逐年上升与现代人群中肥胖患病率的逐年增加紧密相关。肥胖症和2型糖尿病的发生与机体能量代谢失衡，以及机体内糖、脂肪和蛋白质代谢异常息息相关。而能量代谢过程中，各种关键酶的活性与含量是影响机体能量代谢的关键因素。SIRT1作为一种多功能的蛋白去乙酰化酶，因在延长寿命、细胞周期调控、细胞凋亡调节、物质代谢调节等众多细胞生理过程中发挥重要调节作用而备受关注。已有的研究结果表明，SIRT1对细胞存活与凋亡、糖脂代谢的调控作用在糖尿病、肥胖等疾病治疗中起着十分重要的作用。本文就SIRT1作为2型糖尿病、肥胖等代谢性疾病的潜在靶标的相关研究进展做一综述。1.哺乳动物Sirtuin蛋白家族1.1 哺乳动物Sirtuin蛋白的发现:早在约80年前，人们就发现限制大鼠的能量摄入可以显著延长大鼠的寿命，后来在多个实验物种如蠕虫、线虫、果蝇、芽殖酵母等中发现了热卡限制 (calorie restriction, CR) 可以延长实验物种的寿命，推迟哺乳动物衰老相关的疾病如动脉粥样硬化及糖尿病发生等。后来，科学家在芽殖酵母的基因转录研究中发现了沉默信息调节因子2 (silence information regulator 2, SIR2)，并发现其编码的小分子蛋白可能通过介导染色质、rDNA沉默和DNA修复作用，保持细胞基因组稳定性，从而延长细胞寿命［1］。从此，SIR2因与衰老及寿命延长的密切关系而受到广泛的关注。继发现SIR2之后，科学家又先后在不同物种中发现了数十种SIR2同系物。1999年，Frye等［2］在人体中发现了5个Sir2的同源基因, SIRT1-SIRT5。其后不久，又从人脾cDNA文库中克隆得到两个Sir2的人类同源基因SIRT6和SIRT7。它们共同组成了哺乳动物sirtuin家族。2000年，Frye等［3］通过系统进化分析，将在各种物种中发现的Sir2同系物分为五种类型：I，II，III，IV，V型。其中，人类的SIRT1，SIRT2和SIRT3属于I型；而SIRT4和SIRT5分别属于II型和III型；SIRT5和SIRT6则属于IV型成员。其中，SIRT1是人类细胞中与Sir2同源性最高的sirtuin家族成员，也是研究最多，最深入的。1.21.2Sirtuin蛋白结构与酶活性:人类Sirtuin蛋白的催化核心区域相当保守，由大约270个氨基酸残基组成，主要包含了大小两个结构域。较大结构域是一个由6个a-螺旋和6个β-折叠相互嵌合而成的Rossmann结构域，保守性较高，是NAD+的主要结合区域。而小结构域主要由1个锌指区和3个螺旋结构区组成。在大小两个结构域之间还存在着一系列环状结构和裂隙，它们共同组成了Sirtuin蛋白的催化活化活性口袋。乙酰化的底物和NAD+分别结合于该口袋的两端，与酶形成多元复合物。随后，乙酰化底物的乙酰基团上的羰基氧进攻核糖环上1’位碳，NAD+的烟酰胺核糖苷键断裂， 生成1’-氧代烷基酰胺中间物，并释放第一个产物——尼克酰胺。随后，1’-氧代烷基酰胺中间体的2’-羟基去质子化，发生分子内反应，组氨酸残基的氢键与烟酰胺核糖的3’-羟基相连，进而形成1’-2’环状中间体。最后，在一分子水的作用下，赖氨酸的离去基团发生质子化作用，除去赖氨酸的ε-氨基，1’-2’环状中间体形成2’-氧代乙酰基-ADP核糖和去乙酰化产物。在生理条件下，2’-氧代乙酰基-ADP核糖可以可逆地转换成3’-氧代乙酰基-ADP核糖［1,2］。突变实验发现，该区域的氨基酸缺失可以导致Sirtuin酶活性的减弱甚至丧失［4］。2.2.SIRT1与能量代谢2.1 SIRT1与糖代谢:过氧化物酶体增殖物活化受体α的共活化物（PGC-1α, PPAR-γ co-activator 1α）是SIRT1的作用底物之一，激活控制着机体内能量和营养内环境的稳定、线粒体生成相关基因的表达、棕色脂肪组织的产热及禁食条件下肝脏代谢途径的转变等。在肝细胞中，SIRT1在生理条件下能够引起PGC-1α上赖氨酸残基去乙酰化，激活PGC-1α，从而抑制糖酵解，增加肝葡萄糖输出和肝脏糖异生基因表达作用，同时，调节线粒体功能，平衡体内能量，增加肌肉纤维氧消耗，诱导氧化磷酸化的发生和线粒体的生物生成［18］。禁食条件下，SIRT1通过控制糖代谢途径调节葡萄糖代谢。在禁食早期，糖异生作用被CREB及其辅助因子CRTC2激活；随着禁食时间的延长，丙酮酸和NAD+水平上升，SIRT1活性增加，随后触发的去乙酰化和泛素化，导致CRTC2不稳定，进而使得SREB活性下降。同时，SIRT1通过去乙酰化作用激活PGC-1α、FOXO1及STAT3，以在更长空腹时间里激活糖异生替代途径基因［1,5］。2.2 SIRT1与脂代谢:在脂肪形成过程中，脂肪生成相关因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPAR-γ）是影响其生成的关键调节因子。辅助因子NCoR 在白脂肪组织中，SIRT1通过结合并抑制脂肪生成相关基因PPAR-γ, aP2P及PPAR-γ 和SMRT，促进脂肪动员导致脂肪丢失、减少脂肪储存、调节脂肪细胞分化和脂肪再分布。SIRT1过表达或者被白藜芦醇 (RSV, resvertrol,) 激活会引起PPAR-γ介导的转录抑制，进而抑制脂肪生成，增加脂解作用和自由脂肪酸的释放。此外，SIRT1还可以去乙酰化并活化胆固醇与血脂稳态控制蛋白LXRα，调节肝脏中的胆固醇通量［1］。脂连素是脂肪细胞产生的一种激素，其胞浆浓度与肥胖呈负相关。在动物模型试验中，通过控制脂连素的浓度，可以增强HFD肥胖小鼠和脂肪萎缩性糖尿病小鼠低血糖下胰岛素敏感性，这说明脂连素对调节能量的体内平衡和糖脂代谢以及抵制胰岛素耐受和II型糖尿病有一定作用。在小鼠体内，FOXO1在脂连素基因启动子区与C/EBPα形成转录复合物。SIRT1通过去乙酰化FOXO1，增强FOXO1与C/EBPα间的相互作用，从而促进脂连素基因的表达，增加脂连素的胞浆浓度。SIRT1在进食条件下通过抑制促进脂肪细胞分化的核受体PPARγ，可激发脂解作用，动员游离脂肪酸代谢。同时，SIRT1通过调节FOXO1和PPARγ基因转录，可以调节脂连素等胰岛素敏感因子的产生或分泌。然而，SIRT1对脂肪组织胰岛素敏感性的影响仍需进一步的体内外模型研究［1,5-7］。在脂肪酸代谢过程中，乙酰辅酶A合成酶（AceCS1）等重要的酶也是SIRT1蛋白的去乙酰化底物。研究发现，SIRT1可以去乙酰化活化AceCS1，从而促进醋酸盐进入脂肪酸代谢。而SIRT1乙酰化底物PGC-1α还可以调节甾醇调节因子结合蛋白（SREBP-1C）的反应元件，而SREBP-1C又可控制脂肪酸合成酶、AceCS1、乙酰辅酶A羧化酶等的基因表达，这些酶则控制着脂肪的形成，是胰岛素反应的转录靶点［1,5,6］。

2.3 SIRT1与胰岛素分泌:UCP2蛋白是线粒体内膜质子通道上与ATP呼吸及细胞内ATP水平相关的蛋白，UCP2蛋白高表达，可致葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）和ATP水平下降。SIRT1通过与UCP2启动子区的结合，抑制UCP2基因的表达，减少其编码的线粒体内膜蛋白的生成，从而抑制线粒体中解偶联反应的发生，部分上调葡萄糖的激发胰岛素分泌作用，SIRT1过表达显著增强GSIS作用，改善葡萄糖耐受。此外，与正常小鼠相比，在HFD条件下，胰岛β细胞特异性SIRT1过表达(BESTO)小鼠通过增强GSIS，其葡萄糖耐受性显著改善。SIRT1也可以通过去乙酰化FOXO1和NF-κB亚基p65保护胰岛β细胞免受代谢胁迫和细胞因子诱导β细胞死亡的伤害。因此，SIRT1对外围胰岛素耐受引起的胰岛β细胞功能障碍有重要的抑制作用。另外，SIRT1通过去乙酰化FOXO1还可以促进NeuroD和MafA基因的活化和转录，增强对胰岛素分泌的保护作用和促进体内细胞生存。另有研究发现，与正常小鼠相比，胰岛素受体磷酸酶PTP1B敲除小鼠对胰岛素的敏感性更高，对饮食诱导的肥胖的耐受性也更强。而SIRT1可以与PTP1B相互作用，抑制骨骼肌肌管细胞蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)的磷酸化活性，活化胰岛素受体，从而改善骨骼肌胰岛素敏感性［1,5-7］。2.4 其他哺乳动物sirtuins与代谢性疾病:目前尚不清楚其他哺乳动物sirtuin家族成员与衰老相关的代谢性疾病之间的确切联系。线粒体sirtuin蛋白SIRT3-5因在能量代谢中的重要作用有可能成为潜在的代谢性疾病研究的新热点。其中，SIRT3可有效催化线粒体酶乙酰辅酶A合成酶2（AceCS2）去乙酰化，并激活AceCS2的活性。最近有报道称，低血糖或酮条件下，AceCS2缺陷小鼠出现严重的醋酸盐氧化不足，而醋酸盐氧化是ATP生成和机体产热所必需的生理代谢过程。相似的，小鼠SIRT3缺陷组织中也出现明显的ATP水平下降现象。而SIRT4则可以通过其ADP核糖基化作用，抑制胰岛β细胞中谷氨酸脱氢酶（GDH）活性，从而下调氨基酸刺激引发的胰岛素分泌。SIRT5通过介导尿素循环关键蛋白CPS1的去乙酰化和活化，影响机体氨基酸解毒过程。而这对膳食限制和胁迫条件下的氨基酸代谢非常重要。因此，对HFD条件下，SIRT3，SIRT4或SIRT5缺陷小鼠的代谢情况的研究将有助于进一步了解它们与2型糖尿病之间的关系［1,5,6］。参考文献［1］Imai S-I., Guarente L. Ten years of NAD-dependent SIR2 family deacetylases: implications for metabolic diseases. Trends in Pharmacological Sciences. 2010, 5, 212-220.［2］Frye, R. A. Characterization of ve human cDNAs with homology to the yeast SIR2 gene: Sir2-like proteins (sirtuins) metabolize NAD and may have protein ADP-ribosyltransferase activity. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1999, 260, 273–279.［3］Frye, R. A. Phylogenetic classi cation of prokaryotic and eukaryotic Sir2-like proteins. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2000, 273, 793–798.［4］Tanner KG, Landry J, Sternglanz R et al. Silent information regulator 2 family of NAD-dependent histone/protein deacetylases generates a unique product, 1-O-acetyl-ADP-rise ［J］. PNAS. 2000, 97(26)：14178-14182.［5］Guarente L. Sirtuins, aging, and metabolism. Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 2011, 23［6］Gillum MP., Erion DM. and Shulman GI. Sirtuin-1 regulation of mammalian metabolism. Trends in Pharmcological Sciences. 2011, 17, 8-13.［7］Knight JRP. And Milner J. SIRT1, metabolism and cancer. Current Opinion. 2012, 24, 68-75.

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