SIRT3与线粒体适应

马　路(综述)，杨　晔(审校)

(海军总医院干部心血管内科，北京100048 )



SIRT3与线粒体适应

马路△(综述)，杨晔※(审校)

(海军总医院干部心血管内科，北京100048 )

摘要：沉默交配型信息调节因子2同源蛋白3(SIRT3)是Sirtuins脱乙酰基酶家族中的一员，是酵母沉默信息调节因子2的同源物，是一种依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的Ⅲ类去乙酰化酶，它调节许多线粒体的蛋白质，这些蛋白质的功能关系到代谢、氧化应激及细胞存活。SIRT3是线粒体适应性反应的调节因子，调节线粒体对应激等的适应性反应，包括代谢程序重排、加强抗氧化剂的防御机制等。另外，调控SIRT3可能是治疗线粒体功能障碍疾病的一个有希望的靶点。

关键词：沉默交配型信息调节因子2同源蛋白3；线粒体；应激；细胞保护

在机体对海拔升高所致的缺氧适应性研究中发现，移居者主要依靠器官系统的功能性代偿适应，而世居者则更多地依靠组织和细胞的代谢适应，具体反映在线粒体的功能上，其产能效率和氧利用效率均增高，因而称之为“线粒体适应”[1]。随后研究相继发现，生物线粒体对冷热、气候、高原、不同强度的运动、急慢性缺氧状态以及氧化应激均可产生适应性反应。沉默交配型信息调节因子2同源蛋白3(silent mating type information regulation 2 homolog 3，SIRT3)是一种依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)的Ⅲ类去乙酰化酶，其在线粒体的适应性反应中起调节作用，包括对代谢程序的重排、提高抗氧化剂的保护作用等。对SIRT3进行调控可能是治疗线粒体功能障碍所导致的一些疾病的有益选择。

1线粒体适应概念的提出

线粒体适应是细胞在缺氧、氧化应激等条件下，线粒体形态及功能发生相应变化以调节代谢、加强抗氧化而保护细胞的适应性反应。

早在19世纪中叶，达尔文就提出了以自然选择为核心的生物进化学说，“物竞天择，适者生存”是《生物进化论》的核心观点。20世纪50年代人们发现，在金鱼对冷热温度变化的生理和生化适应中，其线粒体的氧化磷酸化发生了改变[2]。给动物肝细胞以1/3个标准大气压的纯氧3 d后，肝细胞线粒体可出现增大，并伴随单嵴、自体吞噬泡、多核糖体簇数量增多；2周后，部分线粒体出现髓鞘样结构，增大的线粒体开始回缩；90 d后肝细胞线粒体几乎恢复正常[3]。这是首次发现线粒体的变化是适应性反应，而不是毒性结果。随后研究发现，生物线粒体的适应性反应是对冷热、气候、高原、不同强度运动、急慢性缺氧状态以及氧化应激等刺激所产生的一种普遍现象[4]。

2SIRT3定位及功能

2.1Sirtuins家族沉默信息调节因子2 (silent information regulator 2，SIR2)是在研究酵母转录沉默时发现的。Sirtuins是SIR2同源家族蛋白成员的总称，其家族都是SIR2的同源物，包括SIRT1~SIRT7，主要分布于肝脏、肌肉、胰腺、睾丸、卵巢、脂肪组织及心脏。Sirtuins是高度保守的蛋白家族，其家族成员大部分拥有NAD+依赖的蛋白去乙酰化酶活性[5]。在哺乳动物的Sirtuins家族中，SIRT3、SIRT4、SIRT5定位于线粒体。

2.2SIRT3与线粒体功能所谓适应，就是自身对环境变化所作出的调节。与SIRT4和SIRT5缺陷鼠相比，SIRT3缺陷鼠肝脏和褐色脂肪组织的线粒体蛋白高度乙酰化[6]。SIRT3是线粒体基本的去乙酰化酶，而65%的线粒体蛋白是乙酰化赖氨酸，提示SIRT3对分子的修饰起着重要的调节作用[7]。SIRT3能调节线粒体功能的许多方面，包括代谢、ATP生成、调节氧化应激反应等，其处于线粒体功能调节的关键地位，是代谢功能和细胞生存的中枢调节因子。

SIRT3可使线粒体渗透性转移孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)的亲环蛋白 D去乙酰化，阻止亲环蛋白 D与腺嘌呤核苷酸转位子结合，抑制mPTP开放，从而减少线粒体损伤和破坏[8-9]。mPTP的开放可导致线粒体的膜电势迅速丧失，线粒体肿胀，并释放细胞色素C和其他小分子蛋白，最终导致细胞死亡。

2.3SIRT3 对信号转导通路的影响SIRT3 可激活心肌细胞叉头框蛋白O3a(forkhead box O3a，FOXO3a)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)及过氧化氢酶，从而清除氧自由基，抑制下游磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B、丝裂原活化蛋白激酶/细胞外调节蛋白激酶、真核细胞翻译启动因子4E、活化T细胞核因子及可识别GATA序列的转录因子4等的活性[10]。SIRT3抑制细胞核因子κB 信号途径，促进其下游的B细胞淋巴瘤2、SOD2蛋白的表达，抑制Bax蛋白表达，从而具有抗氧化应激诱导的心肌细胞损伤及凋亡作用[11]。SIRT3 通过去乙酰化核蛋白Ku70而抑制Bax活性，保护心肌细胞免于应激反应所诱导的死亡[12]。Pillai等[13]发现，SIRT3-人肝激酶B1基因-腺苷酸活化蛋白激酶信号途径具有抗心肌肥厚的作用。此外，SIRT3可通过激活过氧化物增殖激活受体协同激活子1改善线粒体功能，促进脂肪酸的氧化分解代谢，从而抗心肌肥大和心力衰竭[14-15]。

2.4SIRT3 对神经系统疾病的影响在肌萎缩性(脊髓)侧索硬化的细胞模型中，SIRT3的过表达减少了线粒体断裂和细胞死亡[16]。在人和鼠的阿尔茨海默病中均发现了SIRT3表达的增加[17]。在部分原代神经元细胞培养中发现，活性氧类(reactive oxygen species，ROS)产生增加，SIRT3表达上调，提示在阿尔茨海默病中SIRT3上调可能是线粒体对氧化应激增加所作出的反应[18]。

3SIRT3对线粒体代谢和能量稳态的调节

最早发现的SIRT3的基质有乙酰辅酶A合酶2(acetyl-CoA synthetase 2，AceCS2)和谷氨酸脱氢酶，提示SIRT3在线粒体的代谢过程中有调节作用[5,19]。AceCS2定位于线粒体，SIRT3将AceCS2去乙酰化后，AceCS2的活性增加[20]。AceCS2将醋酸盐转化到乙酰辅酶A，使乙酰辅酶A在代谢通路(包括柠檬酸循环)中发挥作用。SIRT3依赖性的去乙酰化也提高了谷氨酸脱氢酶的活性[21]。在限制卡路里摄入的实验中，谷氨酸脱氢酶和AceCS2活性的提高加速了摆脱依赖肝脏的糖酵解过程，提示SIRT3重新设置了代谢程序以保证线粒体呼吸链在低能量供应时能够有效继续[22]。研究发现，三羟基三甲基辅酶A合成酶、长链酰基辅酶A脱氢酶、鸟氨酸转氨酶均是SIRT3的作用基质，提示SIRT3在酮体生成、脂肪酸氧化及尿素循环中有调节作用[23-25]。Hirschey等[26]发现，人类SIRT3 基因的多态性与代谢综合征的易患性相关。总之，SIRT3处于线粒体代谢的中心调节位置，尤其是在营养供给改变的条件下，SIRT3在控制能量利用中起中心调节作用。

SIRT3依赖调节氧化磷酸化产生ATP，进一步调节线粒体内的能量稳态。蛋白组学研究显示，ATP合酶的2个亚基可能作为SIRT3的配体而与之起作用，SIRT3的过表达可减少ATP合酶的乙酰化水平[27]，而SIRT3-/-小鼠部分器官的ATP基础水平降低[28]。

4SIRT3对氧化应激和细胞生存的调节

研究显示，氧化应激损害可导致线粒体功能降低，最终导致细胞死亡，SIRT3依赖的调节能量稳态及抑制氧化应激在维持线粒体正常的功能中起重要作用[8-9]。SIRT3与电子传递链复合体Ⅰ和Ⅱ的亚基相互作用，导致此两种复合体的活性增加[29-30]，电子传递链抑制可导致线粒体ROS产生增加[17]。

Shi和Spelbrink[31]首先报道了SIRT3的过表达减少了脂肪细胞系ROS的产生，并伴有线粒体膜电势降低。SIRT3在心肌细胞的过表达可抑制线粒体ROS产生，而SIRT3-/-鼠心肌细胞ROS产生增加[10]。FOXO3a穿梭在细胞质与细胞核间，而SIRT3与FOXO3a的作用定位于线粒体[10,31-32]。FOXO3a被SIRT3去乙酰化所激活，上调线粒体SOD2和过氧化氢酶的表达。SOD2催化超氧化物解毒过程，其首先使超氧化物转化为过氧化氢(H2O2)，而过氧化氢酶又把H2O2转化成水[10]。

目前认为，SIRT3通过两种途径抑制ROS生成，异枸橼酸脱氢酶2 (isocitrate dehydrogenase 2，IDH2) 和SOD2是SIRT3的直接靶标[33-35]，IDH2被SIRT3去乙酰化后活性增加[22]。Someya等[33]研究发现，限制能量摄入可导致野生型小鼠肝脏的IDH2乙酰化水平降低，而在SIRT3-/-小鼠身上未出现此种效应。IDH2催化异枸橼酸盐在线粒体内转化为α-同戊二酸，在此过程中生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，而细胞的另一个主要抗氧化剂还原型谷胱甘肽的再生需要还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。因而，提高IDH2的活性可加强谷胱甘肽的抗氧化防御系统[36]。SIRT3也可使SOD2去乙酰化，导致SOD2活性增加[34-35]。SIRT3-/-小鼠的胚胎成纤维细胞和肝组织SOD2活性降低低，ROS增加；而SIRT3的过表达可抑制野生型小鼠产生ROS[27,34]。SIRT3缺陷鼠对氧化应激的防御能力降低，凸显了SIRT3在细胞保护通路中的重要性[33-34,37]。

总之，SIRT3是线粒体对氧化应激产生适应性反应的一个重要调节因子，也是线粒体介导细胞死亡的一个重要调节因子。

4.1应激与环境适应性反应中的SIRT3在对SIRT3-/-小鼠的一系列研究中发现，在基础状态下，这些小鼠的表现与野生型小鼠无明显差别；而在线粒体蛋白被高乙酰化的条件下，SIRT3-/-小鼠和野生型小鼠的基础状态有所不同，在SIRT3-/-小鼠的一些组织中基础ATP水平是下降的[4,26-27]。Someya等[33]研究氧化损伤的标志物和抗氧化能力发现，野生型小鼠和SIRT3-/-小鼠在饮食控制条件下无显著不同。然而，限制能量摄入的SIRT3-/-小鼠，其对年龄相关的氧化损伤无保护作用，不能改善抗氧化能力。

高脂饮食对SIRT3-/-小鼠影响的研究显示，与野生型小鼠相比，SIRT3-/-小鼠以加速度形成了饮食诱导的肥胖，在标准饮食和高脂饮食两种情况下都出现了胰岛素抵抗[26]，但在特异性的肝脏或肌肉SIRT3缺陷小鼠和野生型小鼠中无差别，甚至在高脂饮食喂养后也无差别，所以有待进一步研究来确定SIRT3的组织特异性[38]。

4.2SIRT3表达的分子机制及活性调节研究发现，过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子1α (peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator-1α，PGC-1α)是一个调控线粒体生成的转录因子，通过雌激素相关受体α调控SIRT3的表达[39]。在SIRT3启动子区有一个雌激素相关受体α的结合位点，雌激素相关受体α的结合调节了PGC-1α所诱导的SIRT3的转录。Hirschey等[24]的研究显示，慢性高脂饮食可导致小鼠肝脏PGC-1α的表达减弱，进而导致SIRT3的表达减弱。PGC-1α的过表达增强了SIRT3的表达，但PGC-1α的过表达对标准饮食小鼠SIRT3的表达无影响，提示有其他因子或触发因素参与了PGC-1α对SIRT3的调控[39]。

SIRT3还可通过增加活性而发挥作用。Cantó等[40]研究发现，给小鼠喂食NAD+前体烟酰胺核苷，可导致NAD+水平升高，伴发SIRT3活性增加。

5小结

目前，人们对SIRT3功能及在线粒体适应中的作用还缺乏全面的了解，随着对线粒体适应研究的不断深入，发现SIRT3在启动适应性反应中起重要的调节作用。在氧化应激条件下，缺乏SIRT3的去乙酰作用可能意味着不能增强SIRT3靶酶的活性以满足需要。SIRT3上调是氧化应激反应和细胞保护机制的一部分。SIRT3介导的去乙酰作用可导致大部分靶蛋白活性增强，以维持和调节线粒体的正常生理功能，对于缓解因氧化应激负荷引起的疾病具有重要意义。

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SIRT3 and Mitochondiral AdaptationMALu,YANGYe.(VIPDepartmentofCardiology,NavyGeneralHospitalofChinesePLA,Beijing100048,China)

Abstract：Silent mating type information regulation 2 homolog 3(SIRT3) is a member of Sirtuins family and is also a homologue of silence information regulator 2.SIRT3 is a kind of NAD+-dependent deacetylase that regulates the function of numerous mitochondrial proteins with roles in metabolism, oxidative stress,and cell survival. It is emerging as an instrumental regulator of the mitochondrial adaptive responses to stress,including metabolic reprogramming and enhancing antioxidant defense mechanisms. The manipulation of SIRT3 could be a promising target for treating some mitochondrial dysfunctional diseases.

Key words:Silence information regulator 2 homolog 3; Mitochondria; Stress; Cell protection

收稿日期：2014-02-17修回日期：2014-07-21编辑：辛欣

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.02.015

中图分类号：R364.4; R329.24

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)02-0233-03