Sestrins的表达调控及其在代谢疾病、衰老研究中的进展

张 璐，韩 薇

(哈尔滨医科大学附属第一医院 心血管内科， 黑龙江 哈尔滨 150001)



短篇综述

Sestrins的表达调控及其在代谢疾病、衰老研究中的进展

张 璐，韩 薇*

(哈尔滨医科大学附属第一医院 心血管内科， 黑龙江 哈尔滨 150001)

Sestrins由应激诱导产生，是在进化上相对保守的蛋白家族，能抑制氧化应激、调节腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)-哺乳动物雷帕霉素作用靶点(mTOR)通路来保护细胞和器官免受应激、老化带来的生理损伤。低氧、缺乏ATP可诱导Sesn2的表达。Sestrin在血糖稳态调节方面意义重大。Sestrins也参与延缓衰老、抑制年龄相关性疾病。

Sestrins；氧化应激；代谢疾病；衰老

Sestrins蛋白是一类高度保守的应激诱导蛋白，当细胞处于各种不利环境下,其表达上调。Sestrins在动物中广泛存在，但在植物和真菌中尚未发现Sestrins的同源染色体。哺乳类和大多数脊椎动物表达3种Sestrins(sesn1- 3)，而大部分无脊椎动物的基因组只包含1种Sestrins(sesn)基因。哺乳动物有3个独立的基因位点(sesn1- 3)来编码Sestrins，其中sesn1和sesn3基因是选择性剪切，然后生成几种Sestrins蛋白。难以鉴定Sestrins的生化功能，部分原因是由于这些蛋白不包含任何一种现今熟知的结构域或催化模体。Sestrins可结合胞质接头蛋白Keap1及P62/SQSTM，由此抑制Keap引起的自噬退化、增强转录因子NF-E2相关因子2 (Nrf2)依赖的抗氧化基因的转录[1]。此外，Sestrins可通过激活AMPK[2- 3]来抑制mTOR复合物1(mTOR1)的活性，从而保护细胞和器官免受老化带来的生理损伤。

Sestrins最初是在dSesn缺失的果蝇中发现的[3]，在调节代谢、抑制年龄和肥胖相关性疾病方面Sestrins起关键作用[1,4]，对基因敲除Sesn2和Sesn3小鼠的近期研究支持了这一结论。此外，一项对秀丽隐杆线虫的研究表明，蠕虫中的cSesn是健康和寿命的重要调节者[5]，揭示了Sestrins的抗衰老功能具有进化保守性。本文中讨论了Sestrins调节在代谢及衰老方面的生理功能。

1 Sestrin表达的调控

细胞通过调整自身代谢来适应外界不利因素，如促进损伤修复、停止合成代谢、刺激分解反应，避免了受损大分子积累，也为不同的修复过程节省稀有原料。Sestrins的表达受应激诱导[6- 7]，在不同的生理和病理情况下Sestrins的表达是如何调控的，对这一问题仍需深入理解。

1.1 基因毒性应激

多种代谢途径的调节异常可导致遗传毒性复合物的释放，如活性氧(ROS)、活性氮(RNS)和DNA烷化剂，从而损害DNA。代谢应激期间过多的遗传毒性损伤可激活DNA损伤传感信号通路，如抑癌基因P53表达上调，P53可以抑制细胞周期、促进细胞凋亡、影响代谢。Sesn1(亦称为PA26)属于Sestrins家族早期发现的成员，是P53的可诱导基因[7]。在不同应激下，如射线照射、紫外线、遗传毒性代谢物，可通过P53刺激Sesn1和Sesn2基因的转录[6- 7]。除遗传毒性应激外，紫杉醇抑制有丝分裂也可通过一个尚未阐明的机制来诱导Sesn1和Sesn2[8]。

1.2 低氧、能量缺乏、干燥

低氧是最严重的代谢损伤之一。最初发现Sesn2(亦称Hi95)是由于它在人神经母细胞瘤细胞低氧状态下被激活[6]。在人类的很多癌细胞系中，拟低氧状态可上调Sesn1和Sesn2的表达。在小鼠的气管上皮细胞中，Sesn1的激活完全依赖于P53，低氧状态下激活Sesn2的转录不依赖于P53[6]，而依赖于HIF- 1。但在其他许多细胞类型中，低氧状态下Sesn2的诱导却与HIF- 1无关，说明其表达动态不同于其他HIF- 1的靶基因[6]。很多化合物减少ATP浓度，如2-脱氧葡萄糖(糖酵解抑制剂)、二甲双胍(线粒体呼吸作用抑制剂)，通过一个尚未阐明的机制诱导Sesn2的表达[9]。有趣的是，生活在南极洲的唯一昆虫贝尔吉卡，为应对干燥环境可显著上调Sesn的表达，这对这一物种能在南极洲这样寒冷的气候条件下生存至关重要。

1.3 氧化应激

氧化应激导致ROS及RNS的代谢失衡，细胞对ROS、RNS及其他中产物的代谢能力下降。尽管Sestrin家族成员都有不同的诱导机制，但都受氧化应激的诱导[10]。在神经元细胞中，N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA受体)的激活可诱导Sesn2，然后以依赖CCAAT增强子结合蛋白家族的亮氨酸拉链(CCAAT-enhancer binding protein-beta，c/EBPβ)的方式，刺激ROS的产生[11]。氧化应激通过激活转录因子Nrf2[12]、经JNK-AP- 1信号通路[13]诱导Sesn2。而c/EBPβ、Nrf2、AP- 1的靶点都在Sesn2的启动子区域。氧化性损伤通过激活FoxO转录因子来刺激Sesn3的表达[10]。同样，长期受dTORC1诱导氧化应激的果蝇，JNK-dFoxO信号通路调节dSesn的表达[3]。

2 Sestrins和代谢相关性疾病

2.1 Sestrins和代谢综合征

营养过剩、缺乏锻炼促进肥胖发展及代谢综合征。在小鼠多数组织包括肝脏和骨骼肌中，Sesn2是唯一可被肥胖诱导的基因[4]。尽管这种诱导应答的机制目前尚未清楚，但把它和mTORC1的长期激活及营养过剩联系起来似乎是合理的。人类的几种肿瘤细胞系中， mTORC1的长期激活，如持续胰岛素、类胰岛素生长因子- 1(insulin-like growth factor，IGF1)和血清治疗，都可导致Sesn2表达增加。

2.2 Sestrins和胰岛素抵抗及糖尿病

胰岛素抵抗及Ⅱ型糖尿病是与mTORC1长期激活相关的最严重代谢疾病之一[14]。最近发现mTORC1也能使生长因子受体结合蛋白10(Grb10)磷酸化并激活，后者抑制胰岛素激活的PI3K-AKT信号通路[15]。mTORC1的持久激活可长期抑制肝脏的自噬作用，从而使胰岛素信号减弱、诱发胰岛素抵抗。肝细胞中mTORC1的持久激活也可引起内质网(ER)长期应激[16]，加速胰岛素抵抗的进展。因此，持久的营养过剩导致mTORC1长期活化，将引起胰岛素抵抗，血糖升高，最终发展成Ⅱ型糖尿病。

无论在肥胖或普通条件下，小鼠的Sesn2- 3、果蝇的dSesn都对维持血糖平衡起关键作用[4]。营养过剩可诱导Sesn2在肝细胞中表达，Sesn2对抑制肝细胞中mTORC1激活、抑制胰岛素抵抗极其重要。无论是饮食或遗传型所致肥胖的小鼠，若Sesn2缺失，将很大程度导致胰岛素抑制肝葡萄糖生成的缺陷。同样，正常饮食下dSesn缺陷的果蝇血淋巴海藻糖水平升高[4]。这些结果表明依赖Sestrin的血糖稳态调节在生理学及进化保守方面意义重大。

研究表明在培养的多种细胞系中，包括Sesn1- 3及dSesn在内的Sestrins即便无胰岛素也能激活PI3K-AKT的信号传导[4]。事实上，Sestrins能有力抑制mTORC1-p70S6K通路而轻度上调mTORC2-AKT通路。这种特殊性使Sestrins有别于常见药用的mTOR抑制剂(雷帕霉素、Torin、PP242，可长期抑制mTORC1和mTORC2)。mTOR抑制剂显著的药理作用不适用于肥胖相关糖尿病及其他代谢性疾病的治疗，因为这些抑制剂通过抑制mTORC2来促进胰岛素抵抗。因此，通过调整Sestrins活性使其弱化mTORC1、强化mTORC2这一途径可能为预防肥胖、胰岛素抵抗及糖尿病提供新方法。

3 Sestrins和衰老相关性疾病

3.1 Sestrins抑制老化

老龄化带来营养通路调节松弛、体内蛋白质平衡失调及氧化应激蓄积[18]。激活AMPK、抑制mTORC1、刺激自噬信号产生，都对健康及延长寿命有益[19]。因此，Sestrins作为一种抗氧化剂，能激活AMPK、抑制mTORC1、诱导自噬，似乎能延缓衰老、抑制年龄相关性疾病。果蝇中dSesn的失活将长期抑制AMPK、激活mTORC1，会导致脂肪沉积、血糖升高、骨骼肌和心肌退化[3]。dSesn失效的苍蝇表现出心律不齐、心脏扩大、心率减慢，最终导致心功能减低，其胸骨骼肌表现出肌原纤维结构紊乱、线粒体功能失调、蛋白质聚集和氧化应激的蓄积。有意思的是，ATG1失活的苍蝇也可观察到心肌、骨骼肌类似的退化，ATG1是自噬的重要调节者，这一结果也暗示着自噬调节有助于dSesn保护心肌功能[3]。应用药物AMPK激活剂或mTORC1抑制剂可阻止dSesn失活导致的许多不良后果，表明dSesn通过调节AMPK-mTORC1通路来抑制老化。在老龄化和其他病理条件下哺乳动物Sestrins可维持心肌和骨骼肌稳定，但这两者的机制是否类似还有待确定。

当前对果蝇、秀丽隐杆线虫的研究数据表明，Sestrin与寿命的相关性弱于Sestrin与年龄相关疾病的相关性。研究者发现，正常情况下dSesn失效的苍蝇的寿命与WT苍蝇的寿命无显著差别。cSesn失效的蠕虫的寿命略短于WT蠕虫[5]。近期研究表明，苍蝇和蠕虫的多数年龄相关性死亡都是肠道功能退化所致或受其影响[20]。Sestrins在调节肠黏膜屏障功能方面可能并无重要作用，因此Sestrins缺失的无脊椎动物有正常寿命并不让人惊讶。然而，在几乎所有的被检生物模型(秀丽隐杆线虫、果蝇、小鼠等)的代谢器官(脂肪体、肝脏、骨骼肌/心肌)中，Sestrins突变体有力揭示出年龄相关疾病的病理特征，故Sestrins即使不是寿命的决定因素，也至少对健康很重要。

3.2 Sestrins和癌症

癌症与代谢调节异常、氧化应激、基因组不稳定密切相关。考虑到Sestrins对抑制氧化损伤很重要，所以Sestrins失活、ROS和RNS积聚可能有致癌作用。因此，癌细胞中Sestrins沉默刺激了突变形成、基因组不稳定、移植瘤生长；应用抗氧化剂治疗可以很大程度上消除这些特征。事实上，癌症发生时Sesn1和Sesn2表达下调，或许是因主控调节因子P53的失活[21]。癌基因Ras的持续激活也能下调Sesn1和Sesn3[22]。虽然Ras诱导抑制机制尚未阐明，但近来研究表明转录因子HSF1通过Ras调节Sesn3[23]。研究发现在骨髓增生性肿瘤中通过基因测序，Sesn2基因的突变体(Pro87Ser)可诱发癌症，但这种突变体是如何影响Sesn2的功能尚不清楚。

尽管Sestrins抑制肿瘤、保护基因组稳定，但其仍在许多肿瘤疾病中表达[6]，也许是在某些情况下它可维持肿瘤细胞的生存。高水平的氧化应激、慢性炎症、生长因子信号的长期刺激、线粒体的功能障碍，这些都对肿瘤细胞的增殖产生不利影响。为此，许多肿瘤细胞上调了抗氧化蛋白的表达，Sestrins就是抗氧化防御系统的组成部分。保持Sestrins功能完好的另一好处是激活自噬[24]，当营养物质和供氧量受限时，自噬支撑肿瘤细胞的增殖和代谢。依赖Sestrin的mTORC2-AKT通路的激活[4]是公认的致癌途径，它也可能是通过促进肿瘤细胞生长、增殖来发挥致癌作用。

Sestrins是一种受应激诱导的基因，能对细胞毒抗癌的治疗产生影响。通过一种可能与抑制mTORC1相关的机制，经射线和基因毒性药物的治疗，Sestrins促进DNA损伤诱导的细胞死亡[25]。但另一方面，Sestrins通过促进癌细胞存活来干扰氧化性损伤相关的化疗[6,10]。此外，低氧诱导的Sesn2可使缺氧的癌细胞对放化疗抵抗。虽然如此，Sestrins仍可视为癌症治疗效果的预测指标，有助于选择最佳的治疗策略。

4 结论

慢性应激、代谢紊乱和器官功能障碍都是衰老、肥胖及两者共病的特征。Sestrins与早先发现的应激反应性蛋白及P53调控蛋白一样，已被公认为代谢的重要调节者，其可保持生理平衡，抑制与衰老、肥胖相关的疾病进展，防止肌肉退化、心肌疾病和癌症的发生。因此，不久的将来，Sestrins有望作为延缓衰老、预防癌症及肥胖相关代谢紊乱的治疗靶点。

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科普沙龙

维生素D如何影响心脏病和糖尿病

维生素D缺乏与心脏病和2型糖尿病有关。慢性炎性反应在这两种疾病中起作用，大多数免疫细胞有维生素D受体。维生素D与其受体结合可调节细胞内的一些关键程序。然而，这两种疾病与免疫系统激活的相关机制还不清楚。

心脏病源于动脉粥样硬化，而动脉粥样硬化就是血管上出现了斑块。斑块由脂肪、胆固醇、钙以及血液中的其他物质组成。经过一段时间，所形成的斑块会引起动脉硬化和狭窄，并导致冠心病、心脏病发作和脑卒中。

2型糖尿病通常源于胰岛素抵抗，这是体内产生胰岛素但不能有效利用它的一种状态。其结果是血糖升高，最后损害神经、血管以及身体的其他部分。

华盛顿大学医学院的一个研究小组打算检验维生素D、免疫功能、动脉粥样硬化和胰岛素抵抗之间的联系。他们对小鼠进行遗传学改变，使其两类炎性反应相关免疫细胞，即单核细胞和巨噬细胞中缺乏维生素D受体。缺乏这种受体则细胞对维生素D不应答。这项研究结果刊登在2015- 03- 24出版的《细胞报告》(Cell Reports)上。

两种小鼠都发生了胰岛素抵抗。巨噬细胞在肝脏聚集，致使血糖过高。实验小鼠也发生了动脉粥样硬化，这是由单核细胞缺乏维生素D受体导致的。单核细胞因此充满胆固醇，并携带胆固醇到斑块那里。这个动脉粥样硬化过程不同于低密度胆固醇脂蛋白那种。

当研究者将正常的免疫细胞加回到实验小鼠体内时，它们的胰岛素敏感性有了改善，动脉粥样硬化缓解了。这个发现显示，免疫细胞的维生素D途径在慢性炎性反应中起关键作用，依次影响胰岛素抵抗和动脉粥样硬化的发展。

维生素D受体失活引发糖尿病和动脉粥样硬化，因此将维生素D水平正常化，其结果或许相反。在动物模型中，单核细胞运输胆固醇是动脉粥样硬化机制的确定开创了一个新研究领域，它可以为心脏病研究提供新的治疗方法。

研究小组正在对2型糖尿病患者进行临床试验，看看维生素D治疗是否能预防糖尿病并发症和炎性反应。

韩桂芬 编译

章静波 审校

Advances in Sestrins expression regulation and its role in metabolic diseases and aging

ZHANG Lu, HAN Wei*

(Dept. of Cardiology，the First Affiliated Hospital of Harbin Medical University， Harbin 150001, China)

Sestrins constitue the protein family which are evolutionarily consvered and stress inducible,they suppress the oxidative stress and regulate adenosine monophosphate-dependent protein kinase (AMPK)-mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling and protect cells and organisms from stress and age-related physiological abnormalities.Hypoxia and ATP deficiency induce Sesn2 expression.Sestrins regulation of blood sugar homeostasis is physiologically impotant.Sestrins also contribute to the protection against of aging and suppression of age-associated diseases.

sestrins；oxidative stress；metabolic diseases；aging

2015- 04- 23

2015- 07- 01

国家自然科学基金(81270251)

1001-6325(2015)12-1677-05

G003

A

*通信作者(corresponding author)：hanwei2@medmail.com.cn