沉默信息调节因子6与心血管疾病研究进展

程玉文 钟久昌

心血管疾病是严重危害人类健康的头号杀手。据统计,全球每年约有1 700万人死于心血管疾病;在中国每年约有300万人死于心血管疾病,占总死亡原因的41%[1]。沉默信息调节因子(silent information regulator,SIRT)6在糖脂代谢、炎性反应和基因组稳定性中的调控作用对于心血管疾病的发生、发展至关重要。在心血管系统中,SIRT6可一定程度地抑制心脏肥大和心力衰竭,有助于改善血管内皮功能障碍,延缓动脉粥样硬化易损斑块的形成[2]。以下对SIRT6结构功能及其与心血管疾病研究新进展作一综述,为阐明心血管疾病的发病机制及其临床防治拓展新思路。

1 SIRT6分子结构、分布和生理功能

1.1 SIRT家族概述 SIRT是一类烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖的去乙酰化酶,能够延长酵母和果蝇的寿命。人类SIRT家族同源蛋白有7个:即SIRT1～SIRT7,具有高度保守的催化结构域和NAD+结合位点,但具有亚细胞定位功能的N和C末端不同[3]。基于分子系统发育分析,可将其分为以下4类:SIRT1、SIRT2和SIRT3属于第1类,具有强大的NAD+依赖的去乙酰化酶活性;SIRT4属于第2类,具有ADP核糖转移酶活性;SIRT5属于第3类,除了具有微弱的去乙酰化酶活性外,还具有NAD+依赖的去丙二酰化酶和去丁二酰化酶活性;SIRT6和SIRT7属于第4类,其中SIRT6同时具有去乙酰化酶和ADP核糖转移酶活性,SIRT7仅具有去乙酰化酶活性。7个沉默配型信息调节蛋白的细胞定位不同,SIRT1、SIRT6和SIRT7主要定位于细胞核,其中SIRT7主要定位于核仁;SIRT3、SIRT4和SIRT5主要定位于线粒体;SIRT2主要定位于细胞质。SIRT具有多重生物学效应,参与诸多生命过程。

1.2 SIRT6结构 人SIRT6基因定位于染色体19p13.3,全长含8个外显子,其中4号外显子最短,含40个碱基,8号外显子最长,含838个碱基。SIRT6蛋白质分子全长355个氨基酸,相对分子质量约39 100,等电点9.12[4]。SIRT6与其已知靶分子均主要定位于细胞核,其在人和小鼠多种组织中均有表达,尤其在人的大脑、肾脏和心脏中表达较高。SIRT6由N端、C端和保守的中心结构域组成,N端区域为其组蛋白去乙酰化酶功能区和与染色质结合区,与染色体结合和催化活性有关;C端区域存在与定位信号序列“PKRVKAK”有关[5]。SIRT6中心结构域至关重要,只要突变1个组氨酸就能使其催化活性消失,失去与染色体结合的能力。SIRT6的晶体结构与其他SIRT家族成员稍有不同,缺乏连接锌结合原件与罗斯曼折叠区的螺旋束,仅含1个叉开的锌结合区,有稳定的单螺旋,无保守的高度灵活的NAD+结合环。SIRT6的这种结构使其在缺乏乙酰化底物时也能与NAD+结合,并保持较高的亲和力。因此,SIRT6可能充当代谢感受器[6]。

1.3 SIRT6的生理功能 SIRT6具有两种酶活性,包括去乙酰化酶和单ADP核糖基转移酶活性,均与其功能实现密切相关。与SIRT1相比,SIRT6的去乙酰化酶活性能力较弱,作用底物较少。目前已知的去乙酰化底物主要有H3组蛋白上第9位赖氨酸(H3K9)、H3组蛋白上第56位赖氨酸(H3K56)和C末端结合蛋白相互作用蛋白[7]。此外,SIRT6参与调控机体代谢与衰老进程,具有端粒维持和DNA修复等生物学功效[8-9]。

2 SIRT6在心血管系统中的调控作用

2.1 SIRT6与内皮功能障碍 动脉壁的病理改变是动脉粥样硬化性心血管疾病的重要特征。SIRT6有助于改善血管内皮功能和维持血管结构稳定。内皮功能障碍是动脉粥样硬化的早期事件,涉及血管收缩增加、白细胞黏附的发展、持续的血管炎性反应、血小板活化和血栓形成等。SIRT6高表达能够抑制内皮细胞炎性反应和拮抗衰老进程[9]。SIRT6缺失大大促进了单核细胞黏附于血管内皮细胞。SIRT6的缺失将促进各种趋化因子和黏附分子增加,如细胞内黏附因子1(ICAM-1)、血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)、单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)等,均为募集单核细胞附着到活化的内皮层的主要调节分子。在血管内皮细胞中,SIRT6基因缺失能够提高促炎因子IL-1β表达和转录因子NF-κB的转录活性提升[10]。在高糖和过氧化的条件下,SIRT6通过精细调节NF-κB信号参与内皮功能障碍和衰老的调控[10]。SIRT6还可通过防止端粒和DNA损伤来保护血管内皮细胞,避免其过早发生衰老,从而维持细胞的复制能力和体外血管形成能力,在延缓血管衰老过程中具有重要作用。此外,SIRT6基因缺失促使人脐静脉细胞中ICAM-1、纤溶酶原激活物抑制剂-1(PAI-1)和p21表达上调,内皮型一氧化氮合酶(eNOS)水平降低。鉴于NF-κB是调节和驱动炎性反应趋化因子和黏附分子(包括ICAM-1、VCAM-1、MCP-1)表达的关键分子,故SIRT6可通过调节NF-κB活性来抑制上述细胞因子的作用[11]。

2.2 SIRT6与氧化应激 缺血性心脏病和急性心肌梗死进程中及时再灌注是保证缺血、缺氧心肌复苏所必不可少的。再灌注的结果复杂,常伴有各种有害的影响,统称为缺血再灌注损伤。活性氧的形成和氧化应激是心肌缺血再灌注后导致细胞损伤的重要途径,故维持氧化还原平衡是心脏组织恢复正常功能和完整性的关键[12]。研究[9]发现,SIRT6具有一定的抗氧化应激作用。SIRT6基因缺失加重心肌缺血再灌注模型小鼠的心肌损伤、心室重构和氧化应激损伤。相反,SIRT6过表达可逆转上述SIRT6基因敲除后的有害作用。此外,SIRT6缺失能够减缓离体心脏灌注模型的缺血再灌注心脏的心肌功能的恢复。SIRT6通过激活一磷酸腺苷活化的蛋白激酶(AMPK)-转录因子FOXO3a轴,以及进一步引发下游抗氧化基因(超氧化物歧化酶和过氧化氢酶)的表达,来降低氧化应激细胞的水平并介导缺血再灌注损伤时心肌的保护作用。上述结果表明,SIRT6对于缺血再灌注损伤心脏的保护作用可能是通过激活缺血心脏FOXO3a表达,以及以磷酸腺苷(AMP)/ATP介导的AMPK依赖信号途径来改善细胞中氧化应激损伤[13]。

新近研究[8-9]结果表明,在炎性反应和氧化应激中SIRT6表达出现下调,而衰老与脂质代谢相关的微RNA(microRNA)能调控SIRT6的表达和活性。胰高血糖素像肽-1(GLP-1)受体激动剂是一种新型的对动脉壁有多效作用的抗高血糖药物,其对血管细胞的主要生物学作用包括促进eNOS磷酸化和一氧化氮产生的增加,保护心肌微血管、抑制氧化应激与细胞凋亡[14]。与以GLP-1治疗的糖尿病患者颈动脉粥样硬化斑块相比,非GLP-1治疗的糖尿病患者颈动脉粥样硬化斑块的炎性反应和氧化应激增加,而SIRT6表达下调。体外培养的内皮祖细胞和内皮细胞实验显示,短期暴露于高糖后细胞的SIRT6水平降低,NF-κB水平升高;而GLP-1治疗后SIRT6水平升高,NF-κB水平降低。在缺氧条件下,SIRT6过表达转基因小鼠的心肌细胞表现为抗缺氧能力增强,促进AMPK-α和bcl-2水平升高,同时抑制NF-κB表达,并通过减少活性氧的产生来减轻细胞氧化应激损伤[15]。

2.3 SIRT6与心血管重构 研究[16]结果表明,SIRT6基因敲除小鼠发生明显的向心性心肌肥厚,而SIRT6过表达能抑制心肌肥厚,提示SIRT6是心肌肥厚重构的负调节因子。临床上在慢性心力衰竭患者血浆中检测到SIRT6水平降低,提示SIRT6可能为心力衰竭的重要预警指标。SIRT6通过作用于原癌基因c-Jun并去乙酰化组氨酸的H3K9位置来结合并抑制胰岛素样生长因子(IGF)信号相关的基因,从而抑制IGF-Akt信号激活所致的心肌肥厚的进展[16]。SIRT6基因缺失小鼠发生明显的心肌肥厚和心力衰竭,而SIRT6过表达则可抑制心肌肥厚的发展。值得注意的是,在SIRT6基因敲除的小鼠中发现了促凋亡和促心肌肥厚相关基因表达上调和IGF信号通路异常。此外,SIRT6的过表达能抑制异丙肾上腺素刺激所致的心肌肥厚。异丙肾上腺素诱导的心肌损伤模型小鼠出现SIRT6表达下调,并伴有心肌肥厚重构现象[16]。通过功能获取的方法研究SIRT6在异丙肾上腺素诱导的心肌肥厚中的作用,结果显示,质粒转染SIRT6过表达或者腺病毒载体编码SIRT6的大鼠心肌增生性反应和病理损害均明显减轻[17]。此外,SIRT6促进心肌自噬能力,后者通过清除受损的线粒体来达到保护心脏的作用,在氧化磷酸化ATP和线粒体钙吸收的过程中起到关键作用[18]。

3 SIRT6与心血管疾病

3.1 SIRT6与冠状动脉性心脏病 动脉粥样硬化是一种渐进的、慢性的炎性反应性疾病,最终演变成易损斑块和急性心血管事件。巨噬细胞的聚集、胶原的消耗和大的坏死核心区是易损斑块的主要特征。SIRT6基因缺失导致巨噬细胞浸润和核心坏死面积明显增大,且在动脉粥样硬化斑块中胶原的含量明显减少,提示SIRT6可通过稳定动脉粥样硬化斑块,防止斑块破裂和心血管事件发生,从而对易损的动脉粥样硬化斑块发挥一定的保护作用。载脂蛋白E(ApoE)基因缺失小鼠的血管组织中SIRT6表达明显减少[19]。全身SIRT6基因敲除和内皮特定敲除SIRT6的小鼠均表现为内皮受损依赖性血管舒张。此外,高脂饮食的SIRT6杂合(SIRT6+/-)小鼠同样表现为内皮受损依赖性血管舒张[19]。在人类动脉粥样硬化斑块组中SIRT6表达低于正常对照组。与单纯ApoE-/-小鼠高脂饮食组相比,SIRT6+/-/ApoE-/-双基因敲除小鼠的斑块形成更多,且斑块不稳定性增加。更为重要的是,SIRT6+/-/ApoE-/-双基因敲除小鼠予高脂饮食喂养后动脉粥样硬化病变更为严重,伴促炎细胞因子VCAM-1表达显著增加。此外,SIRT6+/-小鼠的巨噬细胞和内皮细胞中自然杀伤细胞活性受体(NKG2D)配体的表达增加,导致自然杀伤细胞活化和炎性细胞因子水平升高[20]。在高胆固醇饮食的ApoE基因敲除小鼠动脉粥样硬化斑块中,SIRT6的基因和蛋白质表达水平均显著降低。在人脐静脉内皮细胞中,SIRT6缺失后通过调节ICAM-1使得单核细胞的黏附性增加[2]。上述实验结果进一步证实,SIRT6具有一定的抗动脉粥样硬化功效,通过上调SIRT6表达或提升其活性将为冠状动脉性心脏病防治策略的制定提供新思路。

3.2 SIRT6与心力衰竭 在慢性心力衰竭患者心脏中SIRT6表达显著降低。在类似的心力衰竭模型小鼠中,SIRT6基因缺失能够激活IGF信号通道,导致心肌肥厚重构和心力衰竭的发生。研究[16]结果表明,在严重心力衰竭患者心肌标本和通过主动脉缩窄、血管紧张素Ⅱ和异丙肾上腺素诱导的心肌肥厚模型小鼠心肌标本中SIRT6水平均显著降低。SIRT6基因敲除小鼠出现显著的心肌肥厚和心脏功能障碍,表现为心肌纤维化、心肌细胞肥大和凋亡水平增高。另一方面,SIRT6过度表达可通过减轻心肌重构和心肌功能障碍,发挥一定的心肌保护作用[16]。

4 SIRT6与其他疾病

4.1 脑卒中 炎性反应是介导脑缺血后脑损伤的重要机制之一。SIRT6通过其抗炎作用在脑缺血损伤中发挥重要作用。SIRT6能够缩小大鼠脑缺血梗死的面积,减少细胞的氧糖剥夺(OGD)。通过小干扰RNA(siRNA)沉默SIRT6能增强OGD SH-SY5Y细胞中高迁移率族蛋白B1(HMGB1)的释放。上述结果提示,SIRT6的脑保护作用在一定程度上与大脑中间接导致缺血损伤的HMGB1释放有关。SIRT6在整个大脑的神经元细胞中均有表达,是大脑中主要的组蛋白去乙酰化酶,可通过染色质结构的修饰参与HMGB1的核定位。在脓毒症模型中,NF-κB活化的抑制也抑制了HMGB1从肌细胞细胞核向细胞质的转移[21]。SIRT6作为NF-κB的抑制剂,SIRT6抑制后可引起NF-κB激活,导致HMGB1转移。对大鼠大脑中动脉阻塞和SH-SY5Y神经细胞OGD的缺血模型的研究结果显示,缺血导致SIRT6的表达减少,并促使HMGB1从细胞核中转位至细胞质中。通过SIRT6 siRNA减少SIRT6的表达能够显著增多OGD诱导的SH-SY5Y细胞中HMGB1的释放,故SIRT6可作为治疗脑缺血后炎性反应损伤的潜在干预靶点[22]。

4.2 糖尿病 高血压等心血管疾病患者往往伴有糖尿病,心血管疾病是2型糖尿病死亡的主要原因。糖尿病导致斑块破裂的易感性增加,使得心血管临床事件的发生率增高和严重程度增加。炎性反应对糖尿病中的斑块侵蚀、破裂级联事件发生起着核心的作用。越来越多的证据表明,SIRT是公认的参与炎性反应和内皮细胞功能的调节因子,而其中SIRT6被认为在调节基因组稳定性、细胞代谢、应激反应、老化过程中起主导作用[23]。与非糖尿病患者相比,糖尿病患者颈动脉粥样硬化斑块的炎性反应增强,斑块脆性增加,胶原蛋白含量和SIRT6表达均降低。糖尿病患者颈动脉粥样硬化斑块中SIRT6表达降低可能与氧化应激、炎性反应进展、纤维帽变薄和斑块不稳定有关。作为维持基因组稳定性的一个关键酶,SIRT6通过作用于血管氧化应激和炎性反应控制通路来减少斑块的不稳定性、氧化应激和细胞损伤[24]。因此,SIRT6是血管氧化应激和炎性反应的负调节因子,通过提升SIRT6活性或上调其表达可为糖尿病和动脉粥样硬化的内皮细胞功能障碍、炎性反应和氧化损伤的防治带来积极影响[25]。

5 展 望

SIRT6作为重要的哺乳动物沉默配型调节蛋白,参与DNA修复、端粒动态平衡、血糖和血脂代谢,是机体衰老进程的关键调控因子。SIRT6参与心肌肥厚重构、炎性反应和氧化应激调控,其活性和表达异常参与冠状动脉性心脏病等多种心血管疾病的发病过程。通过各种手段调节SIRT6的活性和表达很可能成为冠状动脉性心脏病等心血管疾病防治的新途径。开发SIRT6信号相关的新型药物将为心血管肥厚重构和衰老的干预提供新策略,具有重要的临床价值和治疗意义。