SIRT1信号通路在心血管疾病中保护作用的研究进展

Sirtuins，一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖性脱乙酰化酶，首先在酵母中被发现，它属于Ⅲ类组蛋白脱乙酰基酶[1]，具有250个氨基酸核心与可变的氨基和羧基末端，具有高度保守的NAD+结合催化结构域。哺乳动物不同亚细胞结构包含7种Sirtuins(SIRT1～SIRT7)，其中SIRT1是首先被确定并广泛研究的，主要定位于细胞核中，在特定条件下转位到细胞质中。除了公认的去乙酰化酶功能外，由于Sirtuins染色质修饰活性，参与转录后修饰，这些与能量代谢变化、老化及抵抗氧化应激反应密切相关，且与心血管疾病密切相关，包括动脉粥样硬化、心力衰竭、高血压、衰老、糖尿病及其他心血管相关疾病。现探讨SIRT1调控的细胞和分子信号在心血管疾病氧化应激介导的病理过程中的保护作用。

1 SIRT1途径的信号转导

SIRT1表达和激活受几种细胞条件影响，如热量限制、运动和氧化应激。细胞中SIRT1利用NAD+作为底物，同时NAD+水平也可控制SIRT1的脱乙酰活性。在NAD+合成补救途径中，烟酰胺磷酸核糖转移酶(nicotinamide phosphoribosyl transferase，NAMPT)催化烟酰胺转化为烟酰胺单核苷酸，之后通过烟酰胺/烟酸单核苷酸腺苷酰转移酶(nicotinic acid mono-nucleotide adenylyltransferase，NMNAT)转化为NAD+。NAMPT在哺乳动物NAD+生物合成途径具有限速酶作用。增加的NAMPT活性提高了细胞总NAD水平和之后的SIRT1转录调节活性。NMNAT可监管SIRT1在其靶基因启动子上的去乙酰化活性[2]。

众多反馈机制引起SIRT1激活，如SIRT1和叉头转录因子的相互作用，SIRT1-AMP活化蛋白激酶(AMPK)途径。Hu抗原R(HuR)是一种RNA结合蛋白，调节众多目标mRNA稳定性，并结合SIRT1 mRNA的3’非翻译区，引起SIRT1 mRNA稳定性和SIRT1表达上调[3]。氧化应激过程中，HuR被磷酸化，导致HuR-SIRT1 mRNA复合物解离和之后的SIRT1 mRNA衰变。体外和体内模型中，SIRT1核蛋白活性调节剂可增强SIRT1介导的p53脱乙酰化并阻止p53介导的转录活性[4]。癌高甲基化基因1(hypermethylated in cancer 1，HIC1)中的高甲基化和缺失乳腺癌1(deleted in breast cancer 1，DBC1)已确定为SIRT1的负调节因子。HIC1是一种转录抑制因子，与SIRT1启动子结合并抑制其转录。HIC1缺失可增加正常细胞或癌细胞中SIRT1表达，导致p53脱乙酰化和失活，促进肿瘤发生[5]。DBC1直接与SIRT1相互作用抑制SIRT1活性。DBC1表达缺失可增强SIRT1依赖的细胞凋亡抑制作用[5]。

2 SIRT1与氧化应激

活性氧(reactive oxygen species，ROS)包括羟自由基、脂质自由基、超氧阴离子与一氧化氮(NO)及其他具有高氧化潜力的化学物质如过氧化氢、次氯酸和过氧亚硝酸盐[6-7]。ROS的形成源自多种途径，如黄嘌呤氧化酶(XO)、内皮型一氧化氮合酶(eNOS)解偶联、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶同种型、环加氧酶、线粒体呼吸和金属催化反应及抗氧化酶和其他抗氧化剂耗尽，导致氧化应激。正常生理条件下，内源性抗氧化系统包括超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、过氧化氢酶及维生素C和维生素E等小分子物质清除ROS，ROS处于低水平状态[8]。

ROS的产生通过介导通路参与调节细胞存活、分化、增殖和迁移等过程。SIRT1对细胞氧化还原状态高度敏感，通过对多种细胞进行去乙酰化抵抗ROS作用，从而起到心脏保护和维持血管功能作用[9-12]。细胞功能直接或间接受SIRT1影响，反之SIRT1活性和表达也可受细胞翻译后修饰影响[9]。因此，SIRT1在这种依赖氧化还原反应的细胞中的作用较复杂。

哺乳动物中，这种Sirtuins介导热量限制带来的益处，延缓了与年龄相关疾病的发作，包括动脉粥样硬化和糖尿病。Nisoli等[13]研究发现3～12个月热量限制小鼠中，eNOS增加表达过程中同时观察到SIRT1过表达，且环磷酸鸟苷(cGMP)形成与该物质在哺乳动物对应激反应中的关键调节作用一致。通过赖氨酸(Lys)-496和Lys-506的eNOS脱乙酰化，SIRT1增加eNOS活性，导致NO增加，SIRT1敲减导致NO减少和内皮依赖性血管舒张功能受损[14]。SIRT1和eNOS之间存在反馈机制，由于NO能激活SIRT1启动子，导致SIRT1 mRNA和蛋白质合成增加。人类脐静脉内皮细胞(ECs)和小鼠中，香烟烟雾提取物和过氧化氢处理引起SIRT1水平下降和与乙酰化eNOS和促炎基因表达增加有关[15-17]。

嘌呤/二酰胺核苷酸内切酶1/氧化还原因子-1(APE1/Ref-1)是一种血管稳态中的重要还原剂，可增强内皮细胞SIRT1活性。APE1/Ref-1保护内皮SIRT1免于由过氧化氢诱导的巯基氧化引起的失活，并促进SIRT1催化eNOS去乙酰化，恢复NO生物利用度和内皮依赖性血管舒张[18]。在ECs中，抑制SIRT1可引起p53乙酰化增加，并引起应激诱导的早衰样表型，纤溶酶原激活物抑制剂1(PAI-1)表达增加同时eNOS表达减少；反之，内皮SIRT1过表达可逆转由氧化应激诱导的早衰[19]，且其过表达通过eNOS依赖性信号传导途径减弱过氧化氢诱导的细胞衰老[20]。

细胞氧化还原状态由SIRT1通过去乙酰化FOXO转录因子家族调节，其控制几种对氧化应激反应蛋白质的表达[21-22]。SIRT1/FOXO轴介导血管平滑肌细胞(VSMCs)的收缩分化，从而有助于维持血管动态平衡[22]。应对氧化应激，SIRT1通过调节FOXO3功能控制细胞反应，FOXO3脱乙酰作用增强其对DNA修复和细胞周期停滞的作用，减轻凋亡过程[21]。通过体外和体内氧化应激模型(包括老年小鼠股动脉和鼠后肢缺血模型)证明，microRNA(miR)-200c降低NO并增加FOXO1和p53的乙酰化[23]。FOXO1乙酰化抑制其对SIRT1、过氧化氢酶(CAT)和MnSOD靶基因的转录活性。该分子通路通过激活线粒体适配器p66Shc和增加ROS产生得到加强。应用抗miR-200c处理增强SIRT1、eNOS和FOXO1活性并改善肢体灌注，表明在氧化应激条件下miR-200c破坏SIRT1/FOXO1/eNOS调节环，参与内皮功能障碍[23]。p66Shc增加细胞内ROS水平的机制包括与膜结合的NADPH氧化酶活化和GPx-1、MnSOD和Ref-1的下调[23-24]。

染色质水平上SIRT1抑制p66Shc转录，并通过SIRT1过表达调节p66Shc，这与乙酰化组蛋白3型(H3)与p66Shc启动子区的结合减少有关[25-28]。核转录因子-κB(NF-κB)信号的调节受SIRT1介导的RelA/p65亚基去乙酰化影响。SIRT1与NF-κB复合体中RelA/p65蛋白相互作用，并使Lys-310去乙酰化，这种效应引起NF-κB调节基因表达功能丧失[29]。SIRT1激活剂(如白藜芦醇和SRT1720)可改善糖尿病引起心脏氧化应激，保护ECs免受肿瘤坏死因子α(TNF-α)诱导的损伤，并通过抑制NF-κB转录活性逆转血管内皮功能障碍[25，27-28]。激活内皮细胞核因子红细胞2-相关因子2(Nrf2，调节关键抗氧化细胞反应的转录因子)，是白藜芦醇发挥血管保护的另一重要机制[30-31]。培养人冠状动脉ECs中，白藜芦醇增加的Nrf2转录活性与血红素加氧酶-1和NADPH-醌氧化还原酶-1上调有关，该酶可保护细胞免受代谢应激[30]。适当刺激Nrf2/抗氧化反应信号可保护内皮免受高糖诱导的氧化应激，而Nrf2敲除消除白藜芦醇介导的线粒体和细胞氧化应激的减少[32]。

3 SIRT1与动脉硬化

衰老过程有助于解释动脉粥样硬化的发病机制，这是老年心血管疾病及糖尿病、血脂异常、代谢综合征和高血压病人死亡的常见原因[33-34]。动脉粥样硬化是由ECs、VSMCs和单核/巨噬细胞中的SIRT1缺陷引起，其主动介导氧化应激、炎症、泡沫细胞形成和血管壁自噬受损[35]。由炎症或氧化应激刺激的严重自噬导致胶原合成减少、纤维帽变薄、斑块不稳定、再狭窄和急性冠脉综合征。SIRT1通过增加NO产生，HERC2介导的LKB1降解，阻断NF-κB介导的炎症过程，减少氧化应激和控制自噬发挥动脉保护作用[35-36]。载脂蛋白E敲除(ApoE-/-)SIRT1转基因小鼠受损的内皮依赖性血管舒张功能恢复并伴有主动脉eNOS上调[37]。ApoE-/-小鼠内皮特异性SIRT1过表达可激活eNOS，阻止内皮细胞黏附分子表达，并减轻高脂饮食引起的主动脉斑块形成过程[37]。根据上述研究，口服低剂量红葡萄酒(作为白藜芦醇来源)后，高胆固醇血症小鼠主动脉eNOS和SIRT1表达均上调，此证据支持SIRT1在预防动脉粥样硬化病变进展中的意义[38]。Arunachalam等[15]研究发现SIRT1水平和活性在易发生动脉粥样硬化ApoE-/-小鼠肺组织中显著降低，且进一步减轻香烟烟雾反应，导致由eNOS乙酰化增加和失活引起的肺内皮功能障碍。SIRT1通过抑制AP-1活性和减少cyclin D1和基质金属蛋白酶9(MMP-9)的表达抑制新内膜形成[39]。

血管平滑肌细胞SIRT1通过激活修复蛋白(nijmegenbreakage syndrome-1，NBS-1)[40]免受DNA损伤并抑制动脉粥样硬化。ApoE-/-小鼠平滑肌细胞表达非活性截短的SIRT1(Δex4)显示动脉粥样硬化增加，且相对纤维帽厚度和内侧退化减少。患有2型糖尿病受试者动脉粥样硬化斑块的特征在MMP-9活性增加和组织金属蛋白酶抑制剂3(TIMP3)表达减少，TIMP3表达降低与SIRT1水平降低相关[41]。平滑肌细胞SIRT1过表达增加TIMP3启动子活性，抑制SIRT1活性，降低TIMP3表达。平滑肌细胞中，SIRT1能维持胶原合成，防止斑块不稳定，并通过促进X-box(RFX5)活性的调控因子核移除和蛋白酶体降解，抑制其与胶原蛋白Ⅰ型(COL1A2)基因启动子的结合[42]。

Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶b(CaMKKb)对单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)和SIRT1的共调作用有助于动脉粥样硬化保护性表型。AMPK和SIRT1在细胞质中共同作用激活eNOS，激活NO介导的抗炎作用通过抑制单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、细胞间黏附分子-1(ICAM-1)、血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)和E选择素(E-selection)活性。细胞核中AMPK和SIRT1激活过氧化物增殖物激活-受体因子γ辅助激活因子(PGC-1α)，导致抗氧化酶SOD和CAT上调[43]。AMPK/NADPH/蛋白激酶B(Akt)/eNOS信号通路受槲皮素调节，槲皮素是一种抗氧化剂，能激活SIRT1并抑制氧化型低密度脂蛋白(oxLDL)诱导的内皮氧化损伤[44]。类似于槲皮素，白藜芦醇通过上调AMPK/SIRT1或CAMP-PRKAAMPK-SIRT1信号通路减弱血管内皮炎症和oxLDL诱导的损伤[45-47]。oxLDL抑制自噬流，通过oxLDL诱导的SIRT1依赖性溶酶体功能障碍机制[48-49]。

通过对内皮祖细胞(EPCs)衰老和外膜成纤维细胞迁移的精细调控，SIRT1发挥抗动脉粥样硬化作用[50-51]。在EPCs中，烟酰胺磷酸核糖转移酶(NAMPT)是NAD+生物合成途径中的限速酶，通过磷脂酰肌醇3激酶/丝氨酸激酶/细胞外信号调节激酶(PI3K/Akt/ERK)途径上调SIRT1表达，从而减弱oxLDL诱导的衰老[51]。来自代谢综合征受试者的外周血单核细胞中，高糖和棕榈酸酯依赖性损害SIRT1，与NAMPT表达减少，之后细胞内NAD+消耗和ROS产生增加有关[52]。

动脉粥样硬化的一个关键环节是由单核细胞衍生的巨噬细胞浸润到内皮下，通过清道夫受体凝集素样oxLDL受体1(Lox-1)摄取oxLDL促进巨噬细胞中胆固醇的积累并形成泡沫细胞。SIRT1+/+ApoE-/-小鼠通过NF-κB信号传导途径显示，巨噬细胞泡沫细胞形成减少和oxLDL摄取伴随Lox-1表达降低[53]。银杏内酯B是一种血小板活化因子抑制剂，引发抗炎特性，通过NF-κB抑制并减少ICAM-1和MCP-1表达，在oxLDL刺激的人脐静脉ECs观察可见，SIRT1表达增加和Lox-1表达水平降低[54]。体内血栓形成的Lox-1调节取决于oxLDL激活程度，Lox-1在低水平oxLDL激活保护性SIRT1通路，在高水平oxLDL中转换为血栓形成性ERK1/2依赖性通路[55]。

4 SIRT1在心脏中的作用

SIRT1在维持心脏功能方面发挥不同作用，特别是防止氧化损伤、缺血再灌注损伤(I/R)和肥厚刺激。SIRT1认为与心力衰竭的发病机制和心脏电活动的调节密切相关[56-58]，已提出可能作为心肌梗死发生的预后工具。心脏中SIRT1负调节促凋亡蛋白Bax，并通过FOXO激活正调节抗凋亡蛋白(Bcl-xL)的表达。SIRT1通过特异性地控制心肌细胞p53的乙酰化和转录活性而在心脏中发挥保护作用[59]。慢性1型糖尿病模型中，心脏SIRT1水平降低与心肌肌质钙ATP酶(SERCA2a)水平降低有关[60]。Prola等[61]报道，SIRT1通过与Lys-141(K141)和Lys-143(K143)残基上的真核翻译起始因子2α(eIF2α)的相互作用和去乙酰化保护心肌细胞免受内质网(ER)应激损伤。SIRT1作为Lin28a下游靶标抵抗心肌梗死损伤[62]；反之抑制SIRT1可诱导核破裂和半胱氨酸蛋白酶-3切割，SIRT1缺陷小鼠表现为心脏发育异常和产前致死率[63]。

4.1 氧化应激和I/R SIRT1对不同心脏压力反应不同，在压力超负荷、营养饥饿、运动和急性缺血预处理过程中，这种蛋白质表达上调，而I/R损伤期间表达下调。SIRT1通过去乙酰化和激活PGC-1a和FOXO途径活化CAT和MnSOD，从而保护心肌细胞免受氧化应激介导的损伤[4，64]。

I/R后SIRT1在心脏中表达减少，SIRT1心脏特异性过表达通过上调MnSOD，硫氧还蛋白-1(Trx1)和Bcl-xL表达和下调促凋亡Bax表达，改善I/R后的功能恢复。白藜芦醇对SIRT1的激活是通过增加ERK磷酸化和减少p38和JNK表达水平，从而减弱心脏I/R损伤[65]。SIRT1对心脏氧化应激的反应与浓度有关。小鼠心脏高水平SIRT1表达反之通过线粒体功能失调诱导氧化应激。经历I/R的雄性Wistar-Kyoto大鼠心脏显示，心肌细胞凋亡增加，半胱天冬酶3切割，SIRT1瞬时上调，FOXO1表达增加，与SIRT1启动子区域的结合[66]。糖尿病小鼠研究显示，白藜芦醇通过SIRT1/FOXO1/Rab7通路增强自噬流改善心肌氧化应激损伤[67]。

4.2 氧化应激与心肌肥大 SIRT1能防止心脏肥大，尽管SIRT1根据与其他因素的相互作用和应激严重程度显示出相反的作用[68-69]。心脏压力超负荷通过上调PPAR-a-SIRT1复合物，抑制雌激素相关受体(ERRs)转录途径，诱导心脏肥大和心里衰竭。SIRT1依赖性Akt活化加剧心脏肥大。SIRT1介导Akt的pleckstrin同源性(PH)结构域和其上游激酶PDK1的去乙酰化促进其与质膜中的磷脂酰肌醇(3，4，5)三磷酸(PIP3)的相互作用，其中PDK1磷酸化并激活Akt，引起心脏肥大[70]。SIRT1缺陷型心脏在体育锻炼和血管紧张素Ⅱ刺激下Akt激活减少和心脏肥大发展降低[70]。

5 小 结

血管老化和心血管疾病的细胞机制揭示SIRT1信号途径，包括它们之间的可能联系是这一领域的主要挑战，同时对Sirtuins的氧化还原调节深入了解。应特别注意SIRT1药理调节剂应用，注意潜在Sirtuins活化的慢性影响，不应排除使用膳食抗氧化剂化合物和健康生活方式的干预措施，包括适度的体育锻炼和卡路里限制，成为控制血管老化和心血管疾病的细胞氧化应激状况的重要工具。