SIRT1与神经细胞凋亡关系的研究进展

张 艺，邱 珍，夏中元

(武汉大学人民医院麻醉科，武汉 430060)

沉默信息调节因子1(silence information regu-lator 1，SIRT1)是哺乳动物沉默信息调节因子sir2(silent information regulator 2)超蛋白家族的成员之一，是依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的组蛋白去乙酰酶[1]。随着世界人口老龄化的加重，神经退行性疾病的发病率逐年升高。中国神经退行性疾病的发病率较高，其中最高的阿尔茨海默病预计到2020年、2030年、2040年及2050年患病人数将分别达到1450万、2075万、2687 万、3003万[2]。神经系统疾病的发病机制尚未完全明确，目前仍缺乏有效的治疗手段。阐明神经退行性疾病的发病机制是预防和治疗此类疾病的基础，对降低人口老龄化导致的医疗成本、提高老年人的生活质量具有重要意义。SIRT1因具有限制能量代谢及延长寿命的作用而被研究人员所重视。研究发现，SIRT1在神经元的发生、发展，正常神经功能维持以及神经元的保护中发挥重要作用[3]。有研究表明，SIRT1通过调控神经细胞凋亡减轻神经退行性疾病造成的损伤[4]，神经细胞凋亡可能是研究神经退行性疾病的新方向。现就SIRT1对神经细胞凋亡的影响及作用机制予以综述。

1 SIRT1概述

1986年，Ivy等[5]从酵母菌中发现了一种与细胞寿命相关的基因，并将其命名为Sir2。哺乳动物有7个sirtuins旁系同源物，分别是SIRT1～7，其中SIRT1与酵母Sir2同源性最高，是研究最多的sirtuin，并且在大脑中的表达水平较其他器官高[6-7]。

人类SIRT1编码基因定位于染色体10q22.1，基因长度为33 kb，包含9个外显子和8个内含子，在5′端和3′端分别有1个53 bp和1 793 bp的非翻译区，编码一种含有500个氨基酸残基的蛋白，翻译后的蛋白产物的相对分子质量约为62 000[8]。SIRT1定位于细胞核内，其脱乙酰活性的发挥需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸作为必要的辅助因子。

研究表明，SIRT1通过去乙酰化其靶蛋白如p53、胰岛素受体底物2(insulin receptor substrate 2,IRS-2)、叉头蛋白转录因子O(forkhead box transcription factor O，FOXO)、核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)等参与多种生物学过程，如氧化应激、炎症反应、葡萄糖和脂质代谢、细胞自噬、细胞有丝分裂、细胞凋亡、细胞周期调控、细胞增殖、细胞衰老以及细胞凋亡代谢等[9-11]，并参与多种疾病如神经退行性变、代谢性疾病、心血管疾病等的发生发展[12-14]。

2 神经细胞凋亡概述

细胞凋亡,又称为程序性细胞死亡，是宿主抵抗病原体入侵的必不可少的防御机制[15]。细胞凋亡受严格调控，可由多种刺激引发，如正常发育、病原体感染以及导致细胞功能破坏的若干因素[16]。凋亡细胞表现出特征性的形态学异常，包括染色质浓缩、核碎裂、膜起泡以及凋亡小体形成。细胞凋亡通常通过内在途径或线粒体途径，外在途径或死亡受体途径以及内质网途径发生[17]。

线粒体途径由多种细胞内信号诱导发生，如缺氧、营养缺失以及氧化应激，这些因素导致线粒体外膜透化。随后，细胞凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor，AIF)、细胞色素C以及第二个线粒体来源的胱氨酸酶激活剂从线粒体膜释放到细胞质中[18]。细胞色素C可募集起始细胞凋亡蛋白酶-9和凋亡蛋白酶激活因子-1形成凋亡体，随后激活下游的细胞凋亡蛋白酶胱天蛋白酶，触发相关蛋白酶的级联反应，最终导致细胞凋亡。

线粒体途径主要受B细胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma 2，Bcl-2)家族蛋白的调节，主要分为三种：第一种是抗凋亡亚家族，包括Bcl-xL和Bcl-2；第二种是Bcl-2同源拮抗剂杀伤因子(Bcl-2 homologousantagonist killer，Bak)和Bcl-2相关x蛋白(Bcl-2 associated x protein，Bax)，Bak和Bax活化后破坏线粒体的通透性，从而促进细胞凋亡；第三种是凋亡前BH3-only蛋白，如BH3相互作用结构域死亡激动剂(BH3 interacting-domain death agonist，Bid)和Bcl-2相关死亡启动子(Bcl-2 associated death promoter，Bad)，这些蛋白质是抗凋亡亚家族蛋白的拮抗剂，通过激活Bax/Bak样促凋亡因子的活性或抑制Bcl-2 抗凋亡因子的活性调节细胞凋亡。

死亡受体途径通过特异性配体与相应死亡受体结合而被激活，最终导致细胞DNA裂解[19]。目前研究最多的死亡因子受体(Fas)/死亡因子Fas配体(FasL)通路，当Fas与配体FasL结合后发生三聚化而激活，并募集Fas相关死亡结构域蛋白，从而组成死亡诱导信号复合物，最终激活胱天蛋白酶-8和胱天蛋白酶-3，引发级联反应，导致细胞凋亡。

内质网通路是近些年才发现的一种新的凋亡途径。当细胞处于氧化应激、缺血缺氧等病理状态时会引发内质网应激(endoplasmic reticulum stress,ERS)，ERS调节Ca2+水平并启动蛋白激酶样内质网激酶、内质网跨膜蛋白肌醇酶-1，激活转录因子6通路，这些通路与细胞凋亡的线粒体途径相关。适度的ERS可通过促进内质网处理错误折叠蛋白或未折叠蛋白等降低损伤，持续的ERS则可引起细胞凋亡。

神经元也叫“神经细胞”，是神经系统结构和功能最基本的单位，由胞体、轴突和树突组成，能够感受刺激并传导兴奋。神经元凋亡影响大脑发育，损害机体的学习记忆功能，甚至参与神经退行性相关疾病如阿尔茨海默病、帕金森病等的发生、发展及演进。神经细胞一般不会再生，所以神经细胞凋亡造成的影响可能是不可逆转的[20]。

3 SIRT1调控神经细胞凋亡的机制

SIRT1通过脱乙酰化作用调控多种重要基因，如p53、FOXO、过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(peroxisome proliferator activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α)、蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)等，这些下游基因又通过调控凋亡因子、神经炎症、氧化应激、线粒体发生等实现对神经细胞凋亡的调控。

3.1SIRT1/p53通路 p53是一种肿瘤抑制蛋白，与p63和p73属于同一个家族。 p53是细胞应激反应的关键组成部分。p53的调节包括调节基因表达和稳定性以及各种可逆的翻译后修饰。细胞发生DNA损伤、癌基因表达、缺氧、活性氧类增多以及营养缺乏等时，p53被诱导或快速经历逆转翻译后修饰，从而使其稳定和活化。在细胞核中，p53转录激活参与细胞凋亡、细胞周期、自噬以及代谢[21]。另一方面，细胞质p53通过直接结合细胞质蛋白如凋亡和自噬效应物，以不依赖于转录的方式起作用[22]。

在细胞凋亡过程中，p53主要与Bcl-2家族相互作用，包括与抗凋亡蛋白Bcl相互作用，诱导Bak寡聚化，使线粒体膜透化，并迅速诱导细胞色素C释放、激活细胞凋亡蛋白酶级联反应，进而调控凋亡。

p53的多个赖氨酸残基可在人体内乙酰化，包括K320、K373和K382，不同残基的乙酰化诱导p53介导应激反应的不同方面。K382残基上的乙酰化有利于p53的激活，从而触发凋亡相关靶基因的转录[23]。SIRT1通过脱乙酰化和泛素化抑制p53，从而减轻凋亡。SIRT1对p53 K382位的赖氨酸残基发挥去乙酰化作用，降低了p53的转录活性，减轻细胞凋亡[24]。p53泛素化的主要部位是C端，在细胞应激期间，SIRT1去乙酰化这些残基有助于阻断蛋白质降解，稳定p53[25]。

对蛛网膜下腔出血(subarachnoid hemorrhage，SAH)和SAH诱导的早期脑损伤(early brain injury，EBI)的研究发现，SAH早期SIRT1蛋白的水平显著升高，SAH后24 h达高峰；在神经细胞和小胶质细胞中可以观察到SIRT1的表达，增加的SIRT1主要位于SAH后的神经元中，通过去乙酰化和抑制p53、NF-κB等诱导的氧化反应，有效减轻神经炎症和氧化损伤，改善SAH后神经细胞凋亡，减轻脑水肿和神经功能恶化[26]。

3.2SIRT1/FOXO通路 FOXO以黑腹果蝇叉头基因命名，哺乳动物细胞表达4种FOXO同种型(FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6)，不同种型在疾病中发挥的作用和功能不同。FOXO1和FOXO3是研究最广泛的两种同种型，对多种疾病都有影响，包括心血管疾病[27]、糖尿病[28]、癌症[29]，另外对干细胞活性也有影响[30]。此外，FOXO1/3有调节衰老和寿命的作用,受几种上游分子的调控，并调节许多下游蛋白质[31-34]。此外，FOXO1/3还具有上调一系列细胞周期抑制剂和促凋亡靶点的能力，在心脏、血管、骨骼肌、肝脏、脑中发挥重要作用，包括细胞增殖、分化和凋亡[35]。

FOXO的转录激活可通过乙酰化和去乙酰化、磷酸化和去磷酸化调节。FOXO蛋白结构中DNA结合区域的赖氨酸残基可被具有组蛋白乙酰转移酶活性的细胞核蛋白乙酰化，导致FOXO的转录激活能力降低。FOXO家族蛋白是SIRT1的常见靶蛋白，对细胞凋亡的介导至关重要。SIRT1对FOXO3a的功能具有双重影响，通过SIRT1的去乙酰化作用，增强FOXO3a促进细胞周期停滞和抗氧化应激能力的同时也抑制FOXO3a诱导细胞死亡的能力[36]。

研究表明，在锰诱导的神经毒性细胞凋亡中，通过活化c-Jun氨基端激酶(c-Jun N-terminal kinase，JNK)增加SIRT1蛋白的降解，降低SIRT1信使RNA的水平，最终导致SIRT1表达下降，进而使FOXO3a的表达及乙酰化增加，引发细胞死亡调解子(Bcl-2 interacting mediator of cell death，Bim)和p53上调凋亡调节剂的表达[37-38]。Bim和p53上调凋亡调节剂一旦被激活可作为Bax的有效激活剂触发细胞凋亡。用SIRT1激动剂白藜芦醇处理细胞后，细胞密度增加,此外白藜芦醇还能增加细胞活力，并在锰暴露下上调Bcl-2蛋白的水平，减轻细胞凋亡[38]。

3.3SIRT1/PGC- 1α PGC-1α是核受体和其他转录因子的核转录共激活因子，在心脏、肾脏、大脑、骨骼肌以及棕色脂肪组织中强烈表达。

线粒体是机体能量代谢最关键的细胞器，而PGC-1α是线粒体生物发生的中心调节剂，可促进线粒体的生物合成，包括调节线粒体蛋白质的合成与线粒体基因的复制等。激活PGC-1α可以改善阿尔茨海默病中线粒体的生物发生[39]。活性氧类是机体代谢产生的有机产物，有很强的氧化能力。活性氧类持续升高会引起DNA和蛋白质损伤，导致线粒体功能失调，进而产生更多的活性氧类，导致恶性循环，最终造成线粒体呼吸链电子传递和氧化磷酸化缺陷，导致线粒体通透性改变，胞质内大量钠离子进入线粒体，线粒体内的渗透压升高，线粒体水肿，AIF、细胞色素C、第二个线粒体来源的胱氨酸酶激活剂等促凋亡因子释放，最终导致细胞凋亡[40]。

PGC-1α参与氧化代谢的正调节，并参与山梨醇脱氢酶和超氧化物歧化酶等抗氧化蛋白的诱导，对抗活性氧类以增强细胞的抗氧化能力[41]。组蛋白乙酰基转移酶复合体能直接乙酰化PGC-1α的多个赖氨酸残基，降低PGC-1α水平并抑制其转录活性，从而抑制PGC-1α的功能，而SIRT1能使PGC-1α去乙酰化以增强其活性，促进线粒体生物合成，并维持线粒体功能，减少细胞凋亡[42]。

3.4SIRT1/Akt通路 研究表明，SIRT1的表达可增加Akt的活性，并减轻细胞凋亡[43-44]，SIRT1/Akt通路的激活通过促进血管生成和神经发生，对缺血性脑卒中发挥神经保护作用[45-46]。

Akt是一种丝氨酸-苏氨酸激酶，可由磷酸化的磷脂酰激酶-3-激酶产物所激活。Akt有3种同种型，即AKT 1、2和3，每种同种型有3个高度保守的结构域，疏水基序、催化结构域。pleckstrin同源(pleckstrin homology，PH)结构域含有脂质结合模块，可促进Akt定位于质膜，这是Akt活化的重要步骤[47]。Akt从细胞质向质膜的运动诱导激活激酶，并调节Akt底物(如结节性硬化症复合物2、分子量为40 000的Akt底物蛋白和糖原合成酶激酶3β)的磷酸化，最终调节各种生理病理过程。SIRT1与Akt的活化之间存在相互作用。组蛋白乙酰转移酶在Lys-14和Lys-20上将Akt乙酰化，乙酰化的Akt导致磷酸化降低和活性抑制。SIRT1可使 Lys-14和Lys-20上的Akt去乙酰化，促进Akt的活化[43]。活化的Akt通过磷酸化其底物如Bad、FOXO、糖原合成酶激酶3β阻断细胞凋亡。在没有活化的Akt的情况下，非磷酸化的Bad转移到线粒体中，并触发细胞色素C释放、胱天蛋白酶-3活化以及细胞凋亡。非磷酸化的叉头框蛋白易位到细胞核中，并作为转录因子上调Bim和Fas配体的蛋白质水平。与Bad相似，Bim触发细胞色素C释放，而Fas配体触发外在凋亡途径。Li等[44]在研究磷酸二酯酶-4在SAH后EBI中的保护作用时证实，磷酸二酯酶-4在SAH后EBI的病理生理过程中发挥重要作用，并通过SIRT1/Akt途径抑制神经细胞凋亡，但SIRT1与Akt活化之间相互作用的确切机制还需进一步研究。

3.5其他通路 过氧化物酶体增殖物激活受体γ在细胞凋亡和炎症调节中起重要作用，通过预防梗死周围区域的神经元损伤和神经元延迟退化而对脑缺血起保护作用[48]。过氧化物体增殖物激活受体γ可与SIRT1的启动子区域结合，抑制转录，由此过氧化物体增殖物激活受体γ-SIRT1的负反馈回路被提出，该反馈环可调节活性氧类的代谢、凋亡和细胞周期[49]。NF-κB通过增强肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-1β等促炎性因子基因的表达促进炎症反应，SIRT1的去乙酰化作用于NF-κB可减轻SAH的EBI[50]。SIRT1/NF-κB信号通路还能介导17β-雌二醇对脑出血的保护作用[9]。

Ku70是一种广泛存在于人体的重要的DNA修复蛋白，乙酰化后可释放出与其结合的Bax，进而启动细胞的线粒体凋亡途径。SIRT1去乙酰化Ku70增强了DNA修复活性，在细胞质中螯合Bax蛋白，以防止细胞凋亡的发生，延长细胞寿命。SIRT1/Ku70通路在神经系统中的作用还需进一步研究。

4 展 望

去乙酰化在蛋白质翻译后调节中具有举足轻重的作用，神经保护性基因SIRT1作为一种依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的组蛋白去乙酰化酶类，可通过去乙酰化作用，调节能量代谢、炎症反应、衰老等。现研究表明SIRT1通过作用于下游蛋白p53、FOXO、PGC-1α、Akt等，调控神经细胞凋亡，缓解神经退行性疾病的演进过程，有望成为治疗及预防神经退行性疾病新的靶点。