线粒体SIRT3在肾脏疾病中的研究进展

程玲莉，杨定平

(武汉大学人民医院肾内科，武汉 430060)

急性肾损伤(acute kidney injury，AKI)是一种常见的临床危重疾病，发病率高，早期诊断困难，预后较差，病死率高。AKI对患者的影响和由此产生的社会负担以及慢性肾脏病(chronic kidney disease，CKD)和终末期肾病(end stage renal disease，ESRD)的发展正引起越来越多的关注[1]。近年来，CKD的患病率在世界范围内呈逐年递增趋势，已经成为继心脑血管疾病、糖尿病、恶性肿瘤后危害人类健康的慢性病之一。随着我国人民生活水平的提高和饮食习惯的改变，高血压性肾损害和糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN)的患病率显著升高，其中AKI发展为CKD也占相当大的比例[2]。肾脏是体内消耗ATP最多的器官，需大量的线粒体提供能量，以维持正常的生理功能。沉默信息调节因子(silence information regulator，SIRT)属于一个进化保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖性脱乙酰基酶家族，具有与增殖、DNA修复、线粒体能量稳态和抗氧化活性相关的多种细胞功能[3]。SIRT3表达于线粒体，是研究最彻底的线粒体SIRT，它对一系列代谢靶点具有强大的脱乙酰基酶活性(包括电子传递链的亚单位以及参与脂肪酸氧化、氨基酸代谢、氧化还原平衡及三羧酸循环的酶)[4]。既往研究表明，线粒体氧化代谢的核心酶被赖氨酸乙酰化修饰，当缺少SIRT3时，这些蛋白质被高度乙酰化[5]。SIRT3在蛋白质脱乙酰化中的作用以及参与多种生理功能和疾病，表明 SIRT3具有潜在的治疗作用[6]。现就线粒体SIRT3在肾脏疾病中的研究进展予以综述。

1 SIRT3的作用机制

1.1调节线粒体功能 线粒体是一种复杂的细胞器，含有两种不同的细胞膜，可以进行特殊的新陈代谢区域化。外膜作为细胞溶胶的通透性屏障，其成分与质膜相似，含有孔蛋白，线粒体对分子量小于3 000的代谢物和小肽完全通透，而较大的蛋白质需要特定的外膜转运蛋白(外膜/内膜的转位酶)；相反，内膜通过固定在负责ATP合成的典型内陷(嵴)上的电子传递链蛋白充当电绝缘体[7]。能量的产生是细胞存活的核心功能要素，而ATP的耗竭是一个强烈的凋亡信号。SIRT3与线粒体电子传递链内的复合体Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ具有物理相互作用并能起到调控作用[7-9]。此外，SIRT3被证实为线粒体核糖体蛋白10的调节因子，从而揭示SIRT3在呼吸复合物转录调控中的作用；当细胞存活所需的主要能源丙酮酸供应不足时，线粒体通过将糖酵解转化为脂肪酸、氨基酸和乙酸分解代谢来维持ATP的生成，作为细胞生存的替代能源，这种代谢转换也称为沃伯格效应，由不同水平的SIRT3调节[10]。以上证据表明，SIRT3是ATP稳态的一个重要调节因子。线粒体作为氧化磷酸化的场所，是活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的主要来源，细胞代谢功能损害通常伴随ROS的大量积累，而氧化损伤与多种疾病(包括神经退行性疾病、糖尿病、癌症和早衰)有关[11]。ROS产生增加和抗氧化防御下降使线粒体极易受到损伤，因此ROS水平受到多种抗氧化酶(包括细胞器内的超氧化物歧化酶2、过氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶)的严格调控；SIRT3在抗氧化途径调节中的作用是多方面的，其不仅可激活超氧化物歧化酶2，有利于清除超氧物；还可与三羧酸循环酶异柠檬酸脱氢酶2相互作用，减少ROS的产生，保护细胞免受ROS的损害[12]。

1.2保护线粒体结构完整 线粒体通过以下三个过程相互作用来满足细胞的代谢需求：①线粒体质量控制，即通过分裂/融合改变其形状和大小；②通过线粒体自噬隔离受损的线粒体，并将其递送至溶酶体进行降解；③通过生物合成产生新的线粒体以补充线粒体池；此外，线粒体在细胞钙稳态中起至关重要的作用，并与细胞凋亡的调节密切相关，内源性凋亡大多是原发性的，依赖于线粒体通透性转换孔开放，导致线粒体膜电位耗散、细胞色素C释放以及促凋亡途径激活[13]。而SIRT3可以通过心肌细胞中亲环素D的去乙酰化阻止线粒体通透性转换孔开放，从而防止ROS的产生、钙稳态的干扰和细胞凋亡[14]。有研究证明，线粒体不是静止的细胞器，它们的大小、数量和位置可能因细胞的特异性需求而存在很大差异；线粒体通过裂变和融合存在于动态网络中，而裂变和融合是维持线粒体网络功能完整性的重要质量控制机制，当细胞器受损时，需要裂变将线粒体从网络中移除，融合则通过混合部分受损线粒体的内容物来帮助缓解生理应激水平，从而稀释累积的氧化蛋白和ROS；分裂由胞质动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1，DRP1)介导，DRP1激活后被招募到线粒体外膜上，并与其受体线粒体分裂蛋白和分裂因子形成环状结构，随后DRP1收缩并最终切断细胞器[15]。线粒体融合蛋白1和线粒体融合蛋白2通过形成同型或异型二聚体使相邻的线粒体完成外膜融合，并激活视神经萎缩蛋白1介导线粒体内膜融合[16]。线粒体动力学与线粒体自噬的质量控制途径密切相关，将受损的线粒体从健康的网络中分离出来，线粒体自噬主要受人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因诱导激酶1(phosphates and tensin homologue deleted on chromosome ten gene induced putative kinase 1，PINK1)调控，PINK1在生理条件下被导入线粒体，在线粒体中稳定地裂解和降解，当线粒体膜电位丢失时，PINK1积聚在线粒体外膜上，并招募Parkin(一种细胞质E3泛素连接酶)，靶向降解受损的细胞器[17]。SIRT3在调节线粒体动力学和线粒体自噬方面的作用尚未得到充分研究，有研究表明，SIRT3去乙酰化视神经萎缩蛋白1有利于心肌细胞的线粒体融合和细胞存活[18]；Huang等[19]在顺铂诱导的AKI动物模型中发现，重组肾素酶恢复SIRT3表达，可减少线粒体分裂和ROS生成。Tang等[20]研究发现，在体内外缺血性AKI模型中，PINK1和Parkin缺乏减弱了线粒体自噬作用，增强了线粒体损伤、ROS生成和炎症反应。

2 SIRT3在肾脏疾病中的作用

2.1AKI AKI是脓毒症、缺血再灌注损伤、肾毒性药物等各种病因导致的以肾小球滤过率急剧下降伴少尿或无尿、严重水电解质和酸碱失衡等为主要临床表现的严重综合征。在需要早期肾脏替代治疗的患者中，AKI的年病死率超过50%，高于乳腺癌、前列腺癌、心力衰竭和糖尿病[17]。近年来研究证明，SIRT3与AKI及AKI后修复相关，重症监护室AKI的发病率高达60%，其中脓毒症是AKI最常见的原因，占40%以上，脓毒症相关AKI发作后存活患者以后生活中出现ESRD的风险增加[21-22]。Zhao等[21]研究发现，在结肠结扎穿刺致小鼠脓毒症模型中，SIRT3敲除加重了结肠结扎穿刺诱导的肾功能不全、肾小管细胞损伤和凋亡、线粒体改变以及ROS的产生，促使核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3基因和凋亡相关斑点样蛋白表达上调，导致氧化应激激活、促凋亡细胞因子白细胞介素-1β和白细胞介素-18增加以及细胞凋亡增强，这些作用可被抗氧化剂N-乙酰-L-半胱氨酸逆转，提示SIRT3对肾脏线粒体损伤具有保护作用。目前针对SIRT3在缺血再灌注致AKI中作用机制的研究较少，Wang等[23]研究发现，在体内外肾缺血再灌注AKI模型中SIRT3的表达均受到抑制，SIRT3过表达可改善肾功能，调节氧化损伤，抑制炎症损伤，减少肾小管上皮细胞凋亡，故通过改变胞外信号调节激酶-视神经萎缩蛋白1级联反应恢复SIRT3和(或)激活线粒体裂变可能是治疗肾缺血再灌注损伤的新方法。顺铂类药物化疗常用于实体瘤的治疗，但由于具有肾毒性、耳毒性和神经毒性，其临床治疗存在局限性。顺铂致AKI的发病机制多种多样，主要与线粒体功能损害、氧化应激和细胞凋亡等有关。Morigi等[24]研究发现，在顺铂诱导的AKI动物模型中，SIRT3通过保护线粒体的完整性来保护肾小管损伤，提示通过增加肾脏SIRT3表达改善线粒体动力学是改善AKI预后的潜在策略。水飞蓟宾是一种SIRT3药理学激活剂，能增加顺铂体内和体外给药后SIRT3的表达。Li等[25]研究发现，水飞蓟宾可通过改善线粒体功能对顺铂诱导的肾小管细胞凋亡和AKI起保护作用，但不能改善SIRT3缺陷细胞和小鼠的线粒体功能及生物能量学，因此水飞蓟宾在顺铂化疗中可以作为一种潜在的临床肾脏保护性辅助治疗。Huang等[19]研究发现，在顺铂诱导的AKI动物模型中，重组肾素酶通过上调SIRT3的表达，减少线粒体分裂和ROS生成，抑制氧化应激，保护顺铂诱导的AKI。随着造影剂在介入治疗和诊断中应用的增多，对比剂诱导的AKI(contrast-induced acute kidney injury，CI-AKI)已成为医院获得性急性肾衰竭的第三大病因，占所有急性肾衰竭病例的10%～25%[26]。CI-AKI的机制尚未完全阐明，可能与肾缺血、ROS形成、一氧化氮生成减少、肾小管上皮和血管内皮损伤等因素有关[27]。Zhang等[26]研究发现，在CI-AKI小鼠模型中，敲除SIRT3会加重小鼠肾损伤、氧化应激、ROS生成以及凋亡，而烟酰胺核糖可减轻野生型小鼠的CI-AKI，但对SIRT3敲除小鼠无改善作用。关于SIRT3在CI-AKI中的作用尚待进一步研究。

2.2CKD 由于糖尿病和肥胖症的发病率急剧上升，CKD正在成为一种全球性疾病。因此迫切需要寻找治疗CKD的新靶点和方法。目前，关于SIRT3在CKD中的研究较少。DN是糖尿病患者发病和死亡的主要原因，也是世界范围内ESRD的主要原因[28]。DN的发病机制目前尚不清楚，可能与氧化应激和细胞凋亡有关。SIRT3是线粒体基质中促进有氧代谢的主要脱乙酰酶，是ROS的工具性调节因子，ROS的产生会导致DN的发生，SIRT3的缺乏可加重ROS引起的组织损伤[29-30]。Liu等[31]研究发现，重组人斯钙素-1可使DN动物模型和高糖处理的BUMPT细胞中AMP活化蛋白激酶和SIRT3的表达上调，以拮抗高糖诱导的氧化应激和细胞凋亡。Wang等[32]研究发现，在高糖刺激的体外模型中，SIRT3在DN进展中表达减少，SIRT过表达可维持肾功能，延缓DN的发展，这与增加SIRT3激活AMP活化蛋白激酶途径、增强过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α相关线粒体保护系统、维持氧化还原平衡、封闭胱天蛋白酶9相关凋亡途径在DN中的作用有关。Wang等[33]研究发现，在DN动物模型和高糖处理的小鼠以及人足细胞与近段小管上皮细胞中，G蛋白偶联胆汁酸受体5通过激活SIRT3诱导线粒体生物合成并防止肾氧化应激和脂质蓄积。这些结果均提示，SIRT3表达增加可对DN起保护作用。我国成人高血压患病人数已达3亿，患病率高达27.8%，高血压肾脏损害所致ESRD发病率亦逐年上升[34]。肾小球硬化、肾小管间质纤维化和蛋白尿是高血压性肾损伤的主要病理特征，减轻肾脏纤维化可以有效缓解肾脏损伤。Lin等[35]研究发现，血管紧张素Ⅱ灌注的高血压肾病小鼠模型的SIRT3表达显著减少，同时伴有内皮细胞的诱导、ROS的增加以及肾脏纤维化，SIRT3敲除加重了这些损伤，而SIRT3过表达通过促进叉头框蛋白O3a去乙酰化及其核移位，导致激活的叉头框蛋白O3a依赖性过氧化氢酶表达增加，减少ROS产生，抑制内皮细胞间质转化，从而缓解高血压肾损害。Li等[36]研究发现，在血管紧张素Ⅱ灌注的高血压肾病小鼠模型中，SIRT3基因敲除加重了高血压引起的肾功能不全和肾脏纤维化，而SIRT3过表达减轻了上述损伤；同时该研究表明，SIRT3与细胞外基质蛋白合成负调节剂krüppel样因子15存在共定位关系，SIRT3可使krüppel样因子15去乙酰化，从而减轻肾脏纤维化。

2.3肾脏衰老 肾脏作为人体必需的高能量器官，是机体衰老的重要靶器官之一，肾脏衰老会促进老年CKD的发生。有研究表明，老龄是AKI患者死亡的独立危险因素，线粒体的完整性有助于防止衰老和各种慢性疾病相关的损害，SIRT3通过调节细胞器的不同过程在维持线粒体内稳态中起关键作用[37]。生物能量学的衰退是老年人普遍虚弱的基础，也是代谢性疾病和退行性疾病广泛分布的基础。与年轻人相比，老年人肾脏的结构和功能发生了渐进性改变，更容易患糖尿病和CKD。在啮齿动物和非灵长类动物中，热量限制是延缓衰老和降低年龄相关疾病发病率最有效的营养干预措施。由于SIRT3对线粒体蛋白乙酰基的重编程有着深远的影响，SIRT3首先被认为是一种适应热量限制的中枢因子，能够延长寿命和延缓与年龄相关的疾病[5]。Wang等[38]研究表明，外源性环腺苷酸通过直接与SIRT3结合提高了SIRT3的活性，改善了衰老相关表型，从而防止代谢紊乱。SIRT3位于人类染色体11p15.5上的一大簇与长寿相关的基因中，在SIRT3基因中发现的通过增加SIRT3的表达而导致长寿的单核苷酸多态性，为SIRT3依赖性调节人类衰老提供了证据[39]。

3 小 结

AKI具有极高的发病率和病死率，成为威胁患者生命安全的主要疾病之一。AKI进展为慢性肾衰竭后，会严重影响患者的生活质量，且占据大部分医疗资源。SIRT3主要通过调节ATP合成、减少ROS产生、抗氧化应激、维持线粒体结构完整、延缓衰老等对肾脏损害起保护作用，但其上下游通路以及调控机制尚不完全清楚。目前已发现的SIRT3特异性激活剂的种类较少，特异性亦相对较低，同时缺乏深入的体内研究及临床应用，因此深入研究SIRT3在肾脏疾病中参与的信号通路以及分子靶点有助于发现更多的靶向药物，从而为疾病的治疗提供新方法。