SIRT家族在缺血性脑卒中中作用的研究进展

河泰麟，庞涛

(中国药科大学药物科学研究院，江苏 南京 210009)

Kaeberlein 等[1]于1999年首次发现沉默信息调控因子2(Sir2)可调节酿酒酵母的寿命，Sir2突变型菌株的寿命显著缩短，而Sir2过表达菌株的寿命则显著延长，掀起了人们对沉默调节蛋白(sirtuins，SIRT)的研究热潮。在哺乳动物中，SIRT家族由7个成员(SIRT1～SIRT7)组成，具有275个氨基酸的保守催化结构域[2]。SIRT最初被分类到第三类组蛋白去乙酰化酶中，但目前许多研究发现其也可作用于非组蛋白上的蛋白质，从赖氨酸残基上发挥去乙酰基基团的作用[3]。在四类组蛋白去乙酰化酶中，SIRT是唯一一类需要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)作为共同底物来水解乙酰化氨基酸残基的去乙酰化酶[4]。SIRT将氨基酸残基的去乙酰化作用与NAD+的消耗结合在一起，从而产生两种副产物，烟酰胺和O-乙酰基ADP核糖[5]。从目标蛋白的赖氨酸残基上去除乙酰基会影响SIRT的功能、定位和稳定性。

并非所有的SIRT成员都是以去赖氨酸乙酰基功能为主，SIRT1、SIRT2和SIRT3是较强的去乙酰化酶[6]。然而，赖氨酸残基的侧链可以被其他酰基修饰，如甲酰基、丙酰基、丁酰基、巴豆酰基和琥珀酰基等[7]。SIRT除了具有多种酶促功能外，还具有独特的亚细胞定位。总之，中枢神经系统内SIRT通过其独特的酶功能、细胞定位及亚细胞定位作用于多种底物并调节各种细胞过程，参与缺血性脑卒中的发病及预后。

1 SIRT1

SIRT1是SIRT家族中最保守，研究最广泛的一个[8]。SIRT1通过去乙酰化组蛋白残基(如H3K9、H3K56、H3K14及H3K16)抑制转录[9]。此外，SIRT1还可以去乙酰化非组蛋白，调节DNA修复、糖酵解、线粒体功能、炎症、氧化应激以及细胞凋亡等过程[8-9]。大量文献表明SIRT1介导各种缺血和神经退行性疾病。

在大脑中，SIRT1主要定位于神经元细胞核中，在神经干细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞中也有表达。SIRT1调控大脑中许多重要的生理过程，如基因组稳定性、神经发生、神经突向外生长、突出可塑性和认知功能[10]。

在脑缺血发生后，SIRT1具有维持线粒体功能稳态、介导NAD+的神经保护作用、减少氧化应激、维持血容量以及减少炎症反应的作用。脑缺血及再灌注后SIRT1表达持续降低，SIRT1-/-小鼠的梗死体积要显著大于野生型小鼠，而SIRT1过表达小鼠则可以延缓脑缺血损伤。双侧颈总动脉闭塞引起小鼠脑血流量减少至20%～25%，但在过表达SIRT1小鼠中仅减少至45%～50%，在闭塞数天后脑血流量恢复到了接近基线的水平，表明SIRT1具有维持脑血流、降低脑缺血程度的作用。这是由于SIRT1具有调控脑内皮细胞迁移的作用，使缺氧诱导因子2α(hypoxia inducible factor-2α，HIF-2α)去乙酰化，增加其转录，最终促进红细胞对低氧的适应性，促进红细胞生成素的分泌[11]。

SIRT1还可以调控炎症反应，从而起到神经保护作用。许多研究都发现了白藜芦醇(SIRT1激动剂)在小鼠脑缺血后数小时甚至数天后给药都具有抗脑缺血的作用。NF-κB在脑缺血再灌注中介导炎症反应，白藜芦醇通过激动SIRT1可以使NF-κB去乙酰化，从而降低其活性。然而，除了激动SIRT1外，白藜芦醇还可以激动SIRT3和SIRT5以及非沉默调节蛋白，因此其神经保护作用可能并不完全依赖于SIRT1[12]。此外，白藜芦醇已经在包括缺血性脑卒中在内的多种疾病中开展了临床试验。

尽管大多数研究都支持SIRT1的神经保护作用，但一些证据表明SIRT1不能抵抗脑缺血，甚至可能加重脑缺血损伤。一项研究发现，过表达SIRT1可防止小钾颗粒神经元中低钾诱导的细胞死亡。然而，SIRT抑制剂烟酰胺或Sirtinol并没有抵消这种保护作用，这表明SIRT1可能参与其他神经保护机制[13]。此外，SIRT1可能导致局部缺血后NAD+的快速下降,烟酰胺通过保持NAD+水平来防止兴奋性毒性细胞死亡[13]。总之，SIRT1在脑缺血中的神经保护作用需要更多的研究来阐明并完善。

2 SIRT2

SIRT2主要位于细胞质中，但也可入核。SIRT2的功能包括对α-微管蛋白的去乙酰化和H3K4、H3K16的去乙酰化，从而调控染色体的浓缩。SIRT2在大脑中高度表达，并主要定位于少突胶质细胞，在小胶质细胞、星形胶质细胞、神经元和神经干细胞中表达极低。在大脑中，SIRT2具有抑制少突胶质细胞分化、调控小胶质细胞的促炎和抗炎、诱导神经元细胞死亡以及抑制神经突生长等众多功能。

SIRT2在缺血性脑卒中中表现出有害的作用。SIRT2抑制剂或其基因敲除可促进缺血性脑卒中的良好预后。Xie等[14]研究表明，下调脑内SIRT2对脑缺血性损伤具有神经保护作用，SIRT2抑制剂AGK2显著降低小鼠短暂性大脑中动脉阻塞(transient middle cerebral artery occlusion，tMCAO)后梗塞体积并改善其神经功能缺损。与野生型小鼠相比，SIRT2-/-小鼠tMCAO后H4K16乙酰化增加，但尚未确定这种修饰的基因组靶标。作者认为其潜在核靶标是FOXO转录因子。在细胞应激下，SIRT2使FOXO1和FOXO3a去乙酰化，从而诱导自噬和线粒体超氧化物歧化酶(MnSOD)表达增加。Krey等[15]研究发现，敲除SIRT2能够减轻tMCAO模型后雄性小鼠的神经功能缺损。另外，Nie等[16]研究表明，氧化应激后，SIRT2在PC12细胞系中上调并促进细胞凋亡。SIRT2抑制剂和SIRT2敲低均可以通过减少ROS的产生来减少H2O2诱导的细胞死亡。

目前为止，绝大部分文章都认为SIRT2在缺血性脑卒中后具有加重脑损伤的作用，这一现象在靶向沉默调节蛋白治疗缺血性脑卒中领域上值得进一步探究。

3 SIRT3

SIRT3是一种主要在线粒体内表达的赖氨酸去乙酰化酶，作为应激反应蛋白在维持线粒体稳态中起着至关重要的作用。在养分缺失或氧化应激后，SIRT3能调节线粒体能量代谢和ROS水平。SIRT3的去乙酰化还参与三羧酸循环、氧化磷酸化、脂肪酸氧化、氨基酸代谢、尿素循环和ROS解毒等过程。

众多研究阐明了SIRT3在缺血性脑卒中后的潜在功能。SIRT3在H2O2诱导的原代神经元细胞和神经元细胞系氧化应激中具有神经保护作用。Wang等[17]发现，H2O2处理运动神经元样细胞NSC34后，SIRT3水平有所降低，用丙戊酸或锂预处理可减轻这种毒性，这种保护作用与SIRT3水平升高有关。Dai等[18]研究显示，用H2O2处理小鼠海马细胞HT22后，SIRT3水平呈时间和浓度依赖性升高，SIRT3的敲低会使损伤加重，而SIRT3的过表达则通过降低ROS和脂质过氧化起到神经保护作用。

SIRT3在缺血性脑卒中中的作用也有广泛研究。Yin等[19]研究表明，小鼠tMCAO后，酮类物质可减少脑梗塞体积并改善神经功能缺损。这种保护作用与NAD+/NADH、SIRT3水平、SIRT3下游抗氧化基因FOXO3a和SOD2的增加相关。在原代神经元中过表达SIRT3增强了它们对鱼藤酮(线粒体复合体I的抑制剂)的抵抗力，而SIRT3敲除则抵消了保护作用并降低了FOXO3a和SOD2的水平。因此，该研究通过激活抗氧化基因来支持酮类的依赖SIRT3的神经保护作用。

相反，一些研究揭示了SIRT3的有害作用。Novgorodov等[20]研究表明，SIRT3通过增加神经酰胺的产生来促进脑缺血损伤。研究表明，缺血/再灌注损伤会激活SIRT3，从而使线粒体神经酰胺合酶去乙酰化，从而导致其酶促活性和神经酰胺丰度增加。此外，Pfister等[21]的研究表明，在CGNs和HT22细胞中，SIRT3的过度表达能诱导细胞凋亡。尽管多项研究支持SIRT3在脑缺血性损伤中具有神经保护作用，但仍需要进行进一步研究以更好地了解SIRT3的作用。

4 SIRT4

SIRT4的去乙酰化活性较低，主要发挥ADP核糖转移酶活性。SIRT4通过丙二酰辅酶A脱羧酶的作用，能够抑制骨骼肌中的脂肪酸氧化并促进脂肪生成。而在缺血性脑卒中领域中，SIRT4的功能还有待进一步探究，仅有一项研究解释了SIRT4对兴奋性毒性损伤的作用。在海藻酸预处理后，小鼠海马中SIRT4水平升高，SIRT4基因敲除鼠注射海藻酸后，会加重细胞凋亡和癫痫样症状。SIRT4主要在星形胶质细胞中表达，SIRT4基因敲除鼠对谷氨酸转运体-1依赖的谷氨酸摄取率显著降低，这表明SIRT4在保护兴奋性毒性损伤中可能起到重要作用，具有神经保护作用[22]。SIRT4在大脑中的整体功能仍未得到充分探索。

5 SIRT5

SIRT5具有去丙二酰化、去戊二酰化、去琥珀酰化和去乙酰化活性[23]。SIRT5参与调节糖酵解、呼吸作用、脂肪酸氧化和细胞凋亡[24]。重组人蛋白激酶Cε型(recombinant human PKC epsilon，PKCE)通过激动SIRT5对缺血性脑损伤发挥神经保护作用。在神经元-星形胶质细胞共培养中，PKCE增加了线粒体SIRT5的活性和表达，与线粒体琥珀酰化有关。SIRT5基因敲除小鼠的线粒体呼吸复合物的耗氧率降低，导致皮质中线粒体赖氨酸琥珀酰化水平升高，PKCE预处理可增强野生型小鼠的线粒体呼吸作用，但对SIRT5基因敲除鼠没有显著的脑缺血损伤的神经保护作用。因此，这项研究支持SIRT5可能通过调节线粒体呼吸对缺血性脑卒中有保护作用。SIRT5基因的遗传变异与颈动脉斑块的形成相关。颈动脉斑块的积聚增加了动脉粥样硬化的风险，而动脉粥样硬化是缺血性脑卒中的一大病因，因此本研究表明SIRT5在缺血性脑卒中发病中具有潜在作用。因此，尽管一些报道支持SIRT5在脑缺血性损伤中具有神经保护作用，但其功能有待进一步研究。

6 SIRT6

SIRT6具有组蛋白去乙酰化酶[25]、ADP核糖基化酶[26]和去淀粉化酶[27]活性。它作用于乙酰化的赖氨酸残基，如H3K9ac和H3K56ac，以抑制基因表达并促进基因组稳定性[27]，维持端粒稳定性[28]。SIRT6还通过ADP核糖基化激活聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶-1，在DNA损伤修复中发挥重要作用[26]。此外，据报道，SIRT6具有抗感染、维持代谢稳态、防止和延缓衰老等功能[29-30]。SIRT6基因敲除小鼠的寿命缩短，表现出类似衰老的退化过程，由于葡萄糖摄取和糖酵解增加而表现出严重的低血糖表型[31]。然而，过表达SIRT6的小鼠对高脂饮食引起的代谢损伤具有抵抗力，并能延长雄性小鼠的寿命，但对雌性小鼠没有影响[32]。

用Na2S(H2S的外源供体)预处理脑内皮细胞系bEnd.3保护细胞免受氧糖剥夺(oxygen glucose deprivation，OGD)诱导的细胞死亡[33]。这与ROS的产生减少和抗氧化剂基因SOD和过氧化氢酶(CAT)的活性增加有关。Na2S处理也增加了SIRT6的表达和活性，而OGD降低了它的表达和活性。抑制SIRT6降低了SOD和CAT的活性，并削弱了Na2S介导的针对内皮细胞中OGD的保护作用。Lee等[34]也发现SIRT6具有脑保护作用，文中称SIRT6主要存在于神经元细胞中，在体内外脑缺血模型下，SIRT6减少表达降低，高迁移率族蛋白B1(high mobility group box 1，HMGB1)从细胞核到细胞质的转运及其细胞外释放，这一过程可以促进脑炎症。在SH-SY5Y细胞中敲除SIRT6不会影响OGD诱导的细胞死亡，但会增加HMGB1向细胞外分泌。这项研究认为SIRT6能阻止HMGB1释放，可能会减轻脑部炎症。

然而有少量文章提出了SIRT6的有害作用。在缺血再灌注损伤后，H2O2的水平升高，导致氧化应激诱导的损伤。Shao等[35]发现，SH-SY5Y神经元细胞在H2O2刺激后SIRT6表达减少。SIRT6的过表达进一步加剧了细胞坏死和ROS的产生。SIRT6通过抑制AKT信号传导途径诱导自噬，而SIRT6抑制剂和自噬抑制则能够减轻细胞死亡。

7 SIRT7

SIRT7主要存在于核仁中，通过RNA聚合酶I亚基的去乙酰作用在核糖体RNA转录的调控中发挥积极作用[17]。SIRT7还可以通过间接激活RNA聚合酶III来调节核糖体RNA转录[36]。这两个事件都是蛋白质翻译所必需的。此外，SIRT7还有组蛋白去琥珀酸酶活性，使H3K122去琥珀酰化，并促进染色质凝聚和DNA损伤修复。

尚未有人研究SIRT7在缺血性脑卒中中的作用，目前认为SIRT7仅是与脑卒中相关的基因之一，有待深入研究。

8 总结与展望

总之，许多研究支持靶向SIRT家族在脑缺血性损伤前后的重要性，为临床上治疗缺血性脑卒中提供了新思路。然而，对于SIRT家族的功能了解还不够深入，特别是在大脑中高度表达，并表现出明显的区域和细胞定位的SIRT成员。另外，针对某一SIRT成员的特异性药理激动剂或抑制剂有待研发，因为不同SIRT成员对缺血性脑卒中的作用可能是相反的。