Sir2蛋白对动物寿命调控机制的研究进展

宋文菲 余玉生 杨晶 苗春辉

摘 要：Sir2蛋白是一类广泛存在于古生菌到哺乳动物中的进化保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖性去乙酰化酶，能够影响生物体的rDNA沉默、DNA修复、rDNA稳定性、端粒消耗等生命活动，并通过能量限制、胰岛素生成、糖稳态和脂质稳态等方式对动物寿命进行调控。该文从Sir2蛋白的生物学、功能特性以及对动物寿命的调控作用等方面综述了Sir2蛋白对动物寿命调控机制的研究进展。

关键词：Sir2蛋白;动物寿命;调控机制

中图分类号 S852.23文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）20-0021-02

生物体寿命的调控机理一直是生物学研究的热点问题，研究发现，生物体寿命是由遗传和环境因子共同组成的数量性状[1]，遗传因子在细胞衰老中发挥了重要作用。通过对物种进行老化基因筛选和遗传变异，已鉴定出许多影响生物体衰老和寿命的蛋白基因。其中，沉默信息调节子2（Silent information regulator 2，Sir2）蛋白是一类存在于古生菌到哺乳动物中高度保守的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖性去乙酰化酶[2]，目前已发现部分Sir2基因是延长酿酒酵母、秀丽隐杆线虫、黑腹果蝇、小鼠等寿命中的关键基因[2-5]。Sir2蛋白不仅从遗传因子影响生物体的寿命，还从限制热量的代谢方面调节细胞的衰老进程[6-7]。为此，本文对Sir2及其同源蛋白的结构、生物学与功能特性，以及Sir2基因对动物寿命调控的机制进行了综述，以期为研究其他动物寿命相关的Sir2同源蛋白提供理论依据。

1 Sir2蛋白结构与酶活性

1.1 结构 酿酒酵母的Sir2是最早发现的Sir2蛋白家族成员，该蛋白大约包含275个氨基酸保守催化区域，已知催化核心区域结构具有高度的结构叠加，核心区域細长状，包含1个同源结构的罗斯曼折叠区，具有NAD+/NADH结合蛋白的特征，有1个结构多样化，较小的锌离子结合区，2个区域由一系列环形结构连接，环状结构在2个区域间形成明显的延伸裂缝，NAD+和含有肽底物的乙酰ysine从2对面进入与酶结合[8]。

1.2 酶活性 研究表明，在酿酒酵母中组蛋白脱乙酰化是Sir2蛋白的主要生物学作用。Sir2基因缺失会引起酵母rDNA区域的组蛋白H3和H4的乙酰化增加。果蝇的dSir2蛋白是酵母Sir2蛋白的同源物，在体外dSir2是一种活性较好的脱乙酰酶，对组蛋白H4有去乙酰化作用。人类的Sirt1（Sir2蛋白同源物）也是一种NAD+依赖性脱乙酰酶，位于细胞核内，与许多蛋白的去乙酰化作用有关[9]。通过钴胺素途径发现，Sir2蛋白可能通过不同的反应方式催化相同类似物，来自于细菌、酵母和哺乳动物的Sir2蛋白可以把ADP核糖基从NAD+转移到蛋白质载体上，证实了Sir2蛋白同时也是一种ADP核糖基转移酶[10]。

2 Sir2蛋白功能特性

2.1 染色质沉默 在真核生物染色体中包含大量转录不活跃的区域，该区域位于中心粒和端粒附近，被称为异染色质区域。染色质沉默是一种特殊染色质结构的转录沉默，它会阻碍转录，影响DNA的复制。例如，在酿酒酵母中，Sir2基因丢失会导致染色体稳定性的降低和端粒长度的减少，Sir2、Sir3和Sir4蛋白是沉默配对型基因座和端粒上转录沉默所必需的[11]。其中，4个Sir2同源物（HST1-4）直接或间接地在转录沉默、细胞周期进程、辐射抗性和基因组稳定性方面发挥了作用[12]。

2.2 DNA修复 真核细胞染色体DNA双链断裂（DSBs）的端部可通过2种不连续途径进行重组，即同源重组和非同源端部连接（NHEJ）。NHEJ途径对酿酒酵母细胞的DSBs修复至关重要，其中Sir2～4基因与NHEJ有关，Sir4在体内与NHEJ蛋白Yku70有相互作用，Sir2～4蛋白会对断裂的DNA末端到DNA处理酶，以及Yku70或Yku80复合体产生影响。在哺乳动物中，Sirt1、Sirt6和Sirt7参与DSBs损伤修复，如Sirt1可增强因辐射引起的DNA链断裂的修复能力;Sirt6敲除后细胞表现出基因组不稳定和DNA损伤超敏感;Sirt7可通过减弱蛋白激酶（SAPK、p38和JNK）表达，将细胞从凋亡转向衰老[13]。

3 Sir2对动物寿命的调控机制

3.1 调控模式 目前，已有Sir2对酿酒酵母、秀丽隐杆线虫、黑腹果蝇、蜜蜂和家蚕等模式动物寿命影响的研究，其中对酿酒酵母和秀丽隐杆线虫寿命调控研究较为透彻。酿酒酵母通过热量限制模式对其寿命发挥调控作用，通过限制葡萄糖或降低cAMP-依赖性蛋白激酶（PKA）的活性来延长酵母寿命，而PKA活性的降低需要Sir2和NAD+的参与。热量限制延长酵母寿命模式需要Sir2p和NAD+合成主要途径的参与，NAD+可以有效激活酵母体内的Sir2p，而Sir2p的激活可以增加rDNA沉默和rDNA稳定性来延长寿命[9]。秀丽隐杆线虫寿命由胰岛素/IGF信号通路控制，包括DAF-2跨膜受体、一系列细胞内激酶和DAF-16叉头家族转录因子。在胰岛素样信号通路中，Sir-2.1转基因在DAF-16的上游发挥作用，Sir-2.1通过下调胰岛素信号通路发挥延长寿命的作用[14]。此外，白藜芦醇和其他去乙酰化酶（Sirtuins）的激活剂，可以激活秀丽隐杆线虫和果蝇体内的Sirtuins蛋白，并延长动物的寿命[15]。

3.2 调控作用 哺乳动物Sir2基因家族由7个成员组成，对小鼠的敲除模型发现，Sirt1缺失会引起小鼠出生后死亡，出现视网膜、骨骼和心脏缺陷;Sirt3缺失后小鼠发育正常，但AceCS2活性、ATP水平和线粒体蛋白乙酰化的变化;Sirt4缺失后小鼠身体健康，线粒体GDH活性增加;Sirt5缺失后引起小鼠尿素循环的缺陷;Sirt6缺失后小鼠出现早衰、低血糖综合症状，并出现死亡;Sirt7缺失后小鼠寿命缩短，出现心肌病变[16]。人类Sir2同源蛋白与许多蛋白质相互作用，通过直接去乙酰化或调节其许多已知的体内靶点，包括p53，Ku70/Bax，FOXO，PPARγ，PGC1α，UCP2，LXR和NFκB，可导致靶基因的转录抑制或激活，参与许多与年龄相关的人类疾病和生物学功能，包括细胞存活、凋亡、抗应激、脂肪储存、胰岛素生成、糖稳态和脂质稳态[17]。

4 结语

大量研究表明，激活并刺激Sir2基因可促进生物寿命，是生物抗衰老的重要基因之一。其家族成员中有许多基因参与细胞的新陈代谢过程，且在多种生物中发现通过热量限制延长细胞寿命的现象，并影响哺乳动物的多种代谢通路（胰岛素、葡萄糖和脂肪等）[18]。此外，Sir2蛋白可影响生物的rDNA沉默、rDNA稳定性、DNA修复等生命活动。而在哺乳动物中，Sir2家族基因有7个，分布于细胞核和细胞质中，提示该家族基因可能参与了哺乳动物的遗传变异和能量代谢过程。目前，Sir2家族基因主要集中在Sirt1基因的功能研究上，其余6个家族基因研究较少。近年发现Sirt2、Sirt6参与了人体的代谢、氧化应激和炎症、肿瘤调控等方面的衰老过程[19-20]，说明Sir2蛋白在哺乳动物寿命调控中的多样性和复杂性。因此，搞清楚其他Sir2家族基因在调控哺乳动物细胞寿命中的作用和功能，对于解析Sirtuin蛋白调控动物细胞寿命具有重要意义。

參考文献

[1]Paaby A B，Schmidt PS. Dissecting the genetics of longevity in Drosophila melanogaster[J]. Fly，2009，3（1）：29-38.

[2]Whitaker R，Faulkner S，Miyokawa R，et al. Increased expression of Drosophila Sir2 extends life span in a dose-dependent manner[J]. Aging，2013，5（9）：682-691.

[3]Dillin A，Crawford D K，Kenyon C. Timing requirements for insulin/IGF-1 signaling in C. elegans[J]. Science，2002，298（5594）：830-834.

[4]Brachmann C B，Sherman J M，Devine S E，et al. The SIR2 gene family，conserved from bacteria to humans，functions in silencing，cell cycle progression，and chromosome stability[J]. Gene Dev，1995，9（23）：2888-2902.

[5]Guarente L. Sir2 links chromatin silencing，metabolism，and aging[J]. Gene Dev，2000，14（9）：1021-1026.

[6]Gottlieb S，Esposito R E. A new role for a yeast transcriptional silencer gene，SIR2，in regulation of recombination in ribosomal DNA. Cell，1989，56（5）：771-776.

[7]Lin S J，Defossez P A，and Guarente L. Requirement of NAD and SIR2 for Life-Span Extension by Calorie Restriction in Saccharomyces cerevisiae[J]. Science，2000，289（5487）：2126-2128.

[8]Howitz K T，Bitterman K J，Cohen H Y，et al. Small molecule activators of sirtuins extend Saccharomyces cerevisiae lifespan[J]. Nature，2003，425（6954）：191-196.

[9]Blander G，Guarente L. The Sir2 family of protein deacetylases[J]. Annu Rev Biochem，2004，73：417-435.

[10]Tanny J C，Dowd G J，Huang J，et al. An enzymatic activity in the yeast Sir2 protein that is essential for gene silencing[J]. Cell，1999，99（7）：735-745.

[11]Moazed D，Johnson A. A deubiquitinating enzyme interacts with SIR4 and regulates silencing in S. cerevisiae[J]. Cell，1996，86（4）：667-677.

[12]Allshire R，Nimmo E R，Ekwall K，et al. Mutations derepressing silent centromeric domains in fission yeast disrupt chromosome segregation[J]. Gene Dev，1995，9（2）：218-233.

[13]郭苇，刘勤献，汤明，等.Sirtuins家族蛋白参与DNA损伤修复的研究进展[J].中国科学：生命科学，2017，47（6）：595-605.

[14]Tissenbaum H A，Guarente L. Increased dosage of a sir-2 gene extends lifespan in Caenorhabditis elegans[J]. Nature，2001，410（6825）：227-230.

[15]Wood J G，Rogina B，Lavu S，et al. Sirtuin activators mimic caloric restriction and delay ageing in metazoans. Nature，2004，430（7000）：686-689.

[16]Finkel T，Deng C X，Mostoslavsky R. Recent progress in the biology and physiology of sirtuins[J]. Nature，2009，460（7255）：587-591.

[17]Sanders B D，Jackson B，and Marmorstein R. Structural basis for sirtuin function：What we know and what we don′t[J]. Biochim Biophys Acta，2010，1804（8）：1604-1616.

[18]朱建国，周杨，段新平，等.与细胞衰老相关的sirtuin家族[J].生命的化学，2010，30（5）：744-750.

[19]罗苏苏，李鹏程，钱峰，等.长寿基因SIRT2在老年病中的调控作用[J].生命科学，2019，31（8）：756-762.

[20]李军，魏继武，蒋爱芹.SIRT6—— 一个重要的寿命和肿瘤调控蛋白质[J].生命的化学，2013，33（5）：514-520.

（责编：张宏民）