沉默信息调节因子1调控骨骼肌生理及病理过程的研究进展*

胡闽闽， 秦 虹

（中南大学湘雅公共卫生学院营养与食品卫生学教研室，湖南长沙410078）

骨骼肌在机体运动、呼吸及新陈代谢中发挥重要作用［1］。慢性阻塞性肺疾病、2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）、炎症性肌病及肌营养不良症等疾病中会出现骨骼肌生理功能障碍，而骨骼肌生理功能障碍又使疾病进一步恶化，形成恶性循环。因此，寻找骨骼肌生理及病理过程的关键调节因子对相关疾病的防治具有重要价值［2］。

沉默信息调节因子1（silent information regulator 1，SIRT1）是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依赖性Ⅲ类组蛋白脱乙酰酶，分布在肝脏、心脏、骨骼肌等组织中，在细胞分化、DNA 修复及自噬等多种生理及病理过程中发挥作用［3］。SIRT1 能调控骨骼肌的骨骼肌纤维类型转换、线粒体生成和β 氧化、葡萄糖摄取、炎症反应、内质网应激与萎缩等生理及病理过程，是骨骼肌相关疾病的潜在治疗靶点。本文基于SIRT1 的结构和生物学作用，对近年来SIRT1 调控骨骼肌生理及病理过程的研究进展进行综述。

1 SIRT1的结构和生物学功能

SIRTs 是与酿酒酵母中的染色质沉默因子同源的一类进化高度保守的NAD+依赖性脱乙酰酶［4］。目前，在哺乳动物中已发现其中7 种SIRTs（SIRT1～7），它们的结构、亚细胞定位、组织分布及生理功能各不相同［5］。SIRT1 的分子量为120 kD，由 741 个氨基酸残基组成，可分为 4 个部分：N 末端（第 1～180 位残基）、变构位点（第181～243 位残基）、催化核心（第244～512 位残基）与 C 末端（第 513～747 位残基）［6］。其中，N 末端和C 末端高度无序，含有核定位信号和和输出信号；变构位点由4 个α 螺旋组成，其构象改变会影响 SIRT1 的活性［7］；催化核心是发生 NAD+依赖性去乙酰反应的区域，包括两个子域：罗斯曼折叠形成NAD+结合区的大结构域，由Zn2+结合区和螺旋区构成的小结构域［8］。

SIRT1在肝脏、心脏、骨骼肌、脑和肺等组织中广泛分布，可催化组蛋白H1、H3和H4的赖氨酸残基去乙酰化，也可以催化p53、叉头转录因子（forkhead box transcription factor Os，FOXOs）、过氧化物酶体增殖剂激活受体γ、过氧化物酶体增殖物激活受体γ 辅激活子 1α（peroxisome proliferater activated receptor gamma coactivator-1α，PGC-1α）和核转录因子-κB（nuclear transcription factor-κB，NF-κB）等非组蛋白底物去乙酰化［9-10］。通过去乙酰化作用，SIRT1 改变了下游底物蛋白的转录活性或蛋白表达，影响着细胞周期调控、DNA 修复、自噬和炎症等多种生理及病理过程，与心血管疾病、代谢综合征、肿瘤等多种疾病的发生发展密切相关［11-13］。在骨骼肌中，SIRT1 发挥着重要的生物学作用，可作为骨骼肌相关疾病的防治靶点。

2 SIRT1调控骨骼肌生理进程

2.1 SIRT1调控骨骼肌线粒体功能 线粒体是细胞中物质氧化磷酸化及腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）合成的主要场所，为细胞提供能量。此外，线粒体还影响细胞的信息传递、分化及凋亡等过程。少肌症、肥胖、T2DM 等疾病的发生发展伴随着骨骼肌线粒体功能障碍［14］。SIRT1 对骨骼肌线粒体功能的调控作用涉及线粒体的生成与β氧化。

2.1.1 SIRT1调控骨骼肌线粒体生成 线粒体生成涉及核基因和线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的转录、脂质和蛋白质的合成以及呼吸链蛋白的组装等过程［15］。骨骼肌中线粒体生成反映了骨骼肌对运动等刺激的适应能力，一旦发生障碍，会引起骨骼肌功能障碍和萎缩变性。

SIRT1 能通过多条代谢通路促进线粒体生成。热量限制饮食促进小鼠SIRT1 表达后，透射电镜下胫前肌中线粒体长度、宽度和相对密度均显著增大，线粒体生成增多［16］。Zhang等［17］的研究显示，在高糖环境中，真核表达质粒载体pcDNA3.1 介导的SIRT1过表达显著提高了C2C12肌管细胞的mtDNA 水平与柠檬酸合酶（citrate synthase，CS）的活性，提示SIRT1可逆转高葡萄糖处理引起的线粒体生成减少。体内实验也证实，骨骼肌SIRT1特异性过表达的小鼠骨骼肌中SIRT1/SIRT3/线粒体呼吸链复合体I 通路被激活，线粒体生成增多［18］。SIRT1 还可以通过上调PGC-1α等基因的表达来促进骨骼肌线粒体生成。老年雌性大鼠在中等强度低负荷量训练后，SIRT1、SIRT3，以及PGC-1α、核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1，Nrf1）、线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A，Tfam）等线粒体生成相关基因的mRNA 表达显著上升［19］。体外研究也显示，高糖与高脂环境中C2C12肌管细胞经SIRT1 激活剂DCHC干预后，PGC-1α、Nrf1、Nrf2和Tfam的转录水平上升［20］。此外，高强度间歇运动诱导的人体骨骼肌线粒体生成也伴随着SIRT1 与PGC-1α 蛋白活性的升高［21］。但 Gurd 等［22］提出，小鼠骨骼肌中SIRT1的过表达抑制了线粒体生成。另一项研究也显示，大鼠三头肌和C2C12肌管细胞中SIRT1过表达导致细胞色素c 等线粒体相关蛋白的减少，而通过siRNA 抑制SIRT1表达后，线粒体相关蛋白增加［23］。因此，SIRT1促进骨骼肌线粒体生成的作用仍存在争议，可能是实验模型及诱导SIRT1过表达方法的差异导致。

2.1.2 SIRT1 调控骨骼肌线粒体β 氧化 β 氧化是线粒体中脂肪酸氧化分解为乙酰辅酶A 和酮体并产生ATP 的过程，影响着骨骼肌的能量供应。此外，线粒体β氧化还影响骨骼肌脂质稳态，当β氧化速率不足以消耗多余脂肪酸时，骨骼肌出现异位脂质沉积，损害骨骼肌功能［24］。

SIRT1可以调控骨骼肌线粒体β 氧化酶的表达。Vil等［25］证实腺病毒介导的组织特异性SIRT1过表达的小鼠腓肠肌中肉毒碱棕榈酰基转移酶1b（carnitine palmitoyltransferase 1b，Cpt1b）、丙酮酸脱氢酶激酶 4（pyruvate dehydrogenase kinase 4，Pdk4）及解偶联蛋白3 等线粒体β 氧化酶基因表达水平上升。体外实验显示，SIRT1敲除的C2C12肌管细胞中Pdk4、中链酰基辅酶A 脱氢酶及Cpt1b的mRNA 水平明显降低，脂肪酸氧化速率同步下降［26］。人体研究也显示，运动激活骨骼肌 SIRT1 后，CS、3-羟酰辅酶 A 脱氢酶及细胞色素C 氧化酶等线粒体酶活性增加［21］。以上研究表明SIRT1 可促进骨骼肌线粒体β 氧化酶的表达，但 Svensson 等［27］的研究指出，基于 Cre-LoxP 系统构建的条件性骨骼肌SIRT1过表达小鼠模型的Pdk4、Cpt1b和极长链酰基辅酶 A 脱氢酶的 mRNA 丰度与野生型无明显差异，可能是由于SIRT1过表达模型构建方式的差异。总之，SIRT1促进线粒体β 氧化的作用存在争议，且现有研究大部分处于转录水平，SIRT1 对β 氧化酶蛋白水平的影响有待进一步探索。

2.2 SIRT1调控骨骼肌纤维类型转换 肌纤维是骨骼肌的基本单位，可根据代谢与收缩特性分为Ⅰ型（慢收缩型）肌纤维与Ⅱ型（快收缩型）肌纤维，其中Ⅱ型肌纤维又分为Ⅱa、Ⅱb和Ⅱx三种亚型［28］。这四类肌纤维分别表达不同的肌球蛋白重链（myosin heavy chain，MyHC）蛋白：MyHCⅠ、MyHCⅡa、MyHCⅡb 和 MyHCⅡx［29］。Ⅰ型肌纤维中琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDH）等有氧代谢酶活性高，主要依靠有氧氧化产能；Ⅱ型肌纤维中乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）等糖酵解酶活性高［30］。肥胖及T2DM 等疾病患者骨骼肌中Ⅰ型肌纤维的比例较健康者减少［31］。

肌纤维类型在运动、激素、营养条件改变等刺激下会发生转换，这一过程受到复杂的代谢通路网络调控，SIRT1 在这一代谢网络中发挥着重要作用［32］。Ljubicic 等［33］的研究显示，肌营养不良症模型小鼠接受6周SIRT1天然激活剂白藜芦醇的治疗后，干预组较对照组的趾长伸肌与比目鱼肌中Ⅰ型肌纤维特异性MyHC 蛋白表达增多，对营养不良病理变化的抵抗性增强。高脂饮食小鼠接受SIRT1 特异性激活剂SRT1720 干预后，小鼠骨骼肌Ⅰ型肌纤维比例升高，但体重和摄入量无明显变化［32］。SIRT1 调控肌纤维类型转换的作用机制与其下游转录因子PGC-1α 相关。体外实验证实，C2C12肌管细胞经SIRT1 抑制剂EX527 处理后，PGC-1α 和Ⅰ型肌纤维特异性MyHC蛋白表达同步降低［34］。Zeng等［35］的研究也揭示了该机制，断奶仔猪在进食6 周白藜芦醇饮食后，较正常饮食组背最长肌PGC-1α 蛋白表达明显上升，SDH 活性和Ⅰ型肌纤维特异性MyHC 蛋白表达上升，而MDH 活性与Ⅱ型肌纤维特异性MyHC 蛋白表达下降。但在针对T2DM 患者的实验中，12 周的白藜芦醇干预并未改变PGC-1α 蛋白表达与肌纤维组成［36］。由此可见，SIRT1 能通过激活PGC-1α 促进肌纤维类型向Ⅰ型方向转换，但在人体实验中未显示该作用，可能是SIRT1 激活剂使用时间过短，未来还需进行更多人体实验来确定该作用。

2.3 SIRT1调控骨骼肌葡萄糖摄取 胰岛素刺激下骨骼肌摄取的葡萄糖占全身外周组织的80%以上［37］，骨骼肌葡萄糖摄取障碍将引起血糖水平上升，并且会导致骨骼肌供能不足，影响人体的运动和呼吸。

白藜芦醇干预可显著上调L6 肌管细胞中胰岛素刺激的葡萄糖摄取，提示SIRT1 具有促进骨骼肌糖摄取的潜力［38］。骨骼肌细胞的葡萄糖摄取涉及多条信号通路，PI3K/Akt 通路是主要通路之一［39］，SIRT1 促进骨骼肌糖摄取的作用与该通路相关。Schenk 等［40］的研究显示，低热量饮食小鼠骨骼肌中SIRT1被激活，引起PI3K的p55α/p50α亚基的转录水平和蛋白质丰度均降低，提示PI3K 活性提高，同时葡萄糖摄取增加，然而这一现象在骨骼肌特异性敲除SIRT1的低热量饮食小鼠中并未发生。蛋白激酶B 又称Akt，是PI3K 激活葡萄糖转运子（glucose transporter，GLUT）的中间蛋白，其激活标志是Ser473 和Thr308 位点的磷酸化［41］。据报道，SIRT1 抑制剂EX527 可直接抑制人骨骼肌细胞胰岛素抵抗模型中Akt 蛋白 Ser473位点磷酸化，并减少葡萄糖摄取［42］。滕飞［43］的实验表明，C2C12肌管细胞在过表达非编码小分子 RNA-204 后，SIRT 1 与磷酸化 Akt 表达减少，GLUT4 的活性降低，糖摄取能力受损，而SIRT1 激活剂干预可以逆转该趋势。也有学者证实，高脂饮食喂养的骨骼肌特异性SIRT1过表达小鼠较野生型小鼠的腓肠肌和胫骨肌中磷酸化Akt/总Akt 的比值增加，但股四头肌中无显著差异［25］，可能是由于不同部位骨骼肌的代谢差异。总之，SIRT1在骨骼肌葡萄糖摄取中发挥着关键作用，现存研究揭示了其调控PI3K/Akt通路这一机制，后续研究可探寻其他机制。

3 SIRT1调控骨骼肌病理过程

3.1 SIRT1调控骨骼肌炎症反应 骨骼肌炎症反应的主要表现是肌间免疫细胞的浸润增加与促炎性活化，会对骨骼肌功能产生不良影响［44］。

SIRT1 具有调控骨骼肌炎症反应的潜力。刘承宜等［45］的实验表明，烟酸补充可上调运动性骨骼肌损伤大鼠模型比目鱼肌的SIRT1 表达，进而减轻炎症细胞数量和炎症灶面积。SIRT1 减轻炎症的作用与炎症信号通路相关，长期游泳运动促进T2DM 小鼠股四头肌中SIRT1转录，NF-κB 蛋白表达明显下降，同时肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNFα）的 mRNA 水平下降，白细胞介素 10（interleukin-10，IL-10）的 mRNA 水平上升，提示 SIRT1 能调控炎症信号通路［46］。Yoshizaki 等［47］的研究显示，敲低RAW264.7小鼠巨噬细胞的SIRT1后，脂多糖刺激的c-Jun 氨基末端激酶与IκB 激酶的磷酸化明显增多，导致NF-κB 被激活，同时，TNFα、IL-1β 等促炎因子的表达上升，炎症反应加重。SIRT1激活也可直接使 NF-κB 去乙酰化，导致 NF-κB 与 MMP9 启动子的结合下降，进而抑制炎症信号通路［48］。烧伤小鼠骨骼肌的炎症反应增强，但在诱导SIRT1 活化后，NF-κB p65 亚基的乙酰化和 DNA 结合能力增强，NF-κB下游的促炎因子基因的转录水平显著降低［49］。这说明SIRT1 活化后能抑制炎症信号通路，进而下调炎症反应。此外，SIRT1还可通过影响巨噬细胞极化来抑制炎症反应［50］。巨噬细胞极化后分为M1 型巨噬细胞和M2 型巨噬细胞，前者高表达促炎因子，促进炎症的发生发展，而后者高表达精氨酸酶1（arginase 1，Arg1）与甘露糖受体（mannose receptor，MR），起抗炎作用，两者的比例影响着炎症反应过程［51］。Zhang 等［50］的研究证实，SIRT1过表达的小鼠巨噬细胞中M1 型巨噬细胞标志因子：TNFα、IL-6 及单核细胞趋化蛋白1 表达减少，M2 型巨噬细胞标志因子：Arg1与MR 表达增加，说明SIRT1可促进巨噬细胞向M2 型方向极化，其具体机制是SIRT1 抑制蛋白酪氨酸磷酸酶1B 表达，进而促进信号传导及转录激活蛋白的磷酸化来激活M2型巨噬细胞标志因子的表达。以上结果证实，SIRT1 可通过多种机制抑制炎症反应，有利于骨骼肌正常功能的维持。

3.2 SIRT1 调控骨骼肌内质网应激 在高脂饮食、营养物质缺乏及病毒感染等生理或病理刺激下，会发生细胞内质网应激，即内质网的蛋白质折叠能力与细胞需求不平衡，导致蛋白质的错误折叠或未折叠，伴随Ca2+平衡的紊乱［52］。骨骼肌细胞内质网应激往往伴随着肥胖、T2DM 等代谢病及肌营养不良、肌炎等肌肉相关疾病的发生发展。

SIRT1 可以抑制骨骼肌内质网应激。IL-15 是骨骼肌细胞中高表达的一种细胞因子，在IL-15过表达的小鼠骨骼肌中，SIRT1转录水平明显上升［53］。另一项研究显示，IL-15 蛋白表达上调后，骨骼肌内质网应激缓解［54］，说明SIRT1 可能与骨骼肌内质网应激相关。Sun等［55］报道，在高脂饮食诱导的小鼠骨骼肌胰岛素抵抗模型与棕榈酸处理的C2C12肌管细胞胰岛素抵抗模型中，SIRT1均可通过激活肌浆网钙泵蛋白来改善细胞Ca2+平衡，从而抑制内质网应激反应。目前，SIRT1 调控骨骼肌内质网应激的研究较少，还需进行更多体内外实验来验证该作用，并阐明相关机制。

3.3 SIRT1 调控骨骼肌萎缩 在多种慢性疾病、衰老及神经损伤期间肌肉长期不活动等状态下会发生骨骼肌萎缩，即骨骼肌蛋白质的加速降解，涉及泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）与自噬等多条蛋白质水解途径［56］。

SIRT1 可以抑制骨骼肌萎缩。Chalkiadaki 等［57］的研究显示，不论是在基础条件下，还是在禁食或切断坐骨神经诱导肌肉萎缩时，骨骼肌特异性SIRT1过表达小鼠较野生型小鼠的肌肉萎缩基因F box-1（muscle atrophy F-box，MAFbx）和肌肉特异性环指蛋白 1（muscle-specific RING finger protein 1，MuRF1）的转录水平升高，肌纤维横截面积增大，且该作用依赖FOXO1 和FOXO3 的介导。超负荷诱导的骨骼肌肥大小鼠模型也证实，SIRT1 通过抑制FOXO1 蛋白表 达 来 下 调 MuRF1 等 UPS 相 关 蛋 白 的 表 达［58］。MAFbx 和 MuRF1 是调控骨骼肌 UPS 的关键因子，其表达上调将导致蛋白质泛素化进而被降解，这说明SIRT1 可通过抑制UPS 来阻碍骨骼肌萎缩进程。此外，SIRT1 抑制骨骼肌萎缩的作用还与自噬相关，SIRT1过表达引起禁食48 小时的小鼠胫骨前肌中自噬相关蛋白4b（autophagy related protein 4b，Atg4b）、γ 氨基丁酸受体相关蛋白样1 和Bcl2/腺病毒E1B 相互作用蛋白3等自噬相关基因的mRNA水平下降，肌肉重量及肌纤维横截面积同步增加［59］。Fry 等［60］也证实，脊椎横断模拟截瘫大鼠较假手术大鼠比目鱼肌中的SIRT1 蛋白表达降低37%，下游蛋白p53 乙酰化明显增加，且自噬标志基因Atg7和Beclin-1的转录水平升高，肌肉重量下降，提示SIRT1 通过调节p53活性来下调自噬水平，进而抑制骨骼肌萎缩。由此可知，SIRT1具有抑制多种动物模型骨骼肌萎缩的功能，可能成为多种相关疾病的治疗靶点。

4 结语

活化后的SIRT1 可通过使下游底物蛋白去乙酰化来调控多条信号通路，参与细胞中多个生理及病理过程。近年来，SIRT1对骨骼肌生理及病理过程的研究不断深入，其对骨骼肌纤维类型转换、线粒体生成和β 氧化、葡萄糖摄取等生理过程及炎症、内质网应激、萎缩等病理过程的影响与机制逐渐明确，提示SIRT1 可作为骨骼肌相关疾病的防治靶点。但由于实验模型、干预SIRT1 表达的方法及检测指标的差异，现存研究结果仍存在不同见解，SIRT1 调控骨骼肌生理及病理过程的具体机制未完全阐明，未来还需进行更加严谨系统的研究。此外，SIRT1对骨骼肌的增殖分化、氧化应激等其他生理及病理过程的调控作用也有待探索。