SIRT1改善糖尿病血管内皮功能的机制研究进展

雷永芳，聂雪坤，林敏华，汪余嘉，陈子春

(1.福建中医药大学药学院，福建 福州 350122；2.宁德市医院临床药学室，福建 宁德 352100)

据国际糖尿病联盟统计我国2018年约有1.09亿糖尿病患者，是糖尿病发病率最高的国家[1]。近年，我国糖尿病发病率持续上升，预计在2050年患病率增加一倍[2]。糖尿病可引发多种慢性并发症，主要包括神经病变、大血管病变(外周血管、脑血管、冠状动脉病变)、微血管病变(糖尿病视网膜病变及糖尿病肾病)等，其中大血管病变导致动脉粥样硬化是患者主要的致死原因。血管内皮功能障碍，表现为内皮依赖性血管舒张功能受损，是动脉粥样硬化的早期标志[3]。SIRT1(sirtuins 1)，一种分布广泛的去乙酰化酶，可调节细胞增殖、凋亡、衰老等，在心血管系统中起关键作用[4]。研究表明SIRT1对高糖引起的血管内皮功能障碍具有保护作用，本文将简要阐述SIRT1改善血管内皮功能障碍的机制研究。

1 SIRT1概述

Sirtuins，起源于酵母，属于Ⅲ类烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖性组蛋去乙酰化酶，是沉默调控基因SIR2的同源物，由7个家族成员(SIRT1-7)组成，有长寿基因之称[5]。SIRT1是sirtuin家族成员中研究最广泛的蛋白质，可调控转录因子与激活因子，如叉头转录因子(forkhead box transcription factor O，FOXO)、核因子-κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)、过氧化物酶体增殖物激活受体-γ协同刺激因子1α(peroxisome proliferator activated receptorγcoactivator-1α，PGC-1α)及肿瘤抑制基因P53等，并参与DNA修复、线粒体生物活性、胰岛素稳态、细胞应激反应等相关信号通路，可对抗癌症、阿尔兹海默症和糖尿病等多种疾病[6]。

2 SIRT1与内皮功能障碍

内皮细胞覆盖在整个系统的血管表面，给血液与血管之间形成一层保护屏障[7]。同时内皮细胞可分泌一氧化氮(nitric oxide，NO)、超极化因子(endothelium-derived hyperpolarizing factor，EDHF)、内皮素-1(endothelin-1，ET-1)、血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ，Ang-Ⅱ)、前列环素等调控血管舒张，分泌抗凝血酶维持血液流动，释放组织型纤溶酶原激活物(tissue type plasminogen activator，t-PA)及纤溶酶原激活物抑制剂-1(plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1)平衡血管稳态[8]。在高血糖环境中，血管内皮功能易发生紊乱，如血管内皮细胞受损，舒张因子NO分泌减少、ET-1释放增多、血管平滑肌增生等，其中NO产量和生物利用度的降低是内皮功能障碍的关键因素。Strycharz等[9]提出血管内皮功能障碍与SIRT1之间联系密切，SIRT1可参与调控NF-κB、腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)、磷酯酰肌醇-3 激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein Kinase B，PI3K/Akt)等信号通路，刺激内皮细胞中NO的合成并减轻内皮细胞衰老、氧化应激、炎症等来改善血管内皮功能，提示SIRT1可能是糖尿病血管并发症的重要靶点。

2.1 SIRT1与一氧化氮 NO是维持内皮正常功能的重要血管扩张剂[8]。NO主要由一氧化氮合酶(nitric oxide synthas，NOS)激活产生，NOS有三种亚型：内皮型NOS(endothelial nitric oxide synthas，eNOS)、诱导型NOS(inducible nitric oxide synthas，iNOS)和神经元NOS(neuronal nitric oxide synthas，nNOS)，它们以L-精氨酸和分子氧为底物，伴随着几种共底物和辅助因子，在内皮细胞中合成NO[5]。内皮细胞中的乙酰胆碱、缓激肽和组胺等激动剂与其特异性受体结合后，可增加胞内Ca2+的浓度，Ca2+与钙调蛋白结合并激活eNOS上的钙调蛋白结合结构域产生NO。类似的，SIRT1与eNOS共定位，介导eNOS去乙酰化和激活，并通过496和506位的赖氨酸残基与eNOS的钙调蛋白结构域结合，增强eNOS活性并促进NO合成。SIRT1受抑制后，NO生物活性和内皮依赖性血管舒张下降。Yang等[10]研究证实2型糖尿病大鼠腹主动脉中SIRT1的表达明显低于正常组大鼠的水平，大鼠出现动脉粥样硬化早期改变。同时用高糖培养人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVEC)，发现高糖组SIRT1表达减少，NO水平降低。而用SIRT1激活剂预处理细胞后，NO水平明显上升，提示SIRT1可能具有改善糖尿病患者动脉粥样硬化病变的作用。Vikram等[11]发现在高糖高脂饮食的小鼠主动脉中miR-204(microRNA-204)表达上调，同时miR-204与SIRT1连接，降低血管中SIRT1表达，诱发血管炎症。当抑制miR-204并上调SIRT1表达后可提高NO水平，改善内皮依赖性血管舒张功能。

2.2 SIRT1与氧化应激 糖尿病是以慢性高血糖为特征的代谢性疾病，其中高血糖可引起氧化应激、炎症反应、胰岛素抵抗等反应[12]。其中氧化反应与血管内皮舒张因子NO密切相关，在eNOS合成NO过程中，电子会从NADPH氧化酶转移到C端还原酶结构域，结合血红素铁和辅助因子四氢生物蝶呤(tetrahydrobiopterin，BH4)偶联，产生NO和瓜氨酸。而氧化因子活性氧(reactive oxygen species，ROS)可使BH4与eNOS“解偶联”，继而将O2转化为超氧化物(O2-)自由基，降低NO生成量，导致血管内皮功能受损。研究显示SIRT1激活剂白藜芦醇通过上调SIRT1表达，有效防御ROS引起的氧化损伤，并完全消除高糖依赖性内皮细胞毒性，增加NO表达水平[13-14]。SIRT1作为组蛋白去乙酰化酶，还可去乙酰化P53、FOXO、PGC-1a等，其中SIRT1降低细胞内氧化应激主要通过去乙酰化FOXO，使FOXO发生核转移，增强FOXO转录活性促进锰超氧化物歧化酶(manganese superoxide dismutase，MnSOD)表达[15]。MnSOD可及时清除细胞内过多的ROS水平，减少氧化损伤，从而改善血管内皮氧化应激状态。高糖环境下，Shc蛋白家族成员之一p66Shc可通过氧化细胞色素C产生ROS，增强细胞内氧化应激。Kumar等[16]提出SIRT1是P66Shc的靶标，经特异性调控P66Shc去乙酰化，可降低P66Shc生成ROS的氧化功能。Hu等[17]提出在糖尿病小鼠与高糖培养的HUVEC中miR-383的表达明显上升，SIRT1表达受到抑制。miR-383抑制剂处理后可抑制高糖诱导的ROS水平和细胞凋亡。在敲除SIRT1后逆转了miR-383抑制剂对ROS和细胞凋亡的作用，提示上调SIRT1的表达可抑制miR-383并有效改善氧化应激并增强血管内皮活性。

2.3 SIRT1与炎症反应 炎症反应被认为是动脉粥样硬化的主要原因，在糖尿病中，单核细胞、巨噬细胞和自然杀伤细胞(natural killer cell，NK cell)浸润至脂肪组织，改变免疫细胞数量，释放炎症因子、黏附因子，血小板聚集等，最终形成危险斑块，造成血管栓塞[18]。在慢性炎症期间，SIRT1表达受到抑制，相关促炎因子的水平明显上调。研究显示活化SIRT1可调控转录因子如NF-κB信号和动脉粥样硬化中相关的炎性纤溶酶原激活物抑制物-1(PAI-1)，抑制单核细胞与内皮细胞的黏附，进而改善炎症反应[19]。Liu等[20]同样提出，白藜芦醇可激活内皮细胞AMPK/SIRT1信号通路，抑制炎症反应，并介导PI3K/Akt/eNOS信号通路来改善内皮功能。NLRP3炎症小体(Nod-like receptor protein 3，NLRP3)，在心血管疾病中被异常激活，研究称NLRP3炎症小体在高糖诱发血管内皮功能障碍方面起重要作用[21]。高糖培养的内皮细胞中线粒体ROS表达升高并激活相关蛋白硫氧还蛋白(thioredoxin interaction protien，TXNIP)诱导NLRP3炎症小体表达，NLRP3炎症小体激活后释放炎症因子白介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)。过表达SIRT1时则负调控NLRP3表达，降低炎症因子产生，同时提高NO水平。Jiang等[22]利用高糖孵育人视网膜血管内皮细胞发现胞内SIRT1的表达和AMPK磷酸化明显降低，而乙酰化NF-κB、NLRP3、caspase-1，IL-1β等蛋白表达异常升高。当白藜芦醇干预后，细胞内NLRP3炎症小体表达恢复正常，提出激活SIRT1/AMPK/NF-κB信号通路，可以减少NLRP3炎症小体水平，改善血管中高糖诱导的炎症损伤。

2.4 SIRT1与内皮细胞衰老 细胞衰老是指细胞应激指细胞处于不可逆的永久性细胞周期生长停滞状态，并伴有形态、生化、功能等改变[23]。糖尿病的高血糖环境和ROS水平异常升高、NO生物活性下降可导致内皮细胞端粒长度缩短和DNA受损，使内皮细胞生长停滞，促使细胞早衰，并直接引起血管内皮功能障碍[10]。SIRT1在调节内皮细胞生长、衰老和凋亡中起核心作用，可调控P53、P21等细胞周期调控因子[15]。在高糖诱导的内皮细胞衰老中P53、P21、乙酰化叉头转录因子(AC-FOXO1)表达显著增加，抗凋亡蛋白BCL-2、SIRT1表达下降。二甲双胍处理后上调SIRT1表达，衰老相关蛋白表达量逆转。而沉默SIRT1后衰老相关蛋白及AC-FOXO1表达再次上升。证实了SIRT1可调控SIRT1/FOXO1/BCL-2和SIRT1/P53/P21信号通路，改善血管衰老[24]。Chen等[25]在糖尿病小鼠中得出同样结论，糖尿病小鼠高水平表达P53、P21、PAI-1等衰老标记因子，而经内皮特异性SIRT1转基因的糖尿病小鼠衰老因子表达下降，进一步验证SIRT1/P53/P21信号通路介导内皮细胞衰老。此外，SIRT1可抑制高糖诱导的内皮祖细胞(endothelial progenitor cells，EPCs)衰老，促进血管新生，改善血管生成能力[26]。

2.5 SIRT1与内皮细胞凋亡 内皮细胞通过分泌多种细胞因子来维持血管内皮功能，高血糖环境会诱导内皮细胞死亡或凋亡，使内皮细胞从血管壁脱落，直接导致血管内皮功能障碍。其中高糖环境诱导的肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF-α)和ROS可直接调控c-Jun氨基末端激酶(JNK)/丝裂原活化蛋白激酶p38(p38Mito-gen-activatedProteinKinase，p38MAPK)信号通路激活半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶8和10(caspase-8和caspase-10)，并将procaspase-3活化为caspase-3，激活胞内凋亡程序诱导内皮细胞凋亡[27]。研究显示，高糖会下调内皮细胞中SIRT1表达并激活JNK信号通路，引起线粒体损伤，并促进内皮细胞的凋亡。而SIRT1可降低胞内ROS水平及JNK信号表达，减少高糖诱导内皮细胞损伤[28]。同时，SIRT1激动剂处理后能够降低P38/MAPK信号通路表达，部分逆转高糖对血管内皮细胞生长、凋亡及ROS水平的影响[29]。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)是血管新生的重要介质，也是内皮功能的重要标志物。高糖或低氧条件下，药物诱导SIRT1、HIF-1α、VEGF高表达，内皮细胞凋亡率明显下降，提示激活SIRT1/HIF-1α/VEGF信号通路可促进血管内皮细胞生长，改善糖尿病血管内皮功能[30]。

2.6 SIRT1与胰岛素抵抗 SIRT1还可通过改善胰岛素抵抗、高血糖内环境、线粒体障碍等方面改善糖尿病血管内皮功能障碍[31]。其中，胰岛素抵抗(Insulin resistance，IR)是2型糖尿病的关键病理过程[32]。研究表明，血管内皮对胰岛素敏感，胰岛素可促进NO介导的血管舒张，抑制内皮细胞凋亡和炎症因子水平[33]。在胰岛素抵抗条件下，NO依赖性血管内皮舒张功能下降，同时激活内皮细胞中MAPK信号通路，诱导血管细胞黏附因子(vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1)、细胞间黏附分子1(intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1)和PAI-1的表达，加重血管内皮炎症反应，诱导血管内皮功能障碍的发生。单云等[34]研究小檗碱介导SIRT1改善胰岛素抵抗的机制，发现SIRT1通过调控激活AMPK/AKT信号通路及JNK信号通路，降低炎症因子IL-1β、IL-6、TNF-α等表达，发挥抗炎特性，从而改善小鼠体内的胰岛素抵抗。Yoshizaki等[35]提出敲除SIRT1基因后，胰岛素介导的葡萄糖摄取与转运受抑制，同时JNK磷酸化水平升高。当特定的小分子SIRT1激活剂处理细胞后，可抑制JNK信号通路，并改善TNF-α诱导的胰岛素抵抗。此外，在高糖条件下白藜芦醇处理内皮细胞可激活SIRT1表达，增加eNOS转录水平，并诱导胰岛素分泌NO[36]。从而证实SIRT1可改善高糖环境的胰岛素抵抗，恢复胰岛素介导的NO依赖性功能，进而改善糖尿病所致血管内皮功能障碍。

3 结论

现阶段，糖尿病仍是严重威胁人类生活质量的主要因素之一，糖尿病伴随的慢性并发症是患者致死致残的重要因素。研究提示治疗糖尿病的最终目的是预防微血管与大血管病变。Sirtuins家族在心血管疾病中具有多方面作用，其中SIRT1在血管并发症方面发挥重要调节功能。大量研究表明，SIRT1激活剂白藜芦醇可提高糖尿病患者SIRT1表达，帮助血管内皮调节高血糖引起的炎症反应、氧化应激和血管衰老等，改善血管内皮功能障碍。同时，SIRT1作为一个分布广泛的去乙酰化酶，可调控细胞内多种信号通路从而改善血管功能，其具体机制错综复杂，有待深入研究。