线粒体SIRT3功能及其在中枢神经系统疾病中的作用研究进展

邹 鹏，罗 鹏，杨二万，张昊阜，刘 剑，蒋晓帆，Takashi H(日本)

(1.空军军医大学西京医院神经外科,陕西 西安 710032；2.日本札幌中央区札幌医科大学医学院药学系，日本 札幌 063-0000)

1979年，学者kelar首次发现了一种可以减缓酵母中酿酒酵母物种老化的蛋白质，并将这一大类蛋白质统称为沉默信息调节因子家族蛋白质，这些蛋白质具有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)依赖性脱乙酰酶，又被称为腺苷二磷酸核糖转移酶[1]。哺乳动物沉默信息调节因子家族蛋白包括七个成员，是一种高度保守的蛋白质，从细菌到人类，具有不同的细胞内定位、底物、酶活性和结构功能。其中线粒体内还有沉默信息调节因子同源蛋白3(Silent information regulator homolog 3，SIRT3)、沉默信息调节因子同源蛋白4(Silent information regulator homolog 4，SIRT4)和沉默信息调节因子同源蛋白5(Silent information regulator homolog 5，SIRT5)。这些蛋白参与转录调节、细胞存活、能量代谢、DNA修复、缓解炎症和昼夜节律调节，在调节各种疾病的病理生理过程中发挥重要作用。只有了解SIRT3是如何调节各种病理生理过程的，才能知道如何扩大SIRT3的保护作用，改善病理代谢过程和生物衰老等。近年来，越来越多的证据表明SIRT3与中枢神经系统疾病的关系越来越密切，表明SIRT3是一个潜在的治疗靶点。因此，重点综述线粒体SIRT3的功能及其在中枢神经系统疾病中的最新研究进展，以期在未来的药物发现中确认其潜在的治疗效果，并为临床提供科学指导[2]。

1 SIRT3 概述

人源SIRT3基因，由将近400个氨基酸编码，主要位于染色体11的短臂上，其全长相对分子量约为44 kDa，成熟型为28 kDa，两种亚型均具有较强的去乙酰化活性，细胞核、细胞质和线粒体都可存在这两种类型。在高代谢率、高耗氧率和高线粒体组织中，如大脑、心脏、肌肉和肝脏中，两种类型表达增高，但是在低耗能的组织中表达较少[3]。分子量为44 kDa的长链蛋白多分布于细胞质和细胞核中，当线粒体受到反应性应激时，如活性氧(Reactive oxygen species，ROS)增加和DNA损伤，大量SIRT3被切割成分子量为28 kDa的短链，并在SIRT3的N端被25个氨基酸残基形成的线粒体定位信号肽的作用下单独只转运至线粒体内，完成乙酰化底物蛋白过程。简单地说，乙酰化底物蛋白首先激活形成脱乙酰基活性作用点，底物蛋白乙酰基可以作用于SIRT3上残存氨基酸，最终使乙酰化底物蛋白去除乙酰基，而反应后SIRT3再与NAD+结合形成烟酰胺，就在此过程中起到重要的生物学作用[4]。

SIRT3存在于线粒体的内膜中，是唯一具有稳定线粒体脱乙酰化活性的酶，在线粒体中不同蛋白质的不同部位发挥脱乙酰功能。这种乙酰化修饰是线粒体翻译后再修饰的重要形式之一。NAD+水平的增加将触发激活SIRT3的调节途径，并导致特定的去乙酰化基团。通过修饰组织中细胞器中的蛋白质来调节线粒体功能，参与某些异常化学反应群的水解，调节ATP生成、能量代谢、氧化应激、线粒体稳态、线粒体生物发生、细胞内环境稳态、凋亡、自噬、衰老、长寿信号通路、基因转录和蛋白质修饰，然后通过信号级联影响相关疾病的发生[5]。

2 SIRT3与氧化应激、能量代谢

线粒体不仅消耗细胞内85%～90%的氧气并产生三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate，ATP)，而且在细胞内产生90%以上的活性氧。呼吸链中分子氧的不完全还原和电子泄漏可能导致氧衍生自由基的产生，过量ROS会对细胞器产生应激损伤，其中最严重的就是损伤线粒体通透性转换孔(Mitochondrial permeability transition pore，mPTP)、增加细胞基质钙超载负荷、激活损伤因子细胞色素C、损伤线粒体、导致细胞凋亡和坏死。活性氧的增加激活开放的mPTP，进一步增加活性氧的产生，形成恶性循环。线粒体膜电位的丧失是mPTP开放的重要因素。一旦mPTP被打开，线粒体被重新磷酸化，氧化磷酸化变得不耦合，并发生大量肿胀，导致线粒体膜电位崩溃和生物能失效，ATP水平降低，然后发生不可逆的细胞死亡[6]。

SIRT3参与细胞质和线粒体中ROS产生的调节。早在2010年国内蛋白质组学实验证实有关三羧酸循环、脂肪酸氧化、酮生成、尿素循环和电子传递链等参与呼吸氧化代谢的蛋白质都可以参与乙酰化修饰。在氧化应激下，20%的线粒体蛋白质可被去乙酰化，包括氧化磷酸化复合物亚单位、乙酰辅酶A合酶2、氧化应激还原酶、异柠檬酸脱氢酶2(Isocitrate dehydrogenase 2，IDH2)、超氧化物歧化酶2(Superoxide dismutase 2，SOD2)等抗氧化反应系统蛋白质，还包括ATP合酶，琥珀酸脱氢酶和呼吸链的其他重要成分。SIRT3可通过多种酶抑制活性氧的积累，发挥抗氧化保护作用，最重要的是，产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)，NADPH最终通过还原谷胱甘肽清除活性氧。SOD2是SIRT3的下游介质，是一种关键的抗氧化蛋白，可抵抗细胞内ROS的过度形成，保护细胞核和线粒体DNA及其他细胞大分子免受ROS相关损伤，是线粒体重控制系统的重要组成部分。SIRT3缺失可能导致线粒体蛋白质乙酰化水平异常、线粒体呼吸受损、ROS水平升高、基因组不稳定性、细胞内代谢紊乱、糖酵解增加、氧化磷酸化降低以及小鼠对寒冷环境的耐受性。恢复SIRT3的表达可以使ATP恢复到正常水平[7]。

能量平衡的调节主要是调节细胞的能量工厂线粒体，调节线粒体和影响能量消耗的关键就是调节线粒体生物合成的转录因子——过氧化物酶体增殖物激活受体1共激活子(Peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1，PGC-1)，上调PGC-1可促使线粒体生物合成。不仅如此，调控PGC-1的上游因子是细胞能量传感器，腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)。高水平的AMP代表能量应激，线粒体SIRT3改善此应激的重要过程就是激活AMPK，重新调控ATP动态生成和消耗平衡，并且促进ATP水平的恢复。调控的机制可能是动态乙酰化和磷酸化AMPK上游肝激酶B1(Liver kinase B1，LKB1)，使乙酰化和磷酸化水平处于平衡阶段，其中磷酸化LKB1可调控下游通路AMPK，使细胞内ATP浓度维持在合理范围内[8]。

研究已证实SIRT3是能量调节的中心，为AMPK-PGC-1信号的下游靶点，它促进线粒体生物合成和线粒体抗氧化酶的脱乙酰化，并决定线粒体的质量和功能。当需要大量能量时，如禁食、运动和寒冷时，很容易诱发PGC-1生成。它调节氧化代谢、自噬、细胞呼吸功能，并改善棕色脂肪的产热效应。在肝细胞中，PGC-1诱导SIRT3和SIRT5的表达，而不是其他形式的同源家族性蛋白质。SIRT3另外一条上调PGC-1的途径就是利用信号通路正反馈机制，磷酸化反应元件和转录因子，也可激活PGC-1上调[9]。

3 SIRT3与新陈代谢、衰老

生物代谢需要在适当的时间和地点使用重要的分子，以满足身体的需要并维持内部环境的稳态。它一般分为两个过程：合成代谢和分解代谢。这两个过程通过协同作用完成体内的代谢平衡。SIRT3可以调节这两个过程之间的微妙平衡，并严格控制多种途径，如磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(Phosphoinositide 3-kinase，PI3K)、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin，mTOR)、AMPK。降低SIRT3活性会增加代谢综合征的风险。此外，在心肌肥厚模型中，SIRT3去乙酰化转录因子(Transcription factor Forkhead box O3，FOXO3)，刺激FOXO3向细胞核的迁移和抗氧化酶的表达，穿梭在细胞核、线粒体及其他细胞器之间，共同参与细胞代谢、蛋白调控、废物再利用，不仅细胞器与细胞器之间有联系作用，而且细胞与细胞之间也相互作用。FOXO3转录因子可能参与各种细胞内大部分生理过程，如其在细胞抵抗氧化应激和正常代谢过程中发挥了重要作用。在相关研究中，由线粒体蛋白质错误折叠引起的应激导致SIRT3水平升高及其在线粒体基质中的激活，导致FOXO3脱乙酰化下游的抗氧化反应，并影响细胞代谢过程[10]。

越来越多的证据表明，随着年龄的增长，线粒体功能下降，导致线粒体酶功能紊乱，线粒体DNA(Mitochondrial DNA，mtDNA)突变激增，氧化应激增加。相反，线粒体功能障碍通过代谢显著受损导致衰老。SIRT3是否会积极影响人类衰老机制尚不清楚，目前认为可能的机制主要有两方面：一方面脱乙酰化负责mtDNA修复的酶，8-氧胍-DNA糖苷酶1(8-Oxoguanine-DNA glycosylase 1，OGG1)，使mtDNA尽快较大程度修复；另外一方面主要是减少ROS，SIRT3使线粒体SOD2和IDH2脱乙酰化，这有助于产生抗氧化作用[11]。相应地，SIRT3激活谷氨酸脱氢酶(Glutamate dehydrogenase，GDH)，还原型谷氨酰胺分解增加，抗氧化物生成，极大程度缓解细胞的氧化能力。总的来说，这些发现表明SIRT3可以有效地减轻氧化应激，从而减少细胞衰老。许多证据表明，SIRT3在长寿人群中高度表达，其基因表达或酶活性的增加可以延长人类寿命。还有研究表明NAD+水平随着生物体老化而降低，导致SIRT3活性降低。

4 SIRT3与自噬、凋亡

自噬是一个持续自我吞噬的过程。在正常生理条件下，受损细胞废物适度降解并自噬不仅促进新陈代谢，还可以保持内环境稳态。然而，当出现营养和能量物质缺乏等应激状态时，此时细胞当中受损不太严重的蛋白质及细胞器也会发生降解并自噬，这对于细胞自身来说，极有可能出现过渡自噬，导致细胞死亡。越来越多的研究证实神经细胞应激损伤的保护作用是通过SIRT3介导调控的，目前虽然机制尚不够完善，但是可能与FOXO3调控线粒体自噬相关分子有关。研究表明在应激条件下的骨骼肌细胞，FOXO3上调自噬标志性分子LC3表达，而调控细胞发生线粒体自噬。体外血管内皮细胞培养试验表明SIRT3过表达可上调自噬水平，抑制凋亡，改善血管内皮细胞功能。SIRT3可以激活自噬，这是一种显著的细胞自我保护机制。SIRT3可以去乙酰化LKB1，激活AMPK-mTOR自噬通路。有趣的是，去乙酰化的FOXO3可以激活自噬相关基因(Autophagy-related gene，ATG)等各种自噬基因的表达，以保护细胞免于凋亡[12]。

为了维护线粒体数量和质量，线粒体自噬和生物合成处于动态平衡。当一个器官无法修复功能失调的线粒体时，迅速被识别并发生自噬，有助于新陈代谢需求，并促进线粒体更新。SIRT3诱导经典线粒体吞噬途径的启动和激活，以抑制细胞死亡。自噬的诱导是神经退行性疾病治疗的新热点。因此，SIRT3和自噬激活剂(如雷帕霉素)将成为治疗这些疾病的一种新的候选方法。SIRT3可去乙酰化重要呼吸调节蛋白和线粒体电子传递链中的重要组成成分，进一步调控ROS的产生，调控自噬水平，对细胞产生保护作用[13]。

凋亡和自噬类似，正常条件下适度凋亡普遍存在，病理应激状态下，线粒体外层膜通透性被严重损伤，不仅可以释放凋亡因子和改变caspase酶活性，而且线粒体内外层膜上的凋亡受体被大量激活，使抗凋亡和促凋亡处于动态平衡中。Bcl-2，一种存在于线粒体外层膜重要的抗凋亡蛋白，不仅可以抵抗促凋亡因子Bax的活性，还可以显著影响其他促凋亡蛋白的活性。相反，Bax蛋白在凋亡信号的驱使下极易移动到线粒体的外膜，并在线粒体外膜上形成一条通道，促进其通透性，发挥凋亡作用[14]。

SIRT3作为线粒体的主要调节因子，可以通过多种途径抑制线粒体过度凋亡。P53是促凋亡因子，细胞质中的P53通过移位到线粒体介导线粒体凋亡，主要的影响作用就是导致线粒体ROS大量产生，进一步释放促凋亡因子。P53易位到线粒体后，可与SOD2相互作用，抑制SOD2活性和ROS清除，使ROS在线粒体内激增，引起细胞凋亡。SIRT3可通过使P53和SOD2去乙酰化，抑制P53向线粒体的移位，降低P53活性，减少P53介导的线粒体凋亡。研究发现，高水平的SIRT3和SOD2通过抑制NLRP3/caspase-1信号通路抑制细胞凋亡，并通过上调磷酸化AKT的表达水平调节caspase-3、Bax和Bcl-2的表达水平，最终调控凋亡过程。

5 SIRT3与其他调控通路

SIRT3不仅可以利用其去乙酰化功能调节下游底物的动态平衡，而且还受到上游相关酶介导的翻译后修饰的影响，改善蛋白质的活性和酶的稳定性。SIRT3的酶活性和蛋白质稳定性受蛋白质翻译后修饰的调节。有学者发现SIRT3不仅参与乙酰化修饰，还参与泛素化修饰，这主要是第288位赖氨酸介导的，并且受泛素化修饰的SIRT3的催化活性受到抑制。在缺乏泛素化修饰的情况下，线粒体中的蛋白质脱乙酰化和脂肪酸氧化水平增加。小鼠在禁食期间发生SIRT3泛素化修饰，缺乏泛素化修饰可以通过增加脂肪氧化磷酸化和能量消耗来对抗高脂饮食诱导的肥胖。SIRT3作为一种去乙酰化酶，也可以乙酰化。结果发现，在衰老和肥胖小鼠中，SIRT3的57位赖氨酸被乙酰化，乙酰化的SIRT3的酶活性和蛋白质稳定性降低。乙酰化缺陷型SIRT3可降低长链乙酰辅酶A的乙酰化水平，改善小鼠脂肪酸氧化、肝脂肪变性和葡萄糖耐量。还发现SIRT1可以调节SIRT3的乙酰化水平，以调节相关的代谢活动[15]。

6 SIRT3与神经系统疾病

6.1 SIRT3与缺血性脑卒中 缺血在灌注损伤模型中，细胞处于自噬、凋亡、坏死和神经元保护机制的动态平衡中，其目的为维持神经元内环境稳定。脑缺血再灌注模型的研究表明，脑缺血后细胞损伤涉及多种与能量代谢和线粒体功能障碍相关的因素，包括HIF1(Hypoxia inducible factor-1，HIF-1)的激活、ROS的产生、基质金属蛋白酶-9(Matrix metalloprotein，MMP-9)表达上调、谷氨酸转运体-1(Glutamate transporter-1，GLT-1)表达下调。临床试验表明，脑缺血再灌注损伤后的神经元发生自噬、凋亡、坏死等一系列病理过程，影响神经元的结构和功能。线粒体中产生的NAD+是凋亡途径中的关键分子，凋亡和NAD+的减少密切相关[16]。

SIRT3还可以通过维持血脑屏障的完整性以及抑制HIF1及其下游分子的激活来保护神经元和血管内皮细胞。SIRT3可通过抑制ROS的产生进一步抑制HIF-1的激活，ROS和HIF-1是脑缺血再灌注损伤的重要因素。研究表明SIRT3表达上调可抑制血管内皮细胞凋亡，SIRT3促进缺血性中风中小胶质细胞的迁移，并促进神经血管的功能恢复[17]。

6.2 SIRT3与中枢神经系统肿瘤 肿瘤细胞的代谢模式不同于正常细胞，大多数癌细胞更多地依赖有氧糖酵解获得能量。糖酵解不仅提供了快速的能量供应，而且为肿瘤微环境的发生和发展提供了许多有利因素，如加速基因组不稳定性、激活PI3K等细胞增殖信号。然而，氧化磷酸化仍然是一些胶质母细胞瘤的主要能量供应方式。不同肿瘤的微环境差异很大，生存压力使其选择最合适的代谢途径。SIRT3作为肿瘤代谢的关键调节因子，参与线粒体的代谢重编程，调节ROS水平发挥抗癌作用，这是SIRT3的一个重要特征。近年来，越来越多的研究表明SIRT3在中枢神经系统肿瘤的生物学和进化中起着重要作用。SIRT3功能的丧失与致癌表型的发生有关，其机制可能是线粒体蛋白过度乙酰化，线粒体功能出现障碍，细胞处于高氧化应激状态，促进肿瘤发生。在某些类型的癌症中，SIRT3充当肿瘤启动子，因为它将活性氧水平维持在适应细胞存活和增殖的特定阈值以下[18]。

6.3 SIRT3与颅脑外伤 创伤性脑损伤(Traumatic brain injury，TBI)通常有发病机制复杂和不可逆转的机械损伤的特点，虽然TBI的临床治疗有了很大的发展，但目前尚无确切疗效的药物，可能由于药物阻断机制单一，无法满足脑保护要求。研究表明，TBI后自噬增强，激活的自噬在TBI后发挥脑保护作用，但其在TBI中的作用仍存在争议。在TBI动物模型中，小鼠神经元自噬功能上调，神经功能明显恢复。在小鼠TBI早期，自噬发挥的是损伤神经细胞的作用，而不是保护神经作用，在抑制自噬后，小鼠的神经元活性增加，行为功能丧失得到改善。后来有学者证实发生此种情况的原因可能和试验条件、建模方式不同有关。可以看出，TBI可以诱导自噬激活，但自噬到底在TBI病理过程中发挥的是正作用还是负作用，目前尚无统一结论。研究表明在TBI模型中，SIRT3诱导自噬抵抗神经元损伤，发挥神经保护作用，可能和经典自噬通路AMPK-mTOR有关[19]。最近的研究表明，在高原低氧暴露环境下，线粒体SIRT3的含量与低氧暴露时间和海拔高度严格呈时间依赖性分布，并且过表达和下调SIRT3分别会表现出颅脑外伤的神经保护作用和损伤作用。

6.4 SIRT3与阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD) 通过对活性氧产生的氧化生物分子的分析，发现氧化应激损伤在阿尔茨海默病中很常见，氧化应激损伤与线粒体功能障碍之间存在螺旋式相互作用。因此，ROS的产生已成为AD等多种神经退行性疾病的主要威胁因素。最近的病理学研究表明，在人类患者和小鼠AD模型中均可检测到SIRT3表达增加。载脂蛋白E4(Apolipoprotein E4，APOE4)是迟发性AD的主要遗传因素。在APOE4患者中，SIRT3在额叶皮质的表达明显低于非携带者。因此，SIRT3水平分析可能有助于AD的诊断。此外，由于ROS合成增加，SIRT3的表达水平可能相应增加。在体外培养的原代神经元中，SIRT3的上调可能与AD中氧化应激引起的线粒体反应性增加有关[20]。

7 小 结

随着人们对SIRT3的重视，SIRT3在神经系统疾病中的作用日益突出，被称为线粒体的守护者。SIRT3就像一个纽带，与自噬、凋亡、肿瘤免疫、肿瘤微环境和肿瘤细胞能量代谢的相关机制联系起来，在维持线粒体功能和完整性方面非常重要，但本综述内容仍有不足，因为现存的研究观点仍然存在分歧，如SIRT3在中枢神经系统疾病中发挥的作用不一，而且不同阶段分别起到促进和抑制作用，到底是SIRT3的单一作用还是作用于其他信号通路，许多疑问有待进一步研究证实，无法做到统一，这些问题将促使我们更深层次的对《》SIRT3进行研究。因此，更好地了解线粒体SIRT3的功能及其在中枢神经系统疾病中的最新研究进展，为预防和治疗神经系统相关疾病提供新的治疗思路，并可能最终成为理想的治疗靶点。