Sirtuin家族与氧化应激损伤

和 斌,胡嘉音,诸 充,杨尚㛃,闫 蔷,康 乐

(1.同济大学附属杨浦医院临床研究与转化医学中心,上海 200090; 2.澳门科技大学医学院,澳门 999078)

氧化应激是一种细胞生理过程,其特征是细胞内活性氧(ROS)与抗氧化物质之间的平衡被破坏,导致产生氧化损伤,影响细胞内各种生物学过程。氧化应激与100多种疾病的病理生理有关[1-3],例如心血管疾病、肾脏疾病、神经退行性疾病、黄斑变性、胆道疾病、癌症及生殖系统疾病(子宫内膜异位症、多囊卵巢综合征和不明原因的不育症等)。

沉默信息调节因子家族(Sirtuins)是在对酵母细胞的转录沉默研究[4]中发现的,它们是一类辅酶I(NAD+)依赖的去乙酰化酶,广泛存在于原核生物和真核生物中且保持高度保守,通常参与与能量代谢、衰老和抗氧化应激相关的生物学过程[5-6]。在哺乳动物中存在着7种沉默信息调节蛋白(Sirt1-7),但它们的细胞定位、组织分布和生物学功能不同,根据其氨基酸序列特征可分为:I类Sirtuins(Sirt1-3)、Ⅱ类Sirtuins(Sirt4)、Ⅲ类Sirtuins(Sirt5)和Ⅳ类Sirtuins(Sirt6-7)。有研究[7]指出Sirt1、Sirt3和Sirt5可保护细胞免受ROS 损伤,而Sirt2、Sirt6和Sirt7具有调节氧化应激相关关键基因表达的作用,而有趣的是Sirt4虽然被证实可以诱导ROS的产生,但在部分类型的细胞中具有抗氧化作用。近年来,对Sirtuin家族抗氧化应激作用的研究已成为学界热点,本文对相关成果进行综述。

1 Sirt1与氧化应激

Sirtuin1(Sirt1)是Sirtuin家族I类蛋白去乙酰化酶重要成员之一,其在代谢调节、氧化应激以及与衰老相关的生理、病理过程中发挥关键作用。Sirt1也参与了活性氧化合物在体内的调控。因此,调节Sirt1水平可能成为对抗活性氧化合物生成的一种策略,同时也可能成为治疗各种病理疾病的新靶点[8]。Sirt1通过NAD+/NADH的氧化还原反应来感知细胞内环境的变化,进而去乙酰化叉头框转录因子O亚族1(FOXO1)和过氧化物酶体增殖物激活受体 γ 共激活因子-1α(PGC-1α),从而增强细胞活力,参与抗凋亡、抗炎和抗氧化应激过程[9-10]。

有研究[11]表明,姜黄素通过抑制FOXO1的乙酰化,调节Sirt1-FOXO1通路,减轻2型糖尿病引发的氧化损伤,并保护心肌细胞免于凋亡。毛蕊异黄酮苷(calycosin-7-O-β-D-glucoside)作用于脑缺血再灌注的神经元细胞,上调Sirt1、FOXO1、PGC-1α和Bcl-2的表达,同时下调了Bax的表达这说明毛蕊异黄酮苷可通过Sirt1/FOXO1/PGC-1α信号通路减轻脑缺血再灌注诱导的神经元细胞凋亡和氧化应激损伤[12]。此外,Sirt1还可以影响PGC-1α的上游通路。白藜芦醇是Sirt1的激动剂,可通过激活Sirt1/PGC-1α通路减轻高糖引起的肾小管细胞线粒体功能障碍,减少氧化应激损伤和细胞凋亡,提示了Sirt1在治疗糖尿病性肾病中的潜在作用[13]。核因子E2相关因子2(Nrf2)是一种多效蛋白,也是重要的抗氧化传感器,其功能的正常激活对细胞内防御机制至关重要。激活的Nrf2与抗氧化防御系统相互作用,促使血红素加氧酶(HO-1)等基因转录。有研究[14]显示,褪黑素通过激活Sirt1和依赖Nrf2的转录因子在未成熟的大鼠大脑和BV-2细胞中发挥抗氧化和抗炎作用,因此,Sirt1/Nrf2信号通路可能成为治疗神经退行性疾病的新策略。衔接蛋白P66shc有调控ROS水平、细胞凋亡和细胞寿命的功能,有研究[15]显示,Sirt1在转录水平上对p66shc的表达进行了负调控,即Sirt1与p66shc的启动子结合,使其组蛋白H3去乙酰化,降低p66shc的转录,从而介导对氧化应激的抑制。本课题组在此前的研究[16]中观察到在H2O2诱导的人卵巢颗粒细胞SVOG体外氧化应激损伤模型中,Sirt1的表达降低。而过表达Sirt1使SVOG细胞的氧化损伤减轻,P66Shc的表达也同时下调。总体而言,已有证据表明Sirt1通过多种途径参与细胞内ROS的调控,后续更深入的研究有望为相关疾病的临床治疗提供新的靶点。

2 Sirt2与氧化应激

Sirt2在人体中广泛分布,表达于包括大脑、肾脏、胰腺、睾丸、肝脏和脂肪组织在内的多种组织器官中,它在基因组稳定性维持、细胞分化、细胞稳态、衰老、感染、炎症、氧化应激和自噬等生理过程中扮演着重要的角色[17]。Sirt2在哺乳动物细胞中表现出促进抗氧化和抑制ROS的特性[7],在小鼠胚胎成纤维细胞(NIH3T3细胞)中,Sirt2通过催化叉头转录因子O亚型3a(FOXO3a)的去乙酰化并激活后者的靶基因表达来抵抗氧化应激,并减少ROS的产生。此外,Sirt2还通过抑制线粒体自噬和调节PGC-1α来增强细胞抗氧化应激能力[18]。还有研究[19]发现,在受到脂多糖或过氧化氢刺激的细胞中,Sirt2的过表达能够降低ROS水平,并增加锰超氧化物歧化酶(MnSOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)等抗氧化酶的表达。最近的研究[20]发现,使用选择性Sirt2抑制剂AGK2处理PC12细胞,可以减弱其NAD+诱导的Nrf2 mRNA和蛋白的表达,同时伴随抗氧化能力的减弱。另外,Sirt2还能够通过调节AKT的磷酸化来调控核内Nrf2水平及其下游抗氧化基因的表达[21]。上述发现表明Sirt2在调节氧化应激反应方面发挥着重要作用。

3 Sirt3与氧化应激

Sirtuin3(Sirt3)是I类Sirtuins的重要成员之一,其在抗线粒体氧化应激中起到的关键作用备受研究者关注。Sirt3在多种疾病(如癌症、心脏肥大和代谢综合征和神经退行性疾病等)的氧化应激过程中扮演重要角色[22]。有研究[23]发现,敲除Sirt3基因的小鼠高血压发生率增加,这与其细胞线粒体抗氧化剂超氧化物歧化酶2(SOD2)的高乙酰化有关,由此导致的SOD2失活增强了线粒体氧化应激;相反,在过表达Sirt3的小鼠中,上述不良反应明显减少,暗示Sirt3功能降低可能会促进高血压患者的内皮功能障碍、血管肥大、血管炎症和靶器官损伤。还研究[24]表明褪黑素能够上调心肌细胞中Sirt3的表达和活性,从而减少SOD2的乙酰化,并且褪黑激素还提高了Bcl-2的表达,降低了Bax和Caspase-3的水平,这表明褪黑素可通过激活Sirt3信号通路来抑制氧化应激和凋亡,从而保护心肌细胞免受损伤。在盲肠结扎穿刺诱导的小鼠败血症模型中,褪黑素通过增加Sirt1和Sirt3的表达来保护肠道屏障功能,这过程中也发生了SOD2的去乙酰化和活性上调,减少了氧化损伤,从而部分缓解了败血症引起的小肠损伤[25]。FOXO3a也是Sirt3的底物蛋白,有研究[26]发现,Sirt3与FOXO3a可以相互作用,Sirt3介导的FOXO3a去乙酰化可引起MnSOD、SOD2等水平上调,降低ROS水平,减轻氧化损伤。还有研究[27]表明,褪黑素通过抑制Sirt3/SOD2-AKT通路诱导的氧化应激,增强了紫草素对癌细胞的细胞毒性作用。褪黑素-紫草素联合治疗法可以诱导氧化应激,增加各种癌细胞中线粒体内钙的积累,并降低线粒体膜电位,导致细胞凋亡。在HeLa细胞中,褪黑素-紫草素联合治疗降低了Sirt3/SOD2的表达和SOD2活性,而Sirt3的过表达大大降低了药物诱导的氧化应激、内质网应激、线粒体功能障碍和细胞凋亡。现有证据表明Sirt3通过多种途径参与氧化应激的调控。

4 Sirt4与氧化应激

Sirt4在人体各器官中均有分布,尤其在心脏、肝脏、肾脏、脾脏、前列腺、睾丸和卵巢中的表达水平较高,主要定位于细胞线粒体基质中[28]。有研究[29]表明,Sirt4参与调节线粒体内腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)的产生,体外细胞培养实验和小鼠模型体内实验均显示Sirt4的缺乏将导致细胞内ATP水平降低,而过表达Sirt4则提高了哺乳动物细胞中的ATP水平。Sirt4的作用靶点包括线粒体内膜上的腺嘌呤核苷酸转位酶-2(ANT2),Sirt4通过去乙酰化ANT2促进线粒体呼吸与氧化磷酸化的耦合,进而促进高效的ATP生成。此外,Sirt4的缺乏可能破坏ATP的内稳态,触发逆行信号,即通过AMPK-PGC1α途径激活线粒体生物发生和脂肪酸氧化,参与氧化应激反应。

另一项研究[30]指出,在血管紧张素Ⅱ诱导的心肌肥大小鼠模型中,Sirt4的过表达导致心肌细胞线粒体中ROS增加,而敲除Sirt4基因的小鼠心肌细胞线粒体中ROS减少。对大鼠心肌细胞进行的实验也验证上述结果,说明Sirt4可能在一定程度上直接调控心脏中ROS水平。此外,Sirt4还可以催化Sirt3的乙酰化,从而抑制其与SOD的结合,降低SOD的活性[30]。这些结果共同表明,Sirt4在氧化应激调控中发挥着重要作用。在一项关于骨关节炎的研究[31]中,实验结果表明Sirt4的活性水平与骨关节炎的严重程度呈负相关,实验使用重组人Sirt4蛋白(50 ng·mL-1)刺激软骨细胞,增加了抗氧化酶(SOD1、SOD2和CAT等)的表达,从而显著减少了ROS的积累。总而言之,上述结果表明Sirt4在参与氧化应激反应中发挥了重要的作用,但是Sirt4的抗氧化作用因细胞类型而异,尚需要更多的研究来确定Sirt4在抗氧化作用及对氧化应激相关疾病中的具体作用及其机制。

5 Sirt5与氧化应激

Sirt5主要定位在线粒体中,在大脑、心脏、肝脏和淋巴细胞中高度表达,有包括去乙酰化、去丙氨酸化和去琥珀酸化等在内的多重酶活性。Sirt5可催化细胞色素C的去乙酰化,从而在氧化代谢和细胞凋亡过程中发挥重要作用[32]。此外,Sirt5还参与细胞内代谢和能量平衡的调节,包括能量的摄入、储存和消耗,而这些过程与心脏病的发生密切相关。有研究[33]发现,在氧化应激状态下心肌细胞中的Sirt5表达显著下调,并且,Sirt5还可能通过影响Bcl-xL的表达水平调节氧化应激诱导的心肌细胞凋亡。因此,Sirt5可能成为治疗心脏病的潜在靶点。

有研究[34]发现,Kruppel样因子6(KLF6)介导的Sirt5/Nrf2/HO-1信号通路能够缓解脑出血导致的海马神经元细胞氧化应激和神经功能障碍,特别是在sh-KLF6(敲低KLF6的表达)的脑出血大鼠模型中,即敲低KLF6的表达从而增加Sirt5的水平使得SOD和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的酶活性增强,进一步证明了Sirt5具有显著的抗氧化应激功能。同样地,在肝脏缺血再灌注损伤的小鼠模型中,研究者[35]发现过表达Sirt5可以减轻小鼠的肝脏缺血再灌注损伤;体外实验中,Sirt5可以通过上调SOD1和异柠檬酸脱氢酶2(IDH2)的表达来减轻氧化损伤和炎症反应。最近的研究[36]还发现,Sirt5可以降低细胞中ROS的水平,减少细胞内氧化应激。因此,Sirt5是细胞中氧化应激反应的重要调节者之一,但其抗氧化机制仍需进一步的研究阐明。

6 Sirt6与氧化应激

Sirt6是Sirtuin家族中的重要成员,是一种NAD+依赖的组蛋白去乙酰化酶和ADP核糖转移酶[37],其在细胞衰老、能量代谢、氧化应激、炎症和自噬等多个生理过程中发挥着关键作用[38]。Sirt6可通过AMPK依赖的机制来发挥对心脏缺血再灌注损伤的保护作用,它能够激活FOXO3并在细胞核内形成Sirt6-FOXO3复合物,该复合物可增强FOXO依赖性抗氧化基因(如MnSOD和CAT)的转录[39]。此外,Sirt6的过表达可以激活AMPK通路,进而上调Bcl-2并抑制核转录因子κB(NF-κB)的活性,降低细胞内ROS水平,从而保护心肌细胞免受氧化损伤[40]。GAO等[41]利用心脏特异性敲除Sirt6的小鼠进行了研究,发现在高脂饮食条件下Sirt6的缺失加重了心脏损伤,包括左心室肥大和脂质积累,并且进一步揭示了Sirt6可通过内切核酸酶G(ENDOG)来调节SOD2的转录和表达,从而减轻了高脂饮食引起的心肌细胞氧化应激。另有研究[42]指出,Sirt6能够激活Nrf2信号通路,诱导CAT、HO-1和其他抗氧化蛋白的表达,从而保护近曲小管肾细胞免受缺血再灌注引起的氧化应激损伤。在顺铂诱导的肾毒性小鼠模型中,抗氧化物质异荭草苷(Isoorientin)的治疗显著减轻了肾毒性损伤,有研究[43]表明异荭草苷可以上调Sirt1和Sirt6的水平,同时激活Nrf2及其下游抗氧化酶(如HO-1等),从而对抗氧化损伤。综上所述,Sirt6在维持氧化还原平衡中起到重要的作用,有良好的抗氧化功能。

7 Sirt7与氧化应激

Sirt7是哺乳动物Sirtuins家族的最后一个成员,主要在细胞核作用,因其在基因组稳定性维持、DNA损伤修复、氧化应激、代谢稳态、衰老、炎症和肿瘤发生等方面的关键作用受到了研究者的广泛关注[44]。放射治疗通常会引起肠道损伤,损伤的方式包括直接的DNA损伤和ROS超量积累产生的细胞损伤。Nrf2是已经确认的防止电离辐射损伤的关键保护因子,可促进DNA损伤修复和调节细胞内抗氧化过程,有研究[45]表明Nrf2的缺乏会加剧细胞DNA损伤和肠道病理性改变,在敲除Nrf2的肠道细胞中过表达Sirt6或Sirt7,能够细胞调节氧化应激和DNA损伤修复过程,促进增殖并保护细胞免受辐射损伤。此外,补充Sirtuins激动剂烟酰胺单核苷酸(NMN)可以增加Nrf2敲除细胞中Sirt6和Sirt7的水平,同时降低ROS水平,改善DNA损伤状况。在小鼠体内实验中,长期喂食NMN可以减轻Nrf2-/-小鼠的肠道辐射损伤,促进肠道细胞增殖,并提升其抗氧化能力[45]。此外,褪黑素可以提高Sirt7的表达水平,通过PI3K/AKT/mTOR通路提升人颗粒细胞的抗氧化能力和细胞存活率[46]。尽管关于Sirt7参与氧化应激调控的研究相对较少,但其在细胞中的抗氧化作用已毋庸置疑。

8 结语

氧化应激反应是细胞内ROS的产生与抗氧化防御之间不平衡的结果,随着机体的衰老,这种不平衡逐渐加剧,氧化应激反应开始影响多种组织的正常功能,这也与多种老年慢性疾病有关,例如糖尿病,心血管、肾、肺和骨骼肌疾病等。上述研究表明Sirtuins家族在哺乳动物细胞的正常生理过程和氧化应激介导的病理过程中都具有极其重要的作用,如能对Sirtuins维持细胞氧化还原稳态的机制进行更为深入的研究,可能使Sirtuins成为临床相关疾病的新治疗靶点,为患者带来福音。