SIRT3在肺动脉高压发病机制中的作用研究进展

鲍柏辛 孙永红 雷晓燕 王建军 陈星星 陈莉莉

甘肃中医药大学第一临床医学院，甘肃兰州 730000

肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）是一种难治性疾病，其主要病理原因为肺血管细胞增殖与凋亡失衡及炎性细胞浸润，进而导致血管重塑，使肺动脉压力升高。肺动脉平滑肌细胞（pulmonary artery smooth muscle cells，PASMCs）和肺动脉内皮细胞（pulmonary arterial endothelial cells，PAECs）的线粒体功能障碍，特别是葡萄糖氧化受到抑制，导致葡萄糖摄取和糖酵解的代偿性上调，这种线粒体功能障碍是线粒体依赖性凋亡的基础[1]。定位于线粒体的沉默信息调节因子3（silent information regulator 3，SIRT3）是一种烟酰 胺 腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依赖性去乙酰酶，通过去乙酰作用调节线粒体的多种功能[2]，包括维持线粒体内稳态、抑制线粒体活性氧（reactive oxygen species，ROS）对肺组织的损伤、改善PAH 中PASMCs 及PAECs 功能障碍、缓解炎性因子对肺组织的影响、挽救线粒体使其功能正常化，故在调节PAH 中有着很大作用，现将有关SIRT3 在调节PAH 中的作用做如下综述，以期为临床提供新研究靶点。

1 PAH的发病机制

PASMCs 异常增殖及炎性反应和PAECs 功能障碍是血管重塑的基础，血管重塑是PAH 发生发展的核心机制。在PAH 患者中，低氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factors，HIF-1α）常明显升高，HIF-1α 通过引起丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）表达下降，影响三羧酸循环，进而抑制氧化磷酸化水平，导致Warburg 效应增强[1]。常氧条件下，恶性肿瘤细胞主要通过糖酵解途径实现自身供能，这种糖酵解被称为Warburg 效应[3]，Warburg 效应在PAH 患者中同样存在，由于Warburg 效应，线粒体外膜蛋白处于低通透状态，造成线粒体内阴离子因不能通过而聚积，并且由于Warburg 效应使得ATP 产量大幅下降，导致NADH和FADH2 传递给呼吸链复合物时产生的H+从线粒体间隙返回线粒体基质的过程受抑制，使线粒体膜电位增加[4]，PASMCs 线粒体膜电位因Warburg效应明显升高，使细胞表现为抗凋亡状态。

同时炎性反应与PAH 的发生发展密切相关，炎性反应既可以诱导PAH 的发生发展，同时PAH又可以进一步加重炎性反应，正反馈加重PAH。PAH 患者肺组织中存在大量炎性细胞浸润，这些炎性细胞黏附在PAECs 导致其功能紊乱，并释放大量炎性因子，包括白细胞介素（interleukin，IL）、血清高迁移率族蛋白B1（high mobility group box-1 protein，HMGB1）、单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等[5]，这些炎性因子又进一步导致PASMCs 增殖。

2 Sirtuins家族概述

沉默信息调节因子家族（Sirtuins 家族）是一类依赖于NAD+的线粒体蛋白去乙酰酶，通过去乙酰化作用参与到包括细胞免疫、生长发育、衰老、增殖、凋亡、DNA 修复、细胞代谢等许多生物学过程中[6-8]。Sirtuins 家族目前已知存在七个成员，SIRT1 目前研究最多，已涉及包括神经元保护、热量限制、细胞凋亡、葡萄糖和脂质代谢、细胞衰老、心血管疾病以及癌症等过程[9]。SIRT2 参与细胞凋亡调控，在胞浆及细胞核中均有表达，其表达上调可抑制凋亡，控制细胞周期的进展，调节细胞代谢、细胞分裂和分化[10]。SIRT3 主要定位于线粒体基质，通过调控线粒体有氧氧化、ATP 生成、线粒体动力和线粒体未折叠蛋白应答从而对线粒体生理功能进行调控，还可抑制ROS 的氧化作用对心血管细胞产生损伤[11]。SIRT4 通过调控线粒体谷氨酰胺代谢来调控细胞周期，与其他家族成员不同，SIRT4 缺乏NAD+依赖性去乙酰酶活性，仅对组蛋白发挥ADP-核糖转移酶活性[12]。SIRT5 是一种在线粒体内膜腔和基质中广泛表达的蛋白，仅具有较弱的去乙酰化酶活性，通过去乙酰化与氨基甲酰磷酸合成酶Ⅰ相互作用，进而调节尿素循环[13]。SIRT6 定位于细胞核内，既有去乙酰化酶活性，又具有ADP-核糖转移酶活性，表现出调控细胞稳态、DNA 修复、端粒维持等多种生物学功能[14]。SIRT7 较多存在于核仁中，可催化组蛋白H3K18 的选择性去乙酰化，H3K18 是侵袭性肿瘤的表观遗传学生物标记物，控制许多肿瘤抑制基因，SIRT7 表达水平的高低与组织细胞增殖程度密不可分[15]。

3 SIRT3介绍

SIRT3 的转录在细胞核中完成，其基因位于11号染色体短臂，过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α 通过与转录因子雌激素相关受体α 结合调控SIRT3 的转录[16]。作为一种典型的沉默调节蛋白，SIRT3 的催化核心区域包含一个用于NAD+结合的大Rossmann 折叠结构域和一个较小的结构域，以NAD+依赖的方式发挥去乙酰化作用。在线粒体的调节机制中，乙酰化是重要的调节机制之一，线粒体的蛋白质中约20%可发生乙酰化修饰。线粒体乙酰化主要由SIRT3 调控，通过调节底物的乙酰化水平维持线粒体内稳态，线粒体SIRT3可以与至少84 种线粒体蛋白直接相互作用，这些蛋白质涉及生物学功能的各个方面，包括线粒体有丝分裂、基因表达调控、能量生成、物质代谢、炎性反应、细胞衰老[17-20]。

4 SIRT3与PAH

4.1 SIRT3在PAH形成中的作用

PAH 是一类以进行性肺血管收缩和肺血管重构为特征的疾病。SIRT3 作为Sirtuins 家族中唯一在线粒体内拥有稳定去乙酰化活性的蛋白，其水平越低，线粒体乙酰化程度越高，而线粒体乙酰化程度的高低与PAH 的严重程度直接相关。研究表明[21]，应用脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）同时处理野生型及SIRT3 基因敲除的小鼠，SIRT3 基因敲除的小鼠产生更多的促炎因子，造成肺组织损伤加重。研究也表明[22]，同野生型小鼠相比，SIRT3 基因敲除小鼠PAH 相关指标，平均肺动脉压、全肺阻力均有所升高。

4.2 SIRT3可改善PASMCs及PAECs功能

SIRT3 能够通过去乙酰化促进葡萄糖的氧化磷酸化，可以有效阻断Warburg 效应，通过阻断Warburg 效应可降低线粒体膜电位从而改善PAH的PASMCs 异常增殖[23]。同野生型小鼠相比，敲除SIRT3 基因小鼠PASMCs 的线粒体膜电位明显增高，且人PASMCs 敲除SIRT3 也同样增加了线粒体膜电位[22]。PAH 的发生发展与ROS 密切相关，ROS 会造成线粒体结构和功能的障碍[24-25]，而SIRT3 可通过介导线粒体的氧化途径，进而调节ROS 的产生，在缺乏SIRT3 的情况下，ROS 的增加会导致HIF-1 活化的增加，这说明SIRT3 能够抑制HIF-1，具有阻断Warburg 效应进而改善PAH 的能力[26]。

4.3 SIRT3缓解巨噬细胞及炎性因子对肺组织的损伤

大量巨噬细胞浸润在PAH 患者肺血管周围并释放大量炎性因子，这在PAH 的发生和发展中起到至关重要的作用。由于PAH 中PAECs 的损伤造成其功能失调，从而产生大量ROS，ROS 增多激活NF-κB通路导致炎性因子大量表达，进而引起PASMCs 的损伤。当SIRT3 在线粒体内过表达时，通过去乙酰化作用，使NADPH 水平提高，进而抑制细胞内ROS 的蓄积[27]。SIRT3 在调节巨噬细胞线粒体功能、ROS 形成和控制炎性反应、降低肺损伤中发挥着关键作用，缺乏SIRT3 基因的PAH 小鼠，其炎性因子TNF-α、IL-18和巨噬细胞炎性蛋白-2（macrophage inflammatory protein-2，MIP-2）显著增加[21]。

4.4 SIRT3可以在大鼠PAH的标准模型中作为治疗靶点

在不同细胞群中白藜芦醇已被证明可以激活SIRT3[28]。用白藜芦醇处理急性肺损伤野生型小鼠，不仅恢复了巨噬细胞的生物学功能，而且可以减少炎性因子TNF-α、MIP-2、HMGB1、IL-6 和IL-1β的产生，减轻肺损伤，而这些保护作用在SIRT3 基因敲除小鼠中是不存在的[21]。给予PAH 大鼠SIRT3 基因治疗，可有效改善PAH 大鼠的血流动力学功能及血管重塑，使肺血管内侧壁厚度减少。敲除SIRT3 基因的小鼠PASMCs 中PDH 活性降低，导致线粒体功能障碍，但通过腺病毒介导使SIRT3在PAH 患者PASMC 中高表达可以改善线粒体膜电位及功能，表明SIRT3 缺陷的挽救足以使线粒体功能正常化[22]。

5 总结及展望

现在PAH 的治疗集中在外科手术、介入手术及扩血管药物的临床应用上，但肺血管重构限制了目前临床治疗的疗效，其长期预后效果欠佳。随着针对PAH 发病机制的研究进展，靶向药物为治疗PAH 提供了新的治疗思路。线粒体功能障碍是PAH 的重要生理病理学表现，SIRT3 作为维持线粒体功能的重要调节因子，其在线粒体内的去乙酰化作用已被证实，对于治疗PAH 显示出积极作用。在未来PAH 的治疗策略上，可针对SIRT3 发挥作用的相关机制进行更加深入的研究，将SIRT3 作为治疗PAH 的新靶点，更好地了解PAH 的病理过程，为其预防与诊治提供新策略。