sirtuins的生物学和生理学研究进展

摘要

“契诃夫的枪”是指在戏剧早期引入的看似无关的道具或观察（例如万尼亚舅舅)但它的真正意义只有在剧终时才被揭示出来。通常，科学对这位俄罗斯剧作家的著名格言有自己的版本。在我们的案例中，这出戏始于1914年秋季，一位年轻教授的观察似乎与此无关，他描述了摄入热量限制饮食的老鼠的有益效果。一些人怀疑，由于对这位科学家本人的担忧，这些引人注目的观察结果在很大程度上被忽视和遗忘了。事实上，这位年轻的教授，F.Peyton Rous，仅仅在几年前就震惊了科学界，他假设在某些情况下，癌症可以通过病毒传播，这一观点遭到了他的老同事的嘲笑和嘲笑。无论出于何种原因，罗斯的好奇观察在近二十年里一直处于休眠状态。然而，随着时间的推移，其他科学家逐渐扩展了这些想法，并证明了从人类到酵母等物种限制热量摄入的益处。事实上，正是在后一种物种中，对热量限制的分子基础的解剖首先牵涉到NAD家族⁺-依赖酶，现在统称为sirtuins。在下面的章节中，我们回顾了我们对西尔图蛋白生物学的理解的最新进展，特别强调了它们在哺乳动物物种中的作用。尽管仍有许多问题尚未解决，争议仍未解决，就像契诃夫的枪一样，只有随着时间的推移，罗斯观察的真正意义才能最终被理解。

一个新的脱乙酰酶家族

sirtuin家族的创始成员酵母Sir2（沉默信息调节器2）最初是在沉默因子筛选中分离出来的¹最终，四种蛋白质（命名为Sir1–Sir4）被确定为交配型位点和端粒DNA沉默的重要调节因子。当Guarente和同事使用酿酒酵母作为一个模型系统，独立地确定这些蛋白质是寿命的关键调节器^2,三随后的分析表明，Sir2在生物化学上作为组蛋白脱乙酰化酶发挥作用，在一种需要能量中间体NAD的独特反应中⁺作为一个共同因素⁴值得注意的是，在其他模式生物中的分析（包括秀丽隐杆线虫和果蝇属)还暗示Sir2同源物是寿命的决定因素⁵在酵母和苍蝇中，Sir2水平在热量限制治疗后增加。也许更重要的是，在缺乏sirtuin的酵母和小鼠中，通过限制热量来延长寿命的做法被废除了^5,6随后的研究证实了其中一些观察结果，并证明在酵母中，Sir2在热量限制和寿命延长中的作用可能与菌株、物种和环境有关^7,8.

迄今为止，已鉴定出7种哺乳动物同源物，其中哺乳动物SIRT1在进化上最接近酵母Sir2。最近建立了一个或多个sirtuin基因被敲除的特定小鼠模型(图1). 细胞生物学研究进一步证明了每个家族成员的不同亚细胞亚区，其中SIRT6和SIRT7是核蛋白，SIRT3、SIRT4和SIRT5线粒体蛋白，并且SIRT1和SIRT2在细胞核和细胞质中，在细胞和组织依赖性环境中被发现⁹观察到这些蛋白质需要NAD⁺作为其酶促作用的一部分，立即表明sirtuin活性和细胞内能量学之间存在机制联系。然而，值得强调的是，目前还没有确凿证据表明这些蛋白质在哺乳动物寿命调节中发挥任何直接作用，因为药理性sirtuin激活剂或SIRT1的过度表达均未被证明能延长小鼠的寿命。尽管如此，人们对sirtuins的兴趣爆发，集中在一个令人不安的概念上，即在某种程度上，这些蛋白质提供了我们吃什么和寿命之间的联系。

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图1

鼠标敲除模型作为探索sirtuin功能的工具

已有SIRT1、SIRT3、SIRT4、SIRT5、SIRT6和SIRT7的基因靶向研究报道。表型包括中位寿命的缩短，从通常的存活天数（SIRT1）到周（SIRT6）或月（SIRT7）不等。相反，尽管有生化表型的报道，苏尔特3^−/−和苏尔特4^−/−小鼠外观正常。初步报告表明苏尔特5^−/−小鼠也没有明显的表型⁴⁹.

Sirtuins在DNA修复中的作用

早期对模型生物的研究表明，sirtuins在维持基因组完整性方面发挥了作用。例如，酵母Sir2被证明可以抑制核糖体DNA的重组以及重新定位到DNA断裂的位点^5,10此外，酵母sirtuin家族成员能够去乙酰化组蛋白，这种活性的缺失会导致沉默缺陷、增加基因组不稳定性和对DNA损伤的敏感性^5,10这些特性似乎也延伸到哺乳动物的sirtuins。第一个例子是对SIRT6缺陷细胞的分析，该分析表明对基因毒性损伤和染色体异常累积的敏感性增加¹¹最近的研究表明，SIRT6也作为组蛋白去乙酰化酶发挥作用，可以影响人类细胞的端粒¹².

哺乳动物SIRT1似乎也影响基因组稳定性。首先，SIRT1可以去乙酰化与DNA损伤修复相关的各种因子，包括沃纳解旋酶和NBS1（参考文献。13). SIRT1在基因组完整性中的作用进一步得到证实，最近的研究表明，SIRT1的染色体畸变增加，DNA修复受损Sirt1（信号1）^−/−胚胎¹⁴此外，在氧化损伤后，SIRT1被发现被招募到DNA断裂的位点。虽然这种募集在防止基因组不稳定方面似乎很重要，但这种反应伴随着先前沉默的基因的去表达¹⁵这些观察结果表明，与酵母Sir2一样，SIRT1似乎调节表观遗传沉默和染色质修饰，最近的证据表明，这至少部分是通过直接调节修饰酶实现的，如组蛋白甲基转移酶SUV39H1（参考文献^16,17).

Sirtuins与细胞命运

哺乳动物sirtuins在调节细胞抗应激能力和调节细胞死亡阈值方面也发挥着重要作用。在某种程度上，这种应激抵抗力的增加来自于与叉头盒O类（FOXO）转录因子家族的相互作用。这些哺乳动物转录因子调节能量状态和抗应激能力，这两个特性与寿命延长密切相关。SIRT1可以结合FOXO3a并使其去乙酰化，从而选择性增加FOXO调节的应激抵抗基因^18,19随后的实验扩展了这些观察结果，以证明不同的sirtuin和FOXO家族成员可以相互作用。此外，最近的一份报告表明，SIRT1还可以通过调节热休克反应来保护细胞免受应激²⁰SIRT1和p53的相互作用也可以调节外源性应激条件下的细胞死亡阈值^21,22确实，FOXO蛋白和p53蛋白在应激条件下可以直接相互作用^18,23p53可以通过包括p53依赖性microRNA在内的多种途径调节SIRT1的表达^23–25除了p53，SIRT1还可以调节与细胞死亡相关的其他靶点，包括Ku70、E2F1和TGF-β信号传导²⁶此外，SIRT3和SIRT4的协同作用似乎通过维持线粒体NAD来抑制细胞死亡⁺压力后的水平²⁷虽然在大多数例子中，西尔图因活性似乎可以对抗应激诱导的细胞死亡途径，但SIRT1也可以使NF-κB复合物的去乙酰化成分增加凋亡²⁸.

鉴于sirtuins与衰老之间的潜在联系，设想这些蛋白质在介导细胞衰老和干细胞功能等过程中的作用是很有吸引力的。与这种作用一致，SIRT1的表达可以对抗小鼠胚胎成纤维细胞在强制癌基因表达后出现的过早衰老²⁹类似地，通过其NF-κB活性的调节，SIRT6的敲低似乎增加了原代角质形成细胞的衰老³⁰。尽管可以得出增加sirtuin活性可以防止衰老的结论是令人满意的，但重要的是要注意到Sirt1（信号1）^−/−小鼠胚胎成纤维细胞得出了相反的结论³¹关于分化，已证明西尔图因通过调节PPAR-γ（过氧化物酶体增殖激活受体γ）抑制脂肪生成，并影响肌肉和神经元分化^32,33最近对小鼠胚胎干细胞的研究也表明SIRT1在调节干细胞活性氧物种内环境稳定和分化中的作用³⁴SIRT1还可以与多梳阻遏物家族的成员相互作用，多梳阻滞剂家族是一个与干细胞自我更新密切相关的蛋白质家族，这一观察结果表明，sirtuins、分化和干细胞功能之间可能会出现额外的联系³⁵.

Sirtuins与代谢调节

在哺乳动物中，血糖浓度在各种生理条件下保持在一个狭窄的范围内。在饥饿期间，血糖的维持部分是通过实施肝脏糖异生计划来实现的。越来越多的证据表明，sirtuins在这种生理适应中起着重要作用。过氧化物酶体增殖物激活受体γ-活化物-1α（PGC-1α）是SIRT1依赖性去乙酰化的已知靶点^36,37这种辅活化因子在调节肝脏内的糖异生和脂肪酸氧化途径中也起着基本作用。PGC-1α调节后两种途径的能力似乎需要SIRT1（参考文献^37,38). 最近，蛋白质乙酰化和SIRT1依赖性去乙酰化在调节肝脏对短期（<6小时）和长期（>18小时）禁食的反应中发挥了不同的作用³⁹在这种情况下，SIRT1和p300/CBP乙酰基转移酶的相反作用在营养应激环境下指导肝葡萄糖生成。最后，SIRT6缺陷小鼠出现严重低血糖的观察结果表明，其他西尔图蛋白在葡萄糖生成和体内平衡中具有潜在作用¹¹.

除了调节肝脏糖异生作用外，西尔图因还通过调节胰腺胰岛素分泌来调节血糖水平。与对照组小鼠相比，β细胞特异性SIRT1过度表达的转基因小鼠的葡萄糖刺激胰岛素分泌增加，葡萄糖耐受性改善⁴⁰，同时Sirt1（信号1）^−/−小鼠葡萄糖刺激的胰岛素分泌受损⁴¹最后，SIRT4通过其谷氨酸脱氢酶（GDH）的ADP核糖基化⁴²及其与胰岛素降解酶的相互作用⁴³似乎也参与调节胰腺胰岛素分泌。

sirtuin家族在代谢中的作用比调节葡萄糖稳态的作用要广泛得多(图2). 如前所述，SIRT1通过其对PPAR-γ和PGC-1α活性的调节在脂肪动员和脂肪酸氧化中具有重要的调节作用^32,44PGC-1α活性的调节也表明sirtuins在新线粒体的生成中起作用，因为PGC-1β是线粒体生物发生的关键调节器。这些观察结果，以及SIRT1和自噬之间最近的联系⁴⁵提示sirtuins可能通过平衡PGC-1α介导的生成与自噬依赖性清除来调节细胞内线粒体的流量。除了SIRT1和线粒体之间的联系外，SIRT3依赖性去乙酰化调节线粒体酶乙酰辅酶A合成酶2（AceCS2）的活性^46,47以及电子传输链的复合物I⁴⁸.线粒体裂解物警报器3^−/−小鼠发现乙酰化显著增加的蛋白质超过30种，这表明无疑存在其他重要靶点^48,49最后，最近的一项研究表明，另一种线粒体sirtuin SIRT5是尿素循环的重要调节因子⁵⁰.

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图2

sirtuins的多种生理作用

所示为SIRT1的器官特异性生理学示例，以及sirtuin调节的一些直接或间接靶点（详见正文）。此外，还介绍了一些SIRT1调节的细胞内参数的例子，从调节祖细胞分化到改变凋亡阈值。在化合物名称或过程的开头（例如，右下角的“肿瘤形成”），向下箭头表示“减少”，向上箭头表示“增加”，而“Δ”表示“变化”。

虽然sirtuins在调节新陈代谢中的作用主要集中在肝脏和胰腺等关键代谢器官，但对自愿限制热量摄入的人类受试者的早期研究表明，SIRT1在骨骼肌和循环单核细胞等不同组织中的水平升高^51,52sirtuins在这些细胞类型的代谢适应中的作用在很大程度上尚未探索。SIRT1和昼夜节律之间有趣的联系为我们提供了一个广阔的代谢效应范围的一瞥，西尔曲因可能最终被证明可以调节^53,54SIRT1可以直接将生物钟机械的核心成分脱乙酰化，这一观察尤其令人着迷，因为这种节律的最终目的是将生物体的睡眠-睡眠周期与环境线索相协调，包括协调和匹配细胞内代谢与外部食物的可得性。

Sirtuins与年龄相关疾病

鉴于有大量数据将西尔曲因与葡萄糖稳态和胰岛素分泌联系起来，我们有理由怀疑这些蛋白质也可能调节胰岛素抵抗和糖尿病的易感性。最近两项使用SIRT1适度转基因过度表达的研究表明，当受到高脂肪饮食的挑战时，这种转基因动物确实表现出了更好的葡萄糖耐受性^55,56有趣的是，这两项研究就适度增加SIRT1表达对基础能量稳态的影响得出了两个不同的结论。除了这些获得功能的研究外，通过遗传或药理学手段抑制SIRT1也可以诱导胰岛素抵抗⁵⁷这些数据支持这样的观点，即操纵sirtuin活性可能会保护机体免受一系列代谢紊乱的影响。SIRT1基因变异与人类能量消耗和肥胖的关联也有助于这些概念^58,59在动物模型中，用西尔图因激活剂白藜芦醇治疗似乎可以预防饮食诱导的肥胖和葡萄糖不耐受^60,61关于哺乳动物系统中的白藜芦醇是否只通过调节sirtuin活性而发挥作用，人们提出了一些担忧。例如，白藜芦醇也激活AMPK途径，尽管最近的证据表明AMPK活性与sirtuin功能密切相关⁶²对白藜芦醇的特异性提出的一些担忧也通过使用新的似乎更特异的西尔图因活化剂得到了解决，这似乎再次为饮食诱导肥胖和胰岛素抵抗的动物模型提供了一些保护^63,64.

虽然人们已经对sirtuins与代谢性疾病之间的联系进行了深入研究，但越来越多的证据表明，在许多与年龄相关的疾病中，类似的关系可能适用。例如，SIRT1调节p53活性的能力可能与sirtuins在肿瘤发生中的作用有关。事实上，根据上下文，有人认为SIRT1可能增加或减少癌症风险⁶⁵最近，SIRT1可能作为一种非传统的肿瘤抑制物，这一观点被以下观察结果所强调：第53页^+/负极小鼠，SIRT1的单倍体不足导致肿瘤形成增加¹⁴而过表达SIRT1减少肿瘤¹⁵此外，最近已经建立了肿瘤抑制因子Brca1和SIRT1表达之间的直接联系⁶⁶最后，SIRT1的过度表达可以抑制由组成性Wnt信号触发的结肠癌小鼠模型中的肿瘤发生⁶⁷观察到SIRT6调节DNA修复，并且SIRT2活性对适当的胞质分裂是必要的，很有可能其他sirtuin家族成员也会影响癌症易感性。

sirtuins似乎在血管生物学中也有显著作用，并可能调节年龄依赖性动脉粥样硬化的各个方面。这些影响的一部分可能来自调节脂质和胆固醇代谢，包括SIRT1调节核受体LXR活性的能力，LXR是胆固醇逆向转运的关键因素⁶⁸此外，内皮细胞中SIRT1的条件性缺失已被证明会损害缺血损伤后的血管生成反应⁶⁹SIRT1还可以去乙酰化并调节内皮一氧化氮合酶（eNOS）活性，eNOS是血管张力的关键调节器⁷⁰这些结果特别有趣，因为在小鼠模型中，热量限制已被证明通过eNOS依赖途径诱导线粒体生物生成⁷¹其他sirtuins也会影响心血管生理，因为SIRT7缺陷小鼠表现出心脏异常⁷²重要的血管收缩剂血管紧张素II调节SIRT3的表达⁷³.

关于sirtuins在神经系统疾病中的作用的统一图景尚未出现。最初的报告表明SIRT1与一种特定的轴突变性模型有关⁷⁴尽管随后的研究提出了这种模型中观察到的神经元病理可能通过sirtuin非依赖性途径发生的可能性⁷⁵类似地，尽管（如上所述）SIRT1通常被认为可以保护机体免受氧化应激，但有证据表明在体外和体内这在大脑中可能不成立⁷⁶尽管有这些观察结果，在阿尔茨海默病小鼠模型中，SIRT1的大脑特异性过度表达似乎可以减少神经退化^77,78令人惊讶的是，SIRT2的药理学或基因抑制在细胞和果蝇属帕金森病模型⁷⁹这些结果表明，增加SIRT1或减少SIRT2都可以减少神经退行性变，这可能为开发针对这些类型疾病的广泛作用的西尔图因药物提出了警告。

结束语

sirtuin家族成员起源于酵母中的沉默因子，是细胞命运和哺乳动物生理学的广泛调节者。尽管最近的进展令人印象深刻，但我们的大部分理解都来自于仅涉及SIRT1的研究，而其他六种同样重要的哺乳动物sirtuins却很少受到关注。即使是SIRT1，许多问题仍然没有答案，包括对酶的活性在正常和应激条件下以及在衰老过程中是如何调节的充分理解(图3). 最近发现的相互作用蛋白可以正向和负向调节SIRT1脱乙酰酶活性^80–82提示其他sirtuin家族成员可能存在类似的相互作用蛋白。从使用白藜芦醇开始，西尔图因活性的药理学操纵现已扩展到各种新的药物，这些药物似乎具有更大的特异性。其中一些药物已经开始人体临床试验⁸³虽然这些药物的主要益处可能在于预防饮食诱导的代谢紊乱，但鉴于西尔图因生物学的广泛性，对血管健康、肿瘤发生甚至整体寿命的直接影响至少在可能范围内。

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图3

SIRT1活性的复杂调节

SIRT1的启动子受到各种转录因子和阻遏物的结合，包括H1C1、CtBP、p53、FOXO3A和E2F1的正调控和负调控。许多这些因子的乙酰化及其活性反过来由SIRT1控制。SIRT1信息也由RNA结合蛋白HuR和p53调节的microRNA miR-34A调节。最后，SIRT蛋白的活性由AROS和DBC1等相互作用的蛋白质以及NAD/NADH比率所反映的整体代谢状态进行正负调节。

从进化的角度来看，尚不清楚为什么sirtuin家族成为如此多看似不同的过程的关键调节器。也许这种突出现象可以归因于该酶对NAD的依赖⁺将sirtuin活性与细胞的潜在代谢状态永久联系起来。在20世纪40年代和50年代，人们清楚地看到，摄入的糖、脂肪和蛋白质最终被还原为单一、简单和通用的中间产物。50年后，人们意识到，同样的中间体乙酰辅酶A也可以用来修饰组蛋白，从而调节基因表达。因此，乙酰化和NAD⁺-依赖性脱乙酰化可能是细胞内能量学和细胞内命运之间最直接、最通用的联系。事实上，乙酰化、能量学和基因表达之间不断演变和错综复杂的联系现在才刚刚开始被揭示出来⁸⁴在这方面，尽管许多个别研究已将sirtuins与基因表达的变化、基因组稳定性的调节或细胞内代谢的改变联系起来，真正令人兴奋的是，这些不同的功能可能都是相互关联的，西尔图因是我们吃什么和我们是什么之间的桥梁。在这场戏剧中，更多的曲折等待着我们，因为我们离最后的帷幕还很远。但至少现在，对过去的许多好奇的观察开始有意义了。经过近一个世纪的等待，契诃夫的枪的意义可能终于实现了。

致谢

脚注

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