1、Sirt1的生物学特性

1986年,Ivy等[1]在研究酵母实验的过程中发现了一种与细胞长寿有关的基因,随后在果虫和蝇的体内发现了这种基因,并命名为Sir2。Sirtuins是一类烟碱酰胺-腺嘌呤二核苷酸+(NAD+)依赖性的去乙酰化酶,因其与Sir2的同源性而被命名,均归为第Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶(HDACs)。迄今为止,已有7个哺乳动物Sirtuin同源基因(Sirt)1～7被报道,它们位于不同的亚细胞区域,即细胞核(Sirt1、2、6和7),细胞质(Sirt1和2)和线粒体(Sirt3、4和5)[2,3]。其中,由于Sirt1与Sir2同源性最高,是目前研究最广泛的同源基因,它主要存在于细胞核与细胞质中。编码Sirt1的基因位于10q21.3,长度为33715bp,9个外显子编码747个氨基酸,其中包括位于核心区域的275个脱乙酰氨基酸。Sirt1的去乙酰化酶结构域高度结构化,而N端和C端非常灵活。这种结构特征使其能够提供更多的调控位点,如翻译后修饰与配体和蛋白质的相互作用[4,5]。

Sirt1作为一类NDA+依赖性组蛋白去乙酰化酶,能催化NAD+依赖的去乙酰化和(或)腺苷二磷酸-核糖基化的目标蛋白,被认为在调节细胞代谢、细胞变性、细胞生长和细胞存活等细胞生理过程中发挥重要作用,已被证实可通过对多种底物的去乙酰化来调节包括炎症、氧化应激、衰老、凋亡、自噬和基因转录在内的关键生物过程[5,6,7,8]。Sirt1的这些生理功能主要由组蛋白、转录因子或共激活因子[如P53、叉头盒O类(FOXO)、核因子(NF)-κB、过氧化物酶体增殖物激活受体γ-共激活因子(PGC)-1α和核蛋白ku70]的去乙酰化介导而发挥作用[9]。

2、Sirt1在COPD中的作用

2.1Sirt1在COPD炎症反应中的作用

炎症反应是COPD关键的驱动因素。NF-κB是炎症反应中一种极为关键的转录因子,在炎症的发生、发展中具有极其重要的作用。当机体受到炎症刺激时,会刺激NF-κB的转录进而引起炎症因子的表达。Sirt1作为细胞内一种重要的HDACs,可以负性调节炎症因子的释放。Sirt1的遗传缺失导致小鼠肺中性粒细胞浸润的显著增加,表明Sirt1调节肺部炎症。在烟草烟雾(CS)诱导的氧化应激可下调小鼠及单核-巨噬细胞中Sirt1的表达,从而引起NF-κB乙酰化增加,并促进其分泌促炎因子白细胞介素(IL)-6、IL-8、肿瘤坏死因子(TNF)-ɑ等的释放[10,11]。另外Sirt1活性的降低引起NF-κB的去乙酰化后可以导致基质金属蛋白酶(MMP)9启动子上NF-κB结合位点的组蛋白乙酰化增加,从而使COPD炎症反应增强。数据显示白藜芦醇、红霉素药物干预可以抑制CS引起的Sirt1表达下调,刺激其活化与表达,进而抑制NF-κB的去乙酰化并减少促炎介质的释放,达到干预肺部炎症反应的作用[11]。此外,Sirt1还可以通过对FOXO3的脱乙酰化调节其活性从而减少机体的炎症过程。最近研究表明,CS暴露下,FOXO3在COPD患者支气管上皮细胞中的表达减少,其主要通过CS对降低Sirt1的表达和活性来介导的。同时,Sirt1/FOXO3轴的改变导致NF-κB的活化增加,引起趋化因子IL-8和CCL20的表达增加,进而增加的肺炎症反应[12]。

2.2Sirt1在COPD氧化应激反应中的作用

氧化应激是机体细胞损伤的一个重要因素,当机体发生氧化应激时,体内的氧化与抗氧化的平衡遭到破坏,其产生的大量氧自由基可导致生物体细胞内的蛋白质氧化及细胞膜的脂质过氧化作用,从而影响机体正常的生理功能。Sirt1作为生物细胞内的一种去乙酰化酶,参与氧化与抗氧化基因的转录和修饰。

在COPD中,氧化应激被认为是持续炎症(内源性成分)和慢性吸烟(外源性成分)的结果[13]。研究表明[14]在CS暴露下,机体氧化应激水平增加,活性氧(ROS)的水平升高,导致Sirt1表达下调,进而调控PGC-1ɑ的转录,从而引起脂质过氧化产物丙二醛(MDA)增加和抗氧化剂超氧化物歧化酶(SOD)降低,最终引起COPD肺组织的损伤。此外,Yao等[15]在Sirt1基因过表达的小鼠中发现,Sirt1基因的过表达同时会增加抗氧化基因的表达,包括锰超氧化物歧化酶(MnSOD)、血红素氧化酶(HO)-1、醌氧化还原酶(NQO)-1;同时在使用Sirt1激活剂SRT1720处理的CS暴露下的FOXO3敲除小鼠及其野生型(WT)同窝小鼠中发现,在FOXO3-/-小鼠中,脂质过氧化物MDA和4-羟基壬烯醛(HNE)的表达没有变化,相反在WT小鼠中,MDA和4-HNE的表达增加;此外SRT1720激活剂增加了WT小鼠中MnSOD、HO-1、NQO-1的表达,而在FOXO3-/-小鼠中没有增加,这些数据表明Sirt1对CS引起的脂质过氧化的保护是通过FOXO3的调控进行的。在对氧化应激水平在COPD中的机制的深入研究中,Kato等[16]发现在患有重度COPD和烟草烟雾提取物培养的CD34+祖细胞中发现,在氧化应激条件下,Sirt1表达下调的同时p53乙酰化增加,而由p53调节的miR-34ɑ的表达也增加,从而引起细胞损伤加重,最终引起血管内皮祖细胞功能障碍,加重COPD。

2.3Sirt1在COPD衰老中的作用

细胞衰老是衰老的一个标志,由于端粒的逐渐磨损,细胞在反复分裂后可能发展,DNA损伤-反应途径的激活导致肿瘤抑制因子p53的激活(复制性衰老)。此外,它也可能是由细胞应激引起的,例如氧化应激、电离辐射或细胞毒性疗法,其激活细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂p16INK4(应激相关的衰老)。这些途径可能相互作用,并激活细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂p21CIP1,通过抑制细胞周期蛋白依赖激酶-2/4导致细胞周期停滞[17]。研究表明在COPD患者外周肺组织、气道上皮细胞、外周血单核细胞中Sirt1的mRNA和蛋白质均显著降低[11],导致肺衰老。p16与p21是众所周知的衰老标志物,已被证实在COPD患者细胞中表达升高,而Sirt1的过表达可以减弱衰老标志物p16、p21的上调,从而保护上皮细胞的衰老;此外,Sirt1使FOXO3去乙酰化,导致其活化并诱导细胞周期停滞,从而减少过早衰老[18]。除了FOXO3,已经鉴定了几种其他参与细胞应激反应信号传导和细胞衰老的Sirt1蛋白质底物,这包括Ku70/Ku80,Wnt/β-连环蛋白,Notch和Werner综合征蛋白。对于肿瘤抑制因子p53而言,Sirt1与p53相互作用,并使C末端调节结构域的赖氨酸残基脱乙酰化,降低Sirt1水平/活性可增加p53乙酰化,从而促进细胞凋亡和衰老。此外,通过反义寡核苷酸阻断p53逆转了Sirt1对细胞衰老的抑制作用[19]。另一近期研究表明[20]氧化应激能够驱动p38-c-Jun信号传导诱导miR-570-3p表达,然后miR-570-3p直接与Sirt1结合,降低其表达,导致细胞衰老的诱导。而通过抑制miR-570-3p水平的升高,可以增加细胞增殖,同时减少许多关键衰老相关分泌表型(SASP)蛋白,如MMP-2/9,IL-1β,趋化因子(CXCL)8和IL-6的表达,从而减少细胞衰老。再进一步研究发现,CS的暴露会使肺部功能障碍,导致细胞DNA损伤并损害双链断裂的修复;而在COPD中的DNA损伤和双链断裂修复受损都加剧,这种持续存在的DNA损伤诱导过早衰老(SIPS)和SASP。而在DNA损伤期间,Sirt1可以重新定位到受损位点并通过脱乙酰化DNA修复蛋白促进DNA修复(如Ku70,NBS,Werner解旋酶和nibrin)和通过调节肺细胞中的染色质来调节响应CS应激的SIPS和SASP,Sirt1还使组蛋白H3K56脱乙酰化,从而调节DNA损伤和基因组不稳定,进而减少细胞衰老[21]。此外,衰老的另一个关键方面是慢性炎症,该过程的特征在于几种信号分子的激活,包括NF-κB,FOXO和Klotho。Sirt1表达的减少与RelA/p65NF-κB的激活升高有关,而NF-κB是炎症的主要调节因子,进而促进炎症反应,持续存在的炎症反应导致细胞衰老的发生发展。

2.4Sirt1在COPD细胞凋亡中的作用

在COPD进展中,肺上皮细胞的凋亡起着关键作用,导致肺泡结构和肺气肿的破坏,其中Ⅱ型肺泡上皮细胞(AECⅡ)合成和分泌的肺表明活性物质在维持正常的肺泡内稳态、气体交换和改善肺组织修复中其重要作用。研究发现[22]在使用CS和脂多糖(LPS)诱导的COPD小鼠中肺气肿明显,Sirt1蛋白和活性降低,FOXO3表达下降,从而导致p53表达上调,进一步引起AECⅡ的凋亡。在Sirt1激活剂SRT1720的干预下,Sirt1蛋白的表达和活性及FOXO3的表达增加,并通过去乙酰化抑制p53反式激活,从而减少p53依赖性的AECⅡ的凋亡,进一步减少肺气肿的形成。此外,内质网(ER)应激介导的细胞凋亡参与COPD的发生发展。在COPD大鼠中发现CS的暴露会导致肺组织内Sirt1表达下降,ER应激增强,从而使ER应激相关凋亡蛋白CHOP和caspase-12的表达增加,从而导致肺组织细胞凋亡。数据显示使用褪黑素可以上调COPD中Sirt1的表达并减轻COPD大鼠肺组织细胞凋亡和ER应激[23]。体外研究表明,在CS提取物(CSE)干预的支气管上皮细胞中,ER应激增加,褪黑素和白藜芦醇可以通过Sirt1/ORP150途径降低ER应激凋亡相关蛋白CHOP、ATF4和Caspase-4的表达,从而减弱CSE诱导的细胞凋亡[24]。

2.5Sirt1在COPD自噬中的作用

自噬是指保守的细胞过程,其中细胞质内容物和细胞器被隔离在双膜自噬体内,随后在液泡或溶酶体中降解。诱导自噬的因素很多,包括ER应激、氧化应激、缺氧、感染等,其中CS诱导的氧化应激是人们最为关注的。体外研究[24]表明,CSE干预的支气管上皮细胞中,Sirt1的表达下降,而LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比率上调,表明细胞存在自噬现象,进一步敲除Sirt1或ORP150基因会显著增强CSE诱导的Beclin-1,LC3-Ⅱ,LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比率的蛋白质表达增加和支气管细胞中p62的减少,进而导致细胞自噬的增强,表明CSE诱导的细胞自噬经过Sirt1/ORP150途径进行调节。此外,自噬相关基因LC3为FOXO3的调控靶基因,研究中发现CS诱导的氧化应激条件下,Sirt1水平降低,并伴随着FOXO3乙酰化水平升高,从而导致支气管上皮细胞及小鼠肺中的自噬现象增强。聚ADP核糖聚合酶(PARP)-1是PARP家族中最丰富的核酶,使用NAD+作为底物催化聚合物PAR的形成,PARP-1被ROS诱导的DNA链断裂激活。在CSE诱导氧化应激,可使PARP-1活化导致NDA+缺失并随后降低Sirt1的活性,导致细胞发生自噬,由SIRT1-PARP-1轴介导的自噬可能是COPD发病机制[25]。

3、Sirt1激活剂在COPD中的应用

3.1白藜芦醇

白藜芦醇(3,5,40-三羟基-反式-二苯乙烯)是一种多酚植物抗毒素,存在于各种植物中,包括葡萄、浆果和花生。它被确定为Sirt1的第一个天然化学活化剂[9],并且实现了Sirt1大约8倍的激活。白藜芦醇已被证明具有抗炎和抗氧化作用。与健康对照组相比,COPD患者淋巴细胞中NF-κB,TNF-α和MMP-9表达上调的全身炎症增加,白藜芦醇治疗后降低[26]。这种全身炎症增加可能会影响肺部和肌肉。此外,肺中巨噬细胞数量的增加在COPD的病理生理学中起关键作用,并且这些巨噬细胞中上调的大多数炎性蛋白受NF-κB调节[27],而白藜芦醇可以通过对Sirt1表达的调控进一步对NF-κB进行调节,从而改善肺部炎症反应。白藜芦醇不仅通过其抗炎特性间接改善线粒体氧化能力,而且直接通过AMPK-SIRT1-PGC-1α轴改善线粒体氧化能力。白藜芦醇的这种有益作用可以影响COPD患者肺和肌肉中Sirt1和PGC-1α的表达水平,从而影响氧化应激[14,28]。临床前研究结果表明,吸入白藜芦醇可以提高肺线粒体功能[29]。此外,白藜芦醇的抗氧化特性也可能影响肺部和骨骼肌。在COPD患者中,在肺中观察到高水平的氧化应激,并且与炎症,气道重塑,自身免疫和皮质类固醇抗性增加相关。因此,减少氧化应激有利于减少COPD中的肺损伤[30,31]。白藜芦醇通过刺激Sirt1表达,促进p53去稳定化和降低Bax表达及维持PGC-1α激活的p-Akt的表达水平来支持AECⅡ存活,调节肺衰老[29]。白藜芦醇对CSE诱导的细胞凋亡具有保护作用,主要通过Sirt1/ORP150途径降低ER应激凋亡相关蛋白CHOP、ATF4和caspase-4的表达,从而减弱CSE诱导的细胞凋亡[32]。

白藜芦醇除了对肺和肌肉的有益作用之外,临床前研究表明其对心脏具有保护作用。Hu等[33]发现白藜芦醇可以通过减轻老年肺气肿患者心脏中Sirt1表达的下降,从而减轻心脏氧化损伤和左心室重构,这可能是COPD合并心脏损伤的治疗方法。

3.2Sirt1合成激活剂

已经开发出多种Sirt1激活剂,它们是白藜芦醇的类似物,这些激活剂通过降低底物Sirt1的Km来增加Sirt1活性,包括SRT1720,SRT1460,SRT2183,SRT2104,SRT2172和SRT2379。其中最有效的激活剂是SRT1720(EC1.5=0.16μmol/L,Sirt1的最大活化为781%),其在激活Sirt1方面比白藜芦醇有效800～1000倍。Yao等[18]的研究最近表明,SRT1720可以减轻氧化应激引起的细胞过早衰老,并保护小鼠免受香烟烟雾引起的肺气肿。在体内,SRT1720促进了FOXO3转录因子的去乙酰化,导致了细胞衰老和肺气肿。因此,Sirt1通过FOXO3介导的细胞衰老的减少来保护肺气肿,而不受炎症的影响。因此,开发特异性选择性药理学Sirt1激活剂对于理解Sirt1在细胞功能中的作用及Sirt1激活剂在肺部炎症相关疾病中的潜在临床应用至关重要。

4、展望

Sirt1是第Ⅲ类HDACs,在COPD的发病和加重过程中起着至关重要的作用,广泛参与COPD中炎症反应、氧化应激、细胞衰老、凋亡、自噬等过程。此外,通过药理学激活Sirt1在COPD的治疗中是重要的。因此,对Sirt1参与的致病机制的深入研究将为COPD机制和诊治提供新的方向,对Sirt1靶向治疗的药物在临床运用上具有广阔的前景。

韦燕琳,李梅华.沉默信息调节因子2相关酶1与慢性阻塞性肺疾病关系的研究进展[J].中国老年学杂志,2021,41(02):424-428.

基金:国家自然科学基金资助项目(81360012);广西自然科学基金资助项目(2016GXNSFAA380269)