神经退行性病变，是指以异常蛋白质沉积和神经细胞功能进行性丢失为特点的神经系统病变，主要包含了阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)、帕金森病(Parkinson's disease, PD)、亨廷顿病(Huntington's disease, HD)、肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)、多发性硬化症(multiple sclerosis, MS)[1]。随着人口老龄化，神经退行性疾病不仅降低了患者的生活质量，而且给家庭和社会带来了巨大的负担。神经退行性病变的病理原因错综复杂，分子机制不清楚，临床检测方法少，早期诊断难，治疗的特异性缺乏。因此，寻找有效的预防和治疗方法对探索神经退行性疾病的机制和潜在靶点至关重要。

Sirtuin 3(Sirt3)是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+)依赖的一种蛋白去乙酰化酶，其参与了细胞线粒体的代谢活动，如能量合成、三羧酸循环与氧化应激。Sirt3具有抗氧化应激、抗凋亡和维持代谢稳态的功能。在一般情形下，由小胶质细胞所产生的细胞活性氧(reactive oxygen species, ROS)可被抗氧化因子超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2,SOD2)所消除，以保持内部稳态。而过量的ROS积累可致氧化应激，产生大脑损伤。Sirt3能够通过将SOD2脱乙酰化而避免ROS积累，降低了神经元氧化应激，从而延长了神经细胞存活[2]。这意味着Sirt3可以通过提高受损后神经细胞的抗氧化功能而促使神经元修复。ROS的过量沉积会导致一系列级联反应，如Ca2+积累和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase)活化，而Sirt3可以通过调节小胶质细胞线粒体通透性转换孔的活性来降低Caspase的释放并抑制细胞凋亡[3]。由于人脑的能量供给大部份来源于葡萄糖分解产生的ATP,当线粒体损伤时，能量产生的降低很容易造成人脑认知能力损伤。Sirt3通过使ATP合酶的各种亚基脱乙酰化来为大脑提供能量，以维持日常活动[4]。总之，神经系统的代谢水平高，但能量储备低，所以神经系统疾病可以导致各种程度的线粒体功能障碍。Sirt3由于在机体能量代谢和氧化应激过程中的主要功能而引起了学者的普遍重视，并已被证明与多种神经退行性病变密切关联。本文将综述Sirt3与AD、PD、HD、ALS和MS之间关系的研究进展。

1、Sirt3与中枢神经系统(central nervous system, CNS)退行性疾病

1.1 Sirt家族和Sirt3

Sirt家族是高度保守的蛋白脱乙酰酶，在酵母、蠕虫、果蝇、小鼠以及人类的衰老过程中存在。Sirt家族在与许多其他调节衰老的途径相互作用中发挥着重要作用，如胰岛素叉头框蛋白O和雷帕霉素靶蛋白途径[5]。已鉴定出7种哺乳动物Sirt家族成员(Sirt1～Sirt7),在NAD+存在下具有多种酶功能，其中包括ADP核糖基化、脱乙酰基化、去甲基化、去琥珀酸化、去谷氨酸化、去甲酰化和去棕榈酰化。Sirt1、Sirt6和Sirt7一般位于细胞核，Sirt2则一般位于细胞质，Sirt3、Sirt4和Sirt5一般位于线粒体。Sirt3的分子结构由约275个氨基酸的一个高度保守催化核心和两侧的N和C末端延伸所构成，线粒体定位的Sirt3具有酶活性。Sirt3主要分布在体内代谢旺盛的区域，如大脑、心脏、肝脏和棕色脂肪组织。Sirt3是处于线粒体基质中的重要线粒体脱乙酰酶，在控制线粒体代谢进程和抗氧化应激中起到重要功能，涉及了三羧酸循环、氨基酸代谢、尿素循环、脂肪酸氧化、ROS解毒、线粒体电子传递链氧化磷酸化、线粒体动力学和线粒体未折叠蛋白反应等(图1)[6]。

1.2 CNS退行性疾病

CNS疾病主要表现为运动、感觉和意识功能障碍，包括脑血管疾病、退行性疾病、感染性疾病、肿瘤性疾病、脱髓鞘疾病等。其中，退行性疾病是指由CNS组织的慢性进行性退化引起的疾病的总称，常见的类型如AD、PD、HD、ALS和MS。神经退行性疾病主要发生在中年和晚年，并且随着年龄的增长而受到影响的风险会急剧增加。当脑部、脊髓以及周围神经系统中的神经元开始退化或功能损害后，就会可能出现神经退行性病变。由于神经元退化，患者起先可能会产生较为轻微的问题，比如在协调或记忆方面，但由于较多神经元受到影响后，症状会发展，最后部分患者可能失去行走以及独立生活的能力。如果找不到新的有效药物，预计未来神经退行性疾病将会给社会带来巨大的医疗费用、经济损失和社会负担。

图1 Sirt家族的细胞定位分布和Sirt3在线粒体代谢和氧化应激调节中的作用   下载原图

CNS退行性疾病目前还不能完全治愈，只能通过药物治疗来改善。寻找成功治疗神经退行性疾病的方法具有挑战性。因为人们对神经退行性疾病的病理生理学机制知之甚少，治疗药物的研发非常困难，治疗失败率很高。过去几十年来，科学家们一直专注于为这些疾病寻找新的治疗方法。在美国药品研究与制造企业协会发布的“2021 Medicines in Development—Neurodegenerative Diseases”中[7],详尽阐述了治疗神经退行性病变的260多种正在研制的药品，但所有这些药品目前均处于临床试验阶段，或等待美国食品药品监督管理局的审查。因此，需要对CNS退行性疾病的发病机制进行深入研究，以提高其临床诊断和治疗效果。

1.3 Sirt3在CNS退行性疾病中的作用

CNS代谢水平高，几乎没有能量储备，因此CNS的疾病不同程度地涉及线粒体功能障碍。随着近年来对Sirt3的日益关注，越来越多的研究结果证明Sirt3在CNS中具有独特的作用和潜力。

在神经损伤的众多原因中，氧化应激、能量代谢紊乱和细胞凋亡是损伤的细胞学基础。线粒体功能障碍是细胞死亡的根本原因，而Sirt3是一种在线粒体中发现的调节细胞能量代谢的脱乙酰酶，无疑是代谢适应各种生理威胁所必需的。线粒体Sirt3在通常情况下是类泛素化修饰的蛋白，其去乙酰酶的活性暂时受到抑制。然而在受到外部损伤因子的刺激后，Sirt3发生去类泛素化修饰，使线粒体中的蛋白质去乙酰化，从而产生特异性作用。这是Sirt3在细胞中发挥调节作用的分子基础。

2、Sirt3与AD

AD也被称为老年痴呆症，是主要出现在老年群体中的神经元退化病症，临床表现包括了认知功能障碍、进行性记忆障碍、语言障碍和人格改变等。AD的重要病变特点为淀粉样β蛋白(amyloid β-protein, Aβ)斑块和由tau蛋白组成的神经纤维缠结、突触丧失、神经细胞变性和脑萎缩，但具体的发病机制尚未阐明。Aβ在大脑中的沉积是公认的AD发病机制之一，其神经毒性作用在AD病程的进展中起主要作用。但是近年来，由于以清除Aβ为主导的临床Ⅲ期治疗新药研发的失败，深入揭示AD的分子机制和选择新的治疗路径已成为当前AD研究的热门话题。Aβ的细胞外沉积既可以造成体内突触功能紊乱和神经元死亡，也会造成一些病理变化，主要是小胶质细胞的活化、血脑屏障的破坏和微循环稳态的失调。神经元纤维缠结由机体内Tau蛋白(参与微管生成和稳定的相关蛋白)的过度磷酸化引发[8]。“斑块”和“缠结”在机体的氧化应激性损伤、能量代谢失调和钙稳态异常过程中起到了关键作用，增加了AD的发生危险性。研究发现，AD的发病牵涉多种因素造成的线粒体功能障碍，最后造成神经元变性、凋亡或坏死。而在神经元老化时期，由于线粒体功能失常，引发了突触功能紊乱和神经细胞变性。

Sirt3作为线粒体中主要的蛋白质乙酰化调控因子，在保护线粒体功能完整性等方面起到了重要功能。Sirt3在促进线粒体生物合成、改善线粒体动力学和降低ROS形成中都扮演着关键作用，使之在AD研究领域中日益受到重视。Sirt3也在ROS增加时补偿性增加，并可降低细胞中ROS的水平，从而在AD中发挥保护作用。研究结果表明，在原代神经元模型中加入Aβ1-40,神经元发生凋亡，而垂体腺苷酸环化酶激活肽(pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide, PACAP)能够降低神经元的死亡。这种保护效果可能与Sirt3表达的水平上调相关[9]。同时，在Sirt3被敲除后，PACAP介导的神经保护作用在原代培养神经元中消失[10]。在AD相关的治疗研究中，和厚朴酚(honokiol, HKL)显著改善了APP/PS1小鼠(AD小鼠模型)的认知障碍和突触损伤。另外，在用HKL处理的APP/PS1小鼠的海马中，活化的线粒体吞噬和线粒体未折叠蛋白反应以及抑制的氧化应激和改善的线粒体动力学紊乱得到了进一步验证[11]。姜黄素通过增加甲状腺激素受体β表达和Sirt3活性，改善淀粉样前体蛋白转基因(APPTG)小鼠的认知，缓解了Aβ42诱导的神经元代谢功能障碍[12]。这些研究显示，Sirt3的异常表达对AD产生了一定的神经保护效果。载脂蛋白E4(apolipoprotein E4,APOE4)是与AD发病有关的主要遗传因素，在APOE4转基因小鼠中观察到Aβ沉积和学习记忆受损[13]。与无APOE4人群相比，APOE4群体大脑额叶皮层中Sirt3的表达下调。APOE4利用调节过氧化物酶体增殖活化受体γ共激活因子1α-Sirt3(PGC-1α-SIRT3)信号通路降低ATP生成，进而引发线粒体氧化应激，继而损伤突触并导致认知损伤，而Sirt3的过度表达可以提升APOE4转基因小鼠的学习、记忆功能[14]。此外，研究表明，Sirt3在人类和小鼠AD病理中的表达增多或许是机体通过补偿增多的Sirt3水平来提升细胞的抗氧化能力，目前已在AD小鼠模型以及AD患者颞叶皮质样品中检测到Sirt3 mRNA水平的上调[15]。在WEIR等[16]的研究中，还发现Sirt3过表达后，能够通过提升抗氧化能力延长海马神经元的寿命。此外，早期的一项研究表明Sirt3水平可随着ROS合成的增加而增加[17]。

因此，Sirt3可能在AD的发病机制中发挥重要作用。随着全球人口老龄化的加深，以Sirt3介导的以上保护性机制为出发点，这为Sirt3作为AD治疗靶点奠定了基础。由此可以有效预防AD,提高生活质量，进一步减轻社会负担，并且Sirt3将成为治疗神经退行性疾病的潜在靶点。

3、Sirt3与PD

PD大多出现于65岁以上的人群中，直接影响着患者的生活质量，给患者和全社会带来了巨大的医疗困难和经济负担。因其发病机制尚不清楚，深入探讨其产生发展的分子机制，并找到有效的诊断治疗靶点尤为重要。静止性震颤、动作迟缓、僵硬以及姿势不稳均为PD的常见临床表现。主要的病变特点是错误折叠的α-突触核蛋白和其他蛋白质形成的路易小体以及黑质多巴胺能神经元的变性死亡。PD的产生也和黑质区多巴胺能神经元的退行性死亡有关，大量研究已证实，线粒体功能紊乱、氧化应激、泛素蛋白酶系统异常和α-突触核蛋白沉积可引起黑质多巴胺能神经元变性和死亡。此外，由于有丝分裂后的永久性细胞，神经元已无法利用细胞分裂处理新产生的病理蛋白，因此细胞自噬是清除病变因素和维持细胞自身平衡的唯一方法。

现有多项研究表明，Sirt3可以调节ROS并增加自噬水平，以维持神经元的稳态[18]。Sirt3的过表达和沉默相应地降低并加重了鱼藤酮所引起的SH-SY5Y细胞(PD模型细胞)死亡[19]。Sirt3敲除可加剧1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶诱发的小鼠黑质多巴胺能神经元死亡，因为Sirt3利用脱乙酰基SOD2和ATP合成酶β来降低氧化应激产物的累积，减缓了黑质多巴胺能神经元细胞死亡[20]。研究结果表明，Sirt3基因敲除小鼠出现了葡萄糖耐量不足等机体代谢功能障碍[21]。由于线粒体氧化应激和能量代谢紊乱在PD发病中的作用，还有PD易感基因PINK1在保持线粒体稳态中的关键角色，许多研究已经开始关注Sirt3与PD致病机制的关系。异常折叠和聚集的α-突触核蛋白激活氧化应激，损害线粒体，进而损害神经元。线粒体功能异常则在PD的发生机制中扮演了主要角色。在α-突触核蛋白基因突变的PD小鼠中，Sirt3稳定了线粒体能量代谢，进而起到了保护神经元的作用[22]。研究发现，在1-甲基-4苯基吡啶离子(1-methyl-4-phenylpyridinium, MPP+)诱发的PD小鼠模型中，Sirt3的增加减少了氧化应激，对神经元具有保护作用[23]。另外，褪黑素由于上调Sirt3水平而缓解了PD多巴胺能神经元的损伤，其机制与抑制小胶质细胞活化、降低氧化应激和炎症损害密切相关。苦茶碱(一种嘌呤生物碱)通过活化线粒体Sirt3抑制ROS产生，并最后抑制多巴胺能神经元凋亡[24]。目前，一些药物研究也发现了Sirt3与PD之间的关系。柴胡皂苷d对MPP+诱导的SH-SY5Y细胞的神经保护作用可能与上调Sirt3表达水平有关[25]。姜黄素能减少SH-SY5Y细胞的ROS水平，上调Sirt3的表达水平[26]。罗汉果皂苷V通过上调Sirt3来减轻线粒体功能障碍，对神经元损伤起保护作用[27]。化合物IC87201或ZL006通过抑制突触后致密蛋白-95与神经元型一氧化氮合酶的相互作用来活化Sirt3的表达，从而减轻神经元毒性[28]。

上述结果说明，Sirt3与PD的发生存在着一定联系，其可以成为对PD干预的新靶点，但关于Sirt3在PD发展中具体影响的分子机制的探究还不够。因此，进一步研究Sirt3在PD中的保护机制具有重要意义。

4、Sirt3与HD

HD是一种罕见的常染色体显性遗传性神经退行性疾病，以慢性进行性舞蹈样运动、认知功能障碍和精神异常为特征。HD是由亨廷顿蛋白基因外显子1的CAG重复扩增引发的，该扩增被转化为HTT中的多聚谷氨酰胺片段[29]。HD的重要病变特征为基底节区大量纹状体传出棘神经元的丢失，从而导致多巴胺、谷氨酸和γ-氨基丁酸的传递异常。HD患者通常出现在30～40岁之间，其特征是非自愿舞蹈性运动、认知障碍和精神病。病程持续10～20年，最终导致死亡。到目前为止，尚缺乏特效药能够抑制HD的疾病发展，其原因是疾病的病理机制目前还不明确。研究发现，早期HD患者虽然摄入了足够的热量，体质量依然减轻，患者在发生运动障碍之前纹状体摄取和消耗葡萄糖水平下降。另外，HD患者基底节和皮质线粒体中丙酮酸的利用能力也存在一定的缺陷，HD患者细胞中磷酸与无机磷的比例在运动后下降，说明HD患者线粒体生成ATP的能力下降。除了在HD人群中检测到的这些代谢变化外，各种类型的HD动物模型还显示出体质量减少、脑部葡萄糖消耗改变和脑部能量失衡。这些发现表明HD患者出现代谢紊乱，这可能由线粒体功能障碍引起。

在Sirt家族中，Sirt3已被证明可以调节线粒体功能。动物和人类研究发现，Sirt3水平和/或活性增加是对高水平氧化损伤的反应。NAIA等[30]发现，在线粒体定向抗氧化治疗后，Sirt3水平正常化。白藜芦醇通过改变线粒体复合体亚基的表达，改善线粒体功能障碍并延缓HD相关的运动症状。白藜芦醇二聚体介导Sirt3依赖性腺苷酸活化蛋白激酶活化，补充HD纹状体细胞的NAD+水平并提高细胞存活率[31]。另外，在研究3-硝基丙酸诱导的HD小鼠模型时，Sirt3敲除小鼠比野生型小鼠更易受3-硝基丙酸的毒性影响，表明Sirt3有希望成为治疗HD的关键靶点。

因此，Sirt3与线粒体功能和能量代谢密切相关，可能为HD治疗提供新的生物靶点。然而，明确Sirt3的功能仍需要更深入的研究和探索。由于Sirt3表达失衡，Sirt3的研究将为HD的治疗提供新的思路。

5、Sirt3与ALS

ALS主要是脊髓前角运动神经元损伤的进展性病变，大多数患者在病情发展后3～5年死于瘫痪或呼吸衰竭，存活期短。ALS的主要病理变化是脑干、脊髓和运动皮层中运动神经元的显著缺失。ALS的发生机制尚不清楚，目前公认的ALS发生机制包含CNS蛋白质稳态失衡、朊病毒样增殖和异常蛋白质扩散、线粒体功能障碍、谷氨酸介导的兴奋性毒性、神经元物质运输障碍、RNA代谢障碍和神经元非正常凋亡。遗传学相关课题的进展为揭示ALS的发生机制提供了新思路。目前，已报道了30多个基因与ALS有关。其中，9号染色体开放阅读框72基因、超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1,SOD1)基因、TAR-DNA结合蛋白基因和肉瘤融合基因与ALS最密切[32]。SOD1基因突变可导致遗传性神经变性疾病ALS[33]。

突变的SOD1导致线粒体缩短和圆形、碎片化线粒体增加，从而影响运输，最终导致脊髓运动神经元死亡。最近的研究表明，Sirt3可以在一定水平上恢复SOD1突变引起的神经元线粒体破坏和运输功能障碍，以减轻神经元死亡，从而维持SOD1突变细胞中的线粒体功能，并保护小鼠免受噪声诱导的听力缺损[34]。除了神经元之外，星形胶质细胞在ALS中也发挥着作用。在SOD1突变的小鼠中，原代星形胶质细胞与运动神经元的共培养引起了运动神经元死亡[35]。而在SOD1突变星形胶质细胞中过度表达Sirt3,那么其对运动神经元的毒性降低，说明了Sirt3可以显著抑制由SOD1突变型星形胶质细胞所引起的运动神经元损害，从而对ALS的诊疗提供了全新的思考。在退行性疾病中的慢性神经元死亡过程中，凋亡或许是引起神经元中轴突和胞体进行性丢失的主要机制，NAD+和多酚类物质能够通过活化Sirt3来防止轴突凋亡。

ALS没有有效的治疗方法，目前的治疗基于延缓疾病进展和改善患者的生活质量。随着对Sirt3机制研究的深入，大量研究证明Sirt3与ALS密切相关。虽然具体关系尚无法确定，但它也为开发Sirt3靶向制剂治疗ALS患者提供了新的方向。

6、Sirt3与MS

神经退行性疾病主要是由于脑部以及脊髓中的神经元及其髓鞘的丢失所引起的，随着时间的进展，神经元恶化最后导致功能失调。典型的退行性疾病还包括MS。MS是一种基于CNS脱髓鞘损伤的由自身免疫介导的慢性炎症性病变，有交替复发缓解和神经元髓鞘进行性丢失的病变特点。轴突髓鞘的损伤中断了神经冲动的传送，引起了疲劳、共济失调、瘫痪和认知障碍等症状，主要表现为白质内的多个脱髓鞘斑块。MS的临床特征是运动、视力、疼痛和认知等功能损伤，高复发率和残疾率严重影响患者的生活质量。全世界有200多万人受该病影响，每10万人中有50～300人患有MS。大多数患者在年轻时即可有MS表现，老年患者往往呈进行性加重。在Sirt1～Sirt7中，Sirt3被认为与形成小鼠脑神经元的髓鞘有关。这些初步发现表明，Sirt3可能成为治疗线粒体相关疾病(包括MS)的新靶点。另外，鞣花酸可通过线粒体保护、氧化应激预防和Sirt3过表达，保护肌肉组织免受双环己酮草酰二腙诱发的脱髓鞘[36]。

MS是一种慢性炎症性和CNS退行性疾病，与全身免疫紊乱相关，其病因尚不清楚。目前关于MS和Sirt3的研究较少。未来，对MS的进一步研究将有助于探讨Sirt3在MS中的功能作用，这也将有利于学者们更好地认识Sirt3与MS之间的关联，并找到新的生物标志物，为临床研究与治疗指明新的发展方向。

7、结束语

自发现以来，Sirt家族一直受到学术界的广泛关注和重视，对Sirt家族的理解没有简单停留在“NAD+依赖性脱乙酰酶”,学者们更加关注这个特定家族中每种酶的分子结构、细胞和组织中的分布、在生物过程中的作用及其分子机制。过去，大多数关于Sirt家族的研究都集中在Sirt1上。近年来，大量研究表明，Sirt3在退行性疾病中表现出独特的优势以及潜力。更多的研究成果已经证实，由于对能量代谢和氧化应激的有效调控，Sirt3在神经系统病变中具有独特的功效，为退行性疾病提供了全新的诊疗思路。虽然Sirt3与退行性病变之间的关联已经取得了相当的研究成果，但仍有大量有争论的问题亟待解决。

第一，需要更多的研究来深入阐述Sirt3在这些退行性疾病中发挥作用的机制，为Sirt3作为治疗相应疾病的靶点提供更全面的证据。第二，在此基础上，找到安全可靠的Sirt3激动剂，可以有助于进一步了解Sirt3在退行性疾病中的保护作用，这也将成为未来科学研究的主要目标。第三，为了将Sirt3应用于临床，成为临床干预的目标并发挥其最大价值，有必要强调动物模型在研究Sirt3的分子机制和生物学作用中的重要性。第四，动物模型还需要进一步研究调控Sirt3可能产生的负面影响。

综上所述，通过目前的研究进展，已有理由认为，对Sirt3神经保护机制的不断深化研究，将为防治神经退行性疾病带来崭新的技术手段，而Sirt3也有望为相关神经系统病变的诊疗提供新的希望。

参考文献:

[25]杨军,张贵斌,陈冬娟.柴胡皂甙-D通过调节SIRT3对MPP+诱导的SH-SY5Y细胞模型的神经保护作用[J].湖北医药学院学报,2018,37(1):29-34.

[26]马振凯,李梦楠,白宏英.姜黄素对PD模型细胞活性氧簇水平及沉默信息调控因子3表达的影响[J].山东医药,2017,57(40):50-52.

基金资助:国家自然科学基金(82171458,82171363);

文章来源:张昊阜子,岳康异,邹鹏,等.Sirtuin 3在中枢神经系统退行性疾病中的研究进展[J].空军军医大学学报,2024,45(04):455-460.