Sirtuins家族和線粒體未折疊蛋白反應在疾病中的研究進展

徐?，|,張 涓,申亮亮 綜述 吳元明,張 靜 審校

線粒體在氧化應激時,會產生大量的活性氧(reactive oxygen species,ROS),而過量的ROS誘導DNA、脂質和蛋白質的氧化損傷,導致它們在線粒體中錯誤折疊和聚集。當線粒體中錯誤折疊和聚集的蛋白質累積較多時,細胞就會發生線粒體未折疊蛋白反應(mitochondrial unfolded protein response,UPRmt),該反應可以通過提高線粒體伴侶蛋白和蛋白酶水平來降低蛋白毒性應激進而重建細胞器的蛋白穩態。沉默信息調節因子(Sirtuins)發揮著去乙?；傅淖饔?近年來對其的研究主要聚焦于在衰老中的作用。同時Sirtuins家族也在UPRmt中扮演著關鍵的角色。因此,加深對UPRmt和Sirtuins家族在人類疾病(包括神經退行性疾病、腫瘤和一些其他疾病)中的認識,可有助于對人類疾病的診斷和認識。本文對UPRmt和Sirtuins家族與人類疾病關系的研究進展進行綜述。

1 Sirtuins家族

Sirtuins家族是一組NAD+依賴的去乙?；?其去乙?；δ苷{控著多種重要的細胞過程,包括DNA損傷修復、凋亡、自噬、細胞衰老、炎癥、細胞代謝、抗氧化防御和線粒體穩態等[1]。到目前為止,已經發現并鑒定出7種哺乳動物Sirtuins成員(SIRT1-7),其在組織特異性、亞細胞定位、酶活性和靶標方面的功能各不相同[1]。

最具特征的哺乳動物Sirtuins是SIRT1,主要定位于細胞核中,通過對過氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α(proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α,PGC-1α)和叉頭框蛋白O (forkhead box class O proteins,FoXOs) 的靶點去乙?；瘉碚{控線粒體功能[2]。SIRT1在DNA損傷修復、端粒維持、ROS介導的細胞凋亡、細胞衰老、細胞代謝和炎癥中發揮著重要作用。SIRT1可以通過激活UPRmt導致線粒體中蛋白質折疊負荷增加,誘導有絲分裂的核蛋白失衡。SIRT2主要定位于細胞質中,細胞質中的SIRT2可以通過細胞質蛋白(微管蛋白-α)的去乙?；瘉砭S持細胞結構[3]。SIRT2還可以使FOXO3a去乙?；瘉泶龠M超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2,SOD2)在氧化應激下的表達[4]。SIRT3存在于線粒體中,主要參與調節線粒體質量、腺苷三磷酸(adenosine 5′-triphosphate,ATP)的產生和線粒體自噬以及抗氧化損傷等。SIRT3可以通過三羧酸循環和電子傳遞鏈中一些組分的去乙?；瘉砜刂坪驼{節氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)[5]。SIRT4在線粒體中通過線粒體蛋白的翻譯后修飾調節細胞代謝。SIRT4具有酰胺酶的活性,其代謝靶點是丙酮酸脫氫酶復合體,可以阻止丙酮酸進入三羧酸循環[6]。所以,SIRT4也是控制細胞代謝的一個重要分子。SITR5具有較強的去乙?；?、去戊二?；负腿ョ牾；富钚?。SIRT5可以通過去琥珀?；蛉ノ於；龠M還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸生成酶和葡萄糖-6-磷酸1-脫氫酶的活性,在抗氧化防御中發揮重要作用[7]。SIRT6是主要通過染色質重塑調節細胞過程的核蛋白,并且具有較少的非組蛋白靶標。SIRT6通過使組蛋白H3賴氨酸9去乙?；诙肆＞S持中起到關鍵作用,防止端粒DNA損傷和細胞衰老[8]。SIRT7是首先在核仁中發現的核蛋白,其在DNA損傷修復中發揮重要作用,SIRT7以聚ADP-核糖聚合酶1[poly(ADP-ribose) polymerase 1,PARP1]依賴性方式募集到DNA中的雙鏈斷裂位點,通過組蛋白去乙?；蛉ョ牾；龠M染色質縮合和DNA修復[9]。

2 UPRmt

線粒體功能障礙主要源于線粒體應激。線粒體應激反應是線粒體為維持穩態并保護細胞免受應激性損傷的反應,包括UPRmt、抗氧化防御、線粒體分裂和融合以及線粒體自噬[10]。UPRmt是線粒體中對抗蛋白質毒性應激的蛋白質質量控制途徑,可以感知線粒體基質內錯誤折疊的蛋白質,啟動由核DNA編碼的應激蛋白如熱休克蛋白60(heat shock protein 60,HSP60)、和酪蛋白水解蛋白酶P(caseinolytic protease,ClpP)的上調,從而增加蛋白質在線粒體中的折疊能力,最終維持線粒體蛋白的穩態和功能[11]。當線粒體內錯誤折疊和聚集的蛋白質累積較多時,UPRmt作為新發現的細胞內應激機制,可以影響衰老、神經退行性疾病、癌癥等疾病的發生發展。

隨著研究的深入,UPRmt在秀麗隱桿線蟲(C.elegans)中的作用機制已經被明確,UPRmt途徑共有三個軸。首先是UPRmt激活增強子結合蛋白同源蛋白(C/BEBP homologous protein,CHOP)/激活轉錄因子5(activating transcription factor 5,ATF5)/活化轉錄因子 4(activating transcription factor 4,ATF4)軸,該軸通過誘導伴侶素和蛋白酶來增加線粒體內部折疊的能力和降解功能從而緩解線粒體蛋白的毒性應激反應[12]。其次是雌激素受體α(estrogen receptor,ERα)軸,該軸通過蛋白激酶B和ROS依賴的ERα磷酸化作用,誘導核呼吸因子-1(nuclear respiratory factor-1,NRF1)的表達,從而促進線粒體的生物合成[13]。第三軸中包含三個重要的線粒體分子,即SIRT3、FOXO3a和SOD2。SIRT3會導致FOXO3a去乙?；⒅匦露ㄎ坏郊毎?并激活SOD2和過氧化氫酶參與抗氧化反應[14]。

Mouchiroud et al[15]在對C.elegans的研究中發現,NAD+水平升高和SIRT2 蛋白家族在C.elegans中的同源蛋白sir-2.1過表達均增加了熱休克蛋白(heat shock protein,Hsp)6的基因表達。Gariani et al[16]對原代肝細胞的研究表明,SIRT1或SIRT3的缺失均可下調Hsp10、Hsp60和CLpP的表達,而這些改變可以通過補充NAD+而升高。綜上,在UPRmt中,NAD+扮演著重要的角色,而NAD+又進一步影響著 Sirtuins的表達。因此,深入探討Sirtuins與UPRmt的作用機制對闡明衰老和線粒體相關疾病的發病機制具有重要意義。

3 Sirtuins 和UPRmt在疾病中研究

3.1 Sirtuins和UPRmt與衰老的關系衰老在機體的整個生命周期中是一個及其復雜的過程。Sirtuins是最早在釀酒酵母中被發現的可延長壽命的基因,額外的Sirtuins等位基因可以增加酵母30%的壽命,而Sirtuins的消融會降低酵母的壽命[17]。這些研究為Sirtuins在長壽和衰老生物學中的作用奠定了基礎。

衰老是細胞損傷的慢性積累,但導致衰老的主要機制尚不明確。成體干細胞作為儲備細胞,在支持正常的組織更新和急性損傷后的再生反應中起到重要作用。研究[18]表明,造血干細胞 (hematopoietic stem cells,HSCs)的退化是導致衰老的主要原因。在HSCs中,Mohrin et al[18]發現UPRmt可介導造血干細胞的老化,并證明了UPRmt的另一調控分支是由SIRT7和NRF1相互作用所介導的。Mouchiroud et al[15]在對衰老進行研究時,發現NAD+水平在C.elegans中降低,而NAD+水平的降低進一步導致C.elegans壽命的縮短,相反,NAD+水平的恢復可以防止與衰老相關的代謝下降,并進一步延長C.elegans的壽命,這些作用依賴于蛋白質的去乙?；窼IRT1、SIRT2,并通過UPRmt和FOXO轉錄因子DAF-16的核易位和激活,誘導核蛋白失衡,激活應激信號。有研究[19]發現,老年小鼠中NAD+的水平較低,這與SIRT1的底物過化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α的過度乙?；嚓P,使用PARP抑制劑喂養C.elegans可以使其壽命延長,且壽命延長與OXPHOS和ATP水平增加有關。綜上,通過調節NAD+水平進而改變Sirtuins的活性能夠預防和治療年齡相關衰老。

3.2 Sirtuins和UPRmt與腫瘤的關系正常細胞主要利用OXPHOS產生能量。然而癌細胞的快速生長和分裂則通過調整能量代謝來滿足能量需求。為使癌細胞能適應惡劣的生存環境,癌基因、腫瘤抑制基因和腫瘤微環境的改變,都會導致癌細胞的代謝從OXPHOS向糖酵解發生轉變。但并非所有的癌細胞都依賴糖酵解產生能量,有些癌細胞也依賴OXPHOS產生能量[20]。

Vellinga et al[21]對結腸癌肝轉移的術前接受或不接受化療治療的患者進行轉錄組學分析,發現了一種新的耐藥機制,這個機制涉及能量代謝的變化,結果顯示OXPHOS中的線粒體生物合成和電子傳遞鏈(electron transport chain,ETC)復合物是化療治療腫瘤中上調最多的途徑,這一發現提示化療誘導了癌細胞代謝的改變。此外,敲低SIRT1或PGC1α可阻止化療誘導的OXPHOS的改變,并顯著提高患者對化療的敏感性。提示結直腸癌化療誘導了SIRT1/PGC1α依賴的OXPHOS增加,在治療期間促進腫瘤生存。

SIRT3可以協調抗氧化機制和線粒體自噬兩種途徑,而這兩種途徑在克服蛋白質毒性應激和重建癌細胞內穩態中發揮重要作用。Papa et al[22]發現,SIRT3的這兩種途徑是獨立于CHOP或ERα的。SIRT3的表達由線粒體蛋白毒性應激誘導,從而激活抗氧化機制和線粒體自噬。Ahmed et al[23]在對來自巴基斯坦的500例頭頸癌患者和500例健康對照者UPRmt通路的多態性進行研究時發現,UPRmt途徑的SIRT3/FOXO3a/SOD2軸基因的單核苷酸多態性與頭頸癌風險增加有關,在線粒體蛋白毒性應激下,FOXO3a在細胞核中積累并被去乙?；?。為明確SIRT3在其中的意義,Wang et al[24]研究發現通過shRNA抑制SIRT3后,FOXO3a的核易位被消除。綜上所述,對于UPRmt的全面了解能為腫瘤的診斷和治療提供新的思路。

3.3 Sirtuins和UPRmt與代謝性疾病的關系代謝性疾病主要是指機體的物質代謝或能量代謝異常,通常表現為全身多系統異常。在飲食誘導的脂肪性肝炎的研究中發現,miR-29a通過抑制糖原合成酶激酶-3β進而抑制SIRT1介導的線粒體生物發生,從而緩解脂肪性肝炎中的線粒體應激和UPRmt,為肝臟保護提供了新的見解[25]。

Zhao et al[26]發現,鄰苯二甲酸二酯[Di (2-ethylhexyl) phthalate,DEHP]引起的肝毒性表現為肝臟脂肪變性和纖維化,線粒體超微結構的損傷表現為線粒體膜電位下降、線粒體體積密度下降等,進一步導致了PTEN 誘導假定激酶 1(PTEN-induced putative kinase 1,PINK1)/E3 泛素連接酶 Parkin(E3 ubiquitin protein ligase,Parkin)介導的線粒體自噬,進一步,Pink1和Parkin與熱休克轉錄因子1激活的熱休克蛋白相互作用,激活UPRmt通路,從而使線粒體質量控制穩態失衡。此外,還發現番茄紅素可以通過調節SIRT1/PINK1/線粒體自噬軸和UPRmt減輕DEHP誘導的肝臟線粒體功能障礙[26]。

線粒體自噬與UPRmt對線粒體功能障礙具有保護作用,此外,線粒體功能障礙與阿爾茲海默病(Alzheimer′s disease,AD)的發病相關。Pillai et al[27]發現厚樸酚(magnolol,HKL)可以改善AD模型小鼠的認知障礙、β淀粉樣蛋白積累和突觸損傷,并且HKL治療能夠促進線粒體自噬和UPRmt,同時減輕線粒體功能障礙。HKL已被公認為是多種疾病中SIRT3的激活因子,如心肌肥厚癥。而SIRT3活性與NAD+/NADH比值呈正相關,因此,HKL可能通過介導NAD+/NADH比值調控SIRT3的表達和活性[28]。并且,HKL上調了AD模型小鼠中CHOP、Hsp60、Hsp10、ClpP的表達,而SIRT3的缺失則降低了這些變化,同時,SIRT3的缺失也降低了細胞AD模型中CHOP和Hsp60的表達水平,提示線粒體自噬和UPRmt之間可能存在潛在關系[28]。

SIRT3通過線粒體蛋白去乙?；瘡亩鴧⑴c腦缺血/再灌注損傷,但UPRmt有利于線粒體在各種應激條件下維持蛋白質穩態[29]。Xie et al[29]發現,在腦缺血異常后,大腦中SIRT3豐度受到抑制,體內過表達SIRT3可抑制腦缺血/再灌注損傷后的梗死面積,減輕神經炎癥反應。SIRT3過表達通過減少線粒體ROS合成、維持線粒體膜電位和改善線粒體ATP合成來恢復神經活力,并且這一過程是通過觸發FOXO3/鞘氨酸激酶1(sphingosine kinase-1,SPHK1)通路的UPRmt來保護神經元線粒體免受腦缺血后功能障礙。綜上,UPRmt的激活有助于保護神經活力和線粒體穩態,且SIRT3/FOXO3/SPHK1通路是促進缺血性卒中治療的候選途徑。

線粒體疾病是由編碼線粒體結構或功能蛋白的核DNA (nDNA)和線粒體DNA (mtDNA)基因突變引起的遺傳疾病。研究[30]顯示,CoC3(由紫檀苯乙烯、煙酷胺、核黃素、疏胺素、生物素、疏辛酸和 1-肉堿組成的線粒體雞尾酒組合)增加Sirtuins的活性和激活UPRmt,并在線粒體疾病的細胞模型中,CoC3聯合線粒體輔助因子治療可以激活SIRT3和UPRmt,提高Sirtuins水平和線粒體活性,從而改善線粒體穩態,減輕線粒體突變的負面影響。

4 小結與展望

UPRmt與衰老、腫瘤以及多種代謝性疾病有關,Sirtuins具有調節表觀遺傳和翻譯后修飾的能力,可以調節線粒體應激反應,是線粒體應激反應不可或缺的調節劑。因此,隨著Sirtuins的相關抑制劑以及激動劑的出現,有望通過改善UPRmt和線粒體應激,來改變衰老、腫瘤以及一些代謝性疾病的進展。然而,目前的研究僅限于干預Sirtuins后對UPRmt的影響,其潛在的分子機制仍有待于進一步研究。