Sirtuins与神经系统退行性疾病

刘鹏罗丽丽张伦忠贾玉勤

【摘要】神经系统退行性疾病是与老化相关的疾病，目前仍是治疗的难题。Sirtuins是NAD+依赖的组蛋白去乙酰化酶，研究发现它们有神经保护的功能，这给今后治疗神经系统退行性疾病提供了新的希望。本文通过总结相关实验证据，阐述了Sirtuins及其激活剂、抑制剂对各神经系统退行性疾病发挥神经保护作用的机制。

【关键词】沉默信息调节因子；神经系统退行性疾病；神经保护；白藜芦醇

Sirtuinsandneurodegenerativediseases

【Abstract】Neurodegenerativediseasesarerelatedageingdiseases,andsitllhardtocureatpresent;Sirtuinsarenicotinamideadeninedinucleotide(NAD)-dependentclassIIIhistonedeacetylases(HDACs),andhadinvestigatedthatcanprotectnervecells.Thefoundgaveanewhopetocureneurodegenerativediseases.Authorsummarizedrelatedexperimentalevidencestoexplaintheprotectmachanismofsirtuinsinneurodegenerativediseases.

【Keywords】sirtuins;neurodegenerativediseases;neuroprotection;resveratrol

引言

神经系统退行性疾病（neurodegenerativediseases，NDD）是一组严重影响人们生活质量和致残的慢性进行性中枢神经组织退行性变性疾病，随人口老龄化的不断进展患病率日益增高，本组疾病的病因学和发病机制尚未完全阐明，目前相关预防和治疗此类疾病的药物均不能达到较理想的效果。近年来的研究发现沉默信息调控因子类（silentinformationregulator，Sirtuins）与此类疾病的发生与进展密切相关[1]，它的激活或抑制可能对NDD的预防和治疗起到重要作用[2]。此发现给NDD今后的预防和治疗指引了新的方向。

Sirtuins分类及其催化活性的基础

Sirtuins是NAD+依赖的组蛋白去乙酰化酶Ⅲ（Histonedeacetylases,HDACⅢ），顾名思义它们依赖NAD+，通过去乙酰化的催化活性发挥作用。

组蛋白去乙酰化酶类（Histonedeacetylases,HDACs）根据它们与酵母菌转录抑制物的同源性被划分为三类（Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类）。Ⅰ类和Ⅱ类的催化核心是明显类似的，与酵母菌去乙酰化酶Rpd3p和Hda1p同源[3,4]。而HDACsⅢ与Ⅰ类和Ⅱ类没有序列相似性，它和酵母菌转录抑制剂——沉默信息调节因子（Silentinformationregulator2,Sir2）同源，我们把这类沉默信息调节因子称为Sirtuins[5]。Sirtuins广泛存在于原核生物和真核生物中[6,7]。这类蛋白家族有高度的序列相似性，它们根据系统进化分析法被划分为五类（Ⅰ-Ⅳ和U）[7]。人类基因编码七个Sirtuins（Sirt1-Sirt7），类别上跨越Ⅰ-Ⅳ类。其中Sirt1属于Ia类,Sirt2和Sirt3属于Ib类，Sirt4属于II类，Sirt5属于III类，Sirt6和Sirt7分别属于IVa和IVb类[7]。Sirt1,Sirt6,Sirt7是核蛋白，Sirt3,Sirt4,Sirt5主要存在于线粒体中[8]。

Sirtuins是具有NAD+依赖的去乙酰化酶和少量ADP核糖基转移酶活性的保守蛋白[7]。依据其催化核心内部的底物结合位点的结构它们的靶点有多样性和专一性[9,10]。这个催化核心由NAD+结合域和小亚结构域组成，NAD+结合域由Rossmann折叠构成，小亚结构域由一个螺旋构件和一个锌结合(zinc-binding)构件组成，锌结合构件的功能还不清楚。HDACⅠ类和Ⅱ类不需要NAD+，其中锌是辅因子[11]，而Sirtuins的催化机制是使赖氨酸乙酰化，NAD+作为辅因子。催化反应的产物是去乙酰化蛋白，NADPH，2'-O-乙酰基-ADP核糖(2'-O-acetyl-ADP-ribose，2'-OAADPr)。2'-OAADPr可能作为一些SirtuinsADP核糖基转移酶活性的底物[12,13]。

阿尔茨海默病

阿尔茨海默病（alzheimerdisease，AD）是慢性进行性中枢神经系统变性导致的疾病，是最常见的老年期痴呆。它以记忆障碍、认知功能障碍、人格改变及语言障碍等神经精神症状为突出表现[14,15]。老年斑和神经纤维缠结是比较公认的病理特点。目前其分子机制仍不完全清楚，但淀粉样蛋白前体（APP）和微管相关蛋白tau（MAPT）是大家比较公认的致病原因。APP来源的毒性肽和高度磷酸化的tau蛋白形式被发现在AD相关的老年斑和神经纤维缠结中[16,17]。研究显示神经纤维缠结发生归因于膜结合的连续的APP的清除过程，而这种清除是通过分别产生Aβ肽1-40和1-42的β和γ分泌酶来完成的[18]。值得注意的是如果APP蛋白酶解是由α分泌酶完成的，则对AD动物模型起保护性影响[19,20]。因此抑制β和γ分泌酶，激活α分泌酶可以成为治疗AD的一条途径[21]。SIRT1可参与APP进程通过激活α分泌酶基因ADAM10的表达[22]。SIRT1使视黄酸受体β（RARβ）去乙酰化也可以增加ADAM10基因的转录，这种基因与抑制细胞内Aβ肽的产生相关。ADAM10也与Notch信号相关，它可维持活化的Notch受体，其余的膜结合域可经受更多的γ分泌酶蛋白酶解至Notch胞内域（NICD）。NICD的释放启动Notch信号和转录，这与神经元生长和修复有关[21,23]。NF-kB信号通路与Aβ诱导的神经元死亡密切相关，Aβ激活小胶质细胞可提高赖氨酸310Rel/p65的乙酰化，Rel/p65是调节NF-kB通路的。SIRT1的过表达和SIRT1的激动药白藜芦醇（resveratrol,Res）显著降低Aβ刺激的NF-kB信号继而发挥强力的神经保护影响。SIRT1通过抑制NF-kB信号，可以减低小胶质细胞依赖的Aβ毒性。也就是说SIRT1及其激活剂可通过此途径利于AD的治疗[24]。另外有实验表明SIRT1阻止Aβ形成一部分是通过抑制ROCK1表达的方式来提升APP的非淀粉样形成进程的[25]。SIRT1还有可能通过抑制P53或FOXO活性来阻止AD神经元的死亡。研究发现细胞内Aβ42可刺激肿瘤抑制基因和转录因子P53的表达进而导致AD神经元的凋亡[26]。SIRT1定居在与AD相关的神经细胞核内可能通过去乙酰化和抑制P53的活性来阻止神经元的凋亡。SIRT1或许通过去乙酰化和抑制FOXO蛋白活性来提高神经元的存活[27]。FOXO和P53的功能相似，在运动神经元FOXO3a通过Fas路径诱导神经元死亡[28]。FOXO蛋白也可以诱导bim基因的表达进而导致交感神经元的凋亡[29]。Carl等的研究表明了SIRT1下降、AD症状的持续和tau蛋白聚集之间的关系，SIRT1缺失与AD神经退行性变相关，SIRT1可以减少AD病人tau蛋白的聚集[30]。

P25转基因鼠是一种AD动物模型，它过表达P25蛋白、tau过磷酸化和神经系统退行性变[31]，研究表明Res摄入后与对照组相比海马退行性变减少，认知障碍减低，SIRT1底物PGC1α和P53的乙酰化减低[32]。

在Sirtuins与AD的关系中SIRT1是研究比较多的一个，SIRT2-7与AD的关系目前研究较少。在SIRT2基因敲除鼠的研究中发现SIRT2使α微管赖氨酸40去乙酰化并且定居在细胞质微管网络中[33]。我们都知道乙酰化可以提高微管的稳定性，SIRT2或许通过调节其他的细胞支架蛋白来维持细胞骨架的稳定性，这些蛋白参与轴索运输或是在与AD症状相关神经元上有表达[31]。

帕金森氏病

帕金森氏病（Parkinsondisease，PD）以黑质多巴胺神经元缺失、包含α-突触核蛋白（α-synuclein,α-Syn）的路易斯小体的生成为特征。目前的治疗主要是以补充左旋多巴促进多巴胺能信号系统的恢复为主，但是这种治疗常常会碰到治疗效果的下降甚至反方向的不利影响。SIRT2与神经系统退行性疾病方面的角色尚未得到确定，但最近Outeiro等人的研究使SIRT2与PD联系起来，抑制SIRT2可能是治疗PD的另一个独立的方向。Outeiro等人证明了B2、AGK2、AK-1等为SIRT2的抑制剂。并且提议这种抑制作用是通过竞争烟酰胺连接NAD+的位点达到的。但是并没有直接的生化证据表明这些抑制剂与NAD+的连接位点，仍需做相关生化试验提供这些小分子抑制作用的直接证据。在细胞水平上，Outeiro显示用α-Syn转染的人类神经胶质瘤细胞（H4）如果被AGK2处理或SIRT2siRNA敲除后可以以剂量依赖的方式避免α-Syn介导的毒性。这些实验说明SIRT2可能是AGK类小分子的体内靶点，但是并没有说明具体路径。Outeiro等也评估了AGK2和AK-1对PD的果蝇模型的影响，他们发现这些复合物处理后可以对背内侧神经元有一种剂量依赖式的挽救，但是这并不能排除其它Sirtuins同源物的干扰和α-微管蛋白乙酰化情况的影响[34]。

SIRT2使α-微管蛋白去乙酰化参与细胞循环的调节。升高的α微管蛋白乙酰化与微管平衡相关，并且α-Syn据报道与α微管蛋白、微管结合蛋白类MABP1和tau反应。抑制SIRT2可以引起乙酰化α微管蛋白增多，然后通过α-Syn与微管的亲和力刺激α-Syn的聚集。把错误折叠的蛋白聚合进大的包涵体或许可能减低毒性作用，亚微管α-Syn的聚合因此可以拯救蛋白酶体功能障碍。以上可能是抑制SIRT2对PD起到神经保护作用的机制之一[35]。

与SIRT2相比，SIRT1可能是通过激活而不是抑制来保护多巴胺神经元。研究人员用具有中脑特征的切片培养物研究Res对多巴胺神经元的神经保护影响中发现Res和槲皮素可以阻止硫嘌呤醇（MPP+）诱导的多巴胺神经元的减少。Sirtuins抑制剂sirtinol或烟酰胺（nicotinamide）不能阻断Res的保护性影响，所以这种保护途径可能是抗氧化作用而不是激活作用。但是,Res还可以抑制一种DNA烷化剂（N-methyl-N'-nitro-N-nitro-soguanidine,MNNG）的多巴胺毒性，目前尚不清楚是抗氧化还是激活作用起保护作用[2,36]。

其他神经系统退行性疾病

亨廷顿病（Huntington’sdisease,HD）是影响纹状体和大脑皮质的常染色体显性遗传病，受累个体后代50%发病。表现为基底节及大脑皮质变性，临床特征为慢性进行性舞蹈样动作、精神症状和痴呆等。HD为4号染色体短臂4p16.3的Huntingtin基因突变所致，基因产物为CAG三核苷酸重复扩增产生Huntingtin蛋白。突变的Huntingtin蛋白导致神经元的退行性变和神经元死亡。研究表明SIRT1的激活可以减低这种蛋白的毒性作用[37]。在HD模型中SIRT1激活发挥作用的机制可能是通过转录因子活性的调节和染色体重建的方式对转录障碍进行恢复。在HD鼠模型中突变的Huntingtin蛋白通过抑制PGC-1α导致线粒体功能崩溃。另一项在HD病人和HD转基因鼠的纹状体模型的研究中也发现PGC-1α靶点基因的表达被抑制。因为PGC-1α可以被SIRT1调节，那么上调这个路径也就成为SIRT1对HD模型执行神经保护功能的基础[2]。另外Res在细胞中易被氧化，所以在大脑中这种抗氧化作用或许也参与激活Sirtuins[38]，事实上也有可能正是这种抗氧化作用发挥它的神经保护作用。

肌萎缩侧索硬化病（amyotrophiclateralsclerosis，ALS）是脊髓前角细胞、脑干运动神经核与锥体束同时受累，以上、下运动神经元损害并存为特征的慢性疾病。Dohoon等人用超氧化物歧化酶1突变体转染重要的神经元制作ALS鼠模型（Thesuperoxidedismutase1mutantmouse,SOD1G93A），结果发现SIRT1升高可对抗突变体SOD1的毒性发挥保护作用，但是当SIRT1没有去乙酰化酶活性时不能起保护作用，这也就说明了SIRT1表达增高并且具有去乙酰化酶活性才能发挥神经保护作用[39]。但是Chad等人的实验用Res喂养SOD1，统计实验组和对照组平均存活时间、P53乙酰化水平、神经肌肉的性能，结果发现SIRT1去乙酰化活性的处理对健康的老化器官的蛋白水平有影响，但是Res并没有导致功能的改善或是提高寿命，推测Res介导的P53乙酰化的调节不能提高ALS鼠模型的运动性能和寿命[40]。

展望

Sirtuins因为老化相关疾病的关系正日益受到人们的重视。近年来的证据表明Sirtuins的激活或抑制对神经元起保护作用，这给一些遗传性的、目前不可治愈的神经系统退行性疾病患者提供了新的希望。与哺乳动物相关的七个成员中SIRT1研究的较多，其它成员的功能与机制尚需更深入的研究。SIRT1通过去乙酰化酶活性，CR，调节P53、FOXO等转录因子发挥神经保护的作用。Res作为SIRT1的激动剂，通过激活SIRT1起作用，Res在紫葡萄皮及红酒中含量较多，它可能成为今后治疗神经系统退行性疾病的重要药物。

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