Sirtuin家族

Sirtuin家族

一、组蛋白乙酰化修饰

组蛋白的可逆共价修饰调节是基因表达调控的重要方式之一。目前已知的共价修饰调节作用有 7 种修饰方式：①乙酰化/去乙酰化、②磷酸化/去磷酸化、③甲基化/去甲基化、④泛素化/去泛素化、⑤腺苷酰化/去腺苷酰化、⑥尿苷酰化/去尿苷酰化、⑦氧化(S-S)/还原(2SH)[1,2]。

DNA的大部分区域通过包装成特殊的染色质结构而失去活性，这种现象称为染色质沉默。这些特殊的染色质结构在维持染色体结构稳定和基因调控中起重要作用[5]。研究表明，常染色质进行活跃转录的核心组蛋白是高度乙酰化的，而进行不活跃转录的核心组蛋白是低乙酰化的，组蛋白乙酰化/去乙酰化与转录活性密切相关的[1,5]。细胞通过对核心组蛋白进行可逆共价修饰来调节其 N 端尾部的乙酰化水平来调控转录的起始。乙酰化/去乙酰化是众多共价修饰中最重要的一种[1]。

二、组蛋白去乙酰化酶（HDAC）

乙酰化/去乙酰化共价修饰主要由组蛋白乙酰化酶（histone acetylase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）来分别催化乙酰化作用和去乙酰化作用[1,2]。

20世纪70年代，研究者首次在酵母中发现两种 HDAC（HAD、RPD3）[1]。目前已有许多种类的具有不同功能的 HDAC 从不同物种中鉴定出来，根据它们与酵母 HDAC 的同源性高低可归为三大类[1,2]：

• Ⅰ类：与酵母 RPD3 相关的 HDAC。
• Ⅱ类：与酵母 HDA1 相关的 HDAC。
• Ⅲ类：与酵母 Sir2 相关的 HDAC，被称为 Sirtuins。

Ⅰ类、Ⅱ类 HDAC 的酶活性受到共同的抑制剂所抑制，如制毛癣素A、曲古抑菌素A（trichostatin A）、TPX、n-丁酸等。但Ⅲ类对前两类酶的共抑制剂并不敏感，而被烟酰胺（nicotinamide，NAM）、sirtinol、splitomicin 等所抑制[1,2]。

三、Sirtuin家族

沉默蛋白（Sirtuin）是一种从古细菌到人类都高度保守的 HDAC[3]。芽殖酵母的 Sir2（silence information negulator 2，沉默信息调节因子2）是第 1 个被发现的Ⅲ类 HDAC。随着 Sir2 同源基因相继在其他物种中克隆，现已将各物种的 Sir2 同源蛋白质统称为 Sir2 相关酶类（Sir2-related enzymes，Sirtuins）[2]。

人类 Sirtuin 家族中公认的成员有 7 个：SIRT1~SIRT7[1-3]，其中 SIRT1 与酵母 Sir2 在高度保守的核心结构区域序列具有高度性[3]。

哺乳动物 Sirtuin 广泛分布于细胞，具有不同的亚细胞定位，其功能也不相同。SIRT1/6/7 位于细胞核中，SIRT2 位于细胞质中，SIRT3/4/5 位于线粒体中[3,6]。

• 在细胞应激条件下，SIRT3可能从线粒体转运到细胞核。此外，SIRT1 和 SIRT2 可以在细胞核和细胞质之间穿梭[6]。

1、结构

Sirtuin 具有相似的分子结构，275 个氨基酸残基构成了一大（大结构域：NAD+ 结合域）一小（小结构域：小亚结构域）两个基本结构域。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指结构（zinc-binding）组成[1-3]。大小结构域之间形成了一个大沟，为 NAD+ 提供了结合位点[1]。

2、作用机制

Sirtuin 家族具有去乙酰化酶活性和 ADP-核酸转移酶活性[2]。SIRT1~3 有较强的去乙酰化酶活性，而 SIRT4~7 则较弱或检测不到去乙酰化酶活性[3]。SIRT4 可能仅有 ADP-核糖转移酶活性，SIRT7 则两种活性均没有[2]。

• 依赖 Sirtuin 的去乙酰化反应，是将底物乙酰基转移到 NAD+ 的 ADP-核糖基部分。 同时，1 个 NAD+ 分子分裂成 1 分子烟酰胺（NAM）和 1 分子 O-乙酰基-ADP-核糖（OAADPr）。Sirtuin 介导去乙酰基和 NAD+ 断裂两种催化活性[2]。
• Sirtuin 所具有的 ADP-核糖转移酶活性是将 NAD+的 ADP-核糖转移到乙酰化蛋白[2]。 

（1）第一步为起始阶段：首先是 NAD+ 的烟酰胺核糖基键断裂，乙酰化底物的乙酰基团的羰基氧攻击其断裂处，形成酶的三元复合物[1]。

（2）第二步为过渡阶段：酶的三元复合物去乙酰化，裂解释放出烟酰胺（NAM）和 1- 氧代烷基酰胺中间物（1-O-alkylamidate intermediate）。1-氧代烷基酰胺中间物的 2'-OH 去质子化，发生亲核攻击，即将组氨酸（His）残基的 H 键连接到烟酰胺核糖的 3'-OH 上，继而形成 1'-2' 环状中间物[1]。

（3）第三步为结束阶段：这是一个催化阶段。与过渡阶段同样的组氨酸残基，不发生亲核攻击，仅作为一般的氨基酸。该组氨酸残基在一分子水的作用下，使赖氨酸的离去基团发生质子化作用，除去赖氨酸的ε-氨基，使 1'-2' 环状中间物形成 2'-O-乙酰基-ADP核糖 （2'-O-acetyl-ADP-ribose，2'-OAADPr）和去乙酰化产物。在生理平衡的条件下，2'-O-乙酰基-ADP-核糖（2'-OAADPr）可以可逆地转换成 3'-O-乙酰基-ADP-核糖（3'-OAADPr）[1]。

四、抑制剂

（1）烟酰胺（NAM）

烟酰胺由 Sir2 去乙酰化作用直接获得，是 Sir2 有效的生理抑制剂。尽管 NAM 结合在变构部位，但是 NAM 的抑制作用主要是由于缩合了高能量的酶。NAM 通过ADP核糖与乙酰基赖氨酸介导的可逆反应重新形成 NAD+。因此，NAM 是去乙酰化作用的非竞争性抑制剂[1]。

另有研究表明，与单个烟酰胺结合袋状部位一致，自由的烟酰胺结合位点 C 和烟酰胺结合位点相同 。经过体外实验表，NAM 在浓度为 10~150 uM 时对 Sir2 有很好的限制作用[1]。

（2）splitomicin

splitomicin 是一种可有效阻止 Sir2 所有沉默功能的化合物，并且只对 Sir2 起作用。同时，它还具有促进人细胞对 DNA 损伤区的光修复[1]。

（3）sirtinol

sirtinol 是一种能抑制 Sir2 蛋白活性的药物。当给细胞一定剂量的 sirtinol 时，神经细胞轴突表现出的保护性作用就消失[1]。

五、激动剂

SIRT激动剂（sirtuin activating compounds，STACs）包括多种天然或合成化合物，如白藜芦醇（RES）、褪黑素（melatonin）、槲皮素（quercetin）、紫铆因（butein）、儿茶素（catechins）、白皮杉醇（piceatannol）、和厚朴酚（honokiol）、漆树黄酮（fistein）、木兰酚（magnolol）、1,4-二氢吡啶（1,4-dihydropyridine，DHP）、SRT1720、SRT2104、UBCS039、烟酰胺单核苷酸（NMN）等（Table1[4]），有较强的抗氧化抗自由基的作用，主要通过激活组蛋白去乙酰化酶的活性来延长细胞的寿命[1,4]。

（1）SIRT1 激动剂

RES 是一种自然产生的多酚类化学物质，广泛存在于一些植物（如葡萄、浆果、花生）中[1,4]。它是一种含有芪类结构的非黄酮多酚类化合物，具有重要的生物学作用。由葡萄或葡萄酒中产生的 RES（我们的饮食中 RES 的主要来源是红酒），通过降低乙酰化底物的 Km 值可以对 ySir2 起到最高的激活活性，使其的寿命延长70%[1]。RES 是 SIRT1 的强激活剂[4]，在与 SIRT1 结合时构象发生变化，调节 p53-AMC （p53见帖：细胞周期限制点调控）的相豆素基因，从而增加细胞的存活，延长人的寿命[1]。

褪黑素（melatonin）由大脑松果体合成和分泌，在维持昼夜节律方面发挥着重要作用。褪黑素通过促进 CEP 细胞自噬来降低凋亡率，促进 CEP 细胞钙化的减少。体外实验证实，褪黑素增加 CEP 细胞中 SIRT1 的表达和活性从而发挥保护作用[4]。

DHP（1,4-Dihydropyridine）作为一种新型 SIRT1 激活剂，已被报道具有抗炎和抗氧化作用。DHP 剂量依赖性上调人 NP 细胞中 SIRT1 的表达，从而抑制 IL-1β 诱导的 ROS 产生、炎症因子（TNF-a、IL-6）的表达、ECM降解[4]。

（2）SIRT3 激动

NMN（Nicotinamide Mononucleotide，烟酰胺单核苷酸）通过增强 NAD+ 的生物学效应，构成了一类新的 STACs。NMN 可通过 AMPK/PGC-1a 通路（见帖：PGC-1α）增强人 NP 细胞 SIRT3 功能，减少 AGEs（见帖：晚期糖基化终末产物（AGEs））诱导的氧化应激和凋亡[4]。

和厚朴酚（honokiol）是从木兰树根和树皮中提取的一种天然小分子化合物，具有多种药理作用，包括抗炎、抗氧化、镇痛和神经保护作用。和厚朴醇通过 AMPK/PGC-1a 通路（见帖：PGC-1α）激活 SIRT3 后，增强了线粒体抗氧化能力、线粒体动力学（见帖：线粒体动力学）和线粒体功能，从而挽救氧化应激诱导的 NP 细胞的凋亡和衰老[4]。

（3）异烟酰胺

异烟酰胺（isonicotinamide）是烟酰胺的同源物，与自由烟酰胺竞争结合部位，解除了烟酰胺的抑制作用，从而激活 Sirtuin[1]。

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参考文献

[1]蔡群芳,周鹏.去乙酰化酶Sirtuin研究进展[J].生命科学,2006(02):133-137.

[2]时小燕,杜丽敏.Sirtuin家族成员及其生物学特性[J].国际药学研究杂志,2011,38(05):349-355.DOI:10.13220/j.cnki.jipr.2011.05.004.

[3]戚欣欣,孙莉.Sirtuin家族及其生物学特性[J].华夏医学,2016,29(01):169-174.DOI:10.19296/j.cnki.1008-2409.2016-01-060.

[4]Zhang GZ, Deng YJ, Xie QQ, et al. Sirtuins and intervertebral disc degeneration: Roles in inflammation, oxidative stress, and mitochondrial function. Clin Chim Acta. 2020;508:33-42. doi:10.1016/j.cca.2020.04.016

[5]李晓雪,陆军,罗巅辉等.组蛋白去乙酰化酶SIR2与染色质沉默[J].遗传,2003(04):484-488.DOI:10.16288/j.yczz.2003.04.026.

[6]Weng H, Ma Y, Chen L, Cai G, Chen Z, Zhang S, Ye Q. A New Vision of Mitochondrial Unfolded Protein Response to the Sirtuin Family. Curr Neuropharmacol. 2020;18(7):613-623. doi: 10.2174/1570159X18666200123165002. PMID: 31976838; PMCID: PMC7457425.