SIRT1与间充质干细胞衰老

朱厚毅，周凡，刘剑书，王运涛

(1.东南大学 医学院，江苏 南京　210009； 2.东南大学附属中大医院 脊柱外科，江苏 南京　210009)



SIRT1与间充质干细胞衰老

朱厚毅1，周凡1，刘剑书1，王运涛2

(1.东南大学 医学院，江苏 南京210009； 2.东南大学附属中大医院 脊柱外科，江苏 南京210009)

[摘要]间充质干细胞(MSCs)是一种具有自我更新功能并可以分化为执行特定功能的体细胞，研究已经证实在体外培养的过程中MSCs会出现衰老的现象。哺乳动物沉默调节因子2相关酶1(SIRT1)是一类依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)的组蛋白去乙酰化酶，越来越多的研究表明， SIRT1 可以通过调控 P53、组蛋白乙酰化、NF- κb和FoxO等关键分子的表达，进而参与调控细胞的衰老、凋亡、代谢等生理活动。作者就SIRT1在MSCs衰老中的作用作一综述。

[关键词]沉默调节因子2相关酶1； 乙酰化； 间充质干细胞； 衰老； 文献综述

间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一种具有自我更新功能并可以分化为执行特定功能的体细胞，维持组织和器官结构完整和功能稳定的成体干细胞。研究已经证实，在体外培养的过程中MSCs会出现衰老的现象，与氧化反应损伤、端粒的磨损短缩有关。哺乳动物沉默调节因子2相关酶1(sirtuins1，SIRT1)是一类依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)的组蛋白去乙酰化酶,越来越多的研究表明，SIRT1 可以通过调控 P53、组蛋白乙酰化、NF- κb和FoxO等关键分子的表达，进而参与调控细胞的衰老、凋亡、代谢等生理活动。作者就SIRT1在MSCs衰老中的作用作一综述。

1MSCs的衰老机制

MSCs是干细胞的一种，其临床应用广泛，可从包括骨髓、脂肪、羊水和脐带等多种结缔组织中分离提取。MSCs具有多向分化潜能及归巢、免疫调节等多项功能[1]。理论上MSCs可以无限增殖、生长，进行自我更新和分化，但有许多关于MSCs体外培养数代后出现衰老的报道，包括培养了多代的人MSCs出现衰老征象[2]。当MSCs老化时，其数量和功能出现与年龄相关的下降，由此引起细胞干性、组织动态平衡、再生和修复功能的损失，影响机体生物学功能，破坏组织器官的稳态性，降低对损伤或应激的反应能力，并最终导致衰老和死亡。引起MSCs衰老原因的诸多，包括氧化应激、端粒的磨损短缩、DNA损伤，以及表观遗传学的改变等。

MSCs衰老主要表现为细胞阻滞在G1期，功能基本丧失，代谢活性下降，p53/p21和p16等细胞周期阻滞相关蛋白以及衰老相关β- 半乳糖苷酶(SA-β- gal)活性表达升高[3]。有研究发现，在急性氧化损伤诱导的衰老过程中，体内抗氧化系统失衡并产生大量活性氧族(ROS)；ROS可通过p53作用下游靶点p21，抑制细胞周期蛋白依赖激酶(CDK)/细胞周期蛋白(cyclin)复合体的活性，并下调pRb/E2F轴，从而降低MSCs的自我更新及再生能力，加速其衰老。另外，p53不仅上调Bax、Bak等促凋亡因子，还通过下调Bcl- 2、Bcl- x等抗凋亡因子来影响MSCs[4]。而有研究显示，在低氧条件下，低氧诱导因子- 1α(HIF- 1α)和碱螺旋- 环- 螺旋结构的转录因子水平明显升高，二者均可以抑制p21进而延缓MSCs的衰老。证明了在氧化应激反应诱导的衰老过程中p53/p21信号通路起到关键的作用[5]。有报道，MSCs端粒会以50～100 bp/PD的速率被磨损掉，端粒的平均长度从早期的平均10.4 kbp减少到晚期的7.1 bp，而当端粒长度小于10 kbp时则细胞不再分裂[6]。有研究报道，端粒酶逆转录酶过度表达可以提高端粒酶活性，延长MSCs的细胞寿命周期[7- 9]。这为研究由端粒短缩引起的MSCs老化提供了一种思路。

2沉默信息调节因子2(silent information regulator2，Sir2)与衰老

Sir2基因家族转录的Sir2蛋白首先在酵母中被发现可以延长酿酒酵母的寿命，是一类烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖的去乙酰化酶。人体内Sir2蛋白的同源蛋白SIRT1同样具有NAD+依赖的去乙酰化酶活性，通过催化p53、 Ku60、叉头框转录因子O(forkheadboxO，FoxO)去乙酰化实现其基本功能，调节细胞糖类与脂类代谢，促进DNA损伤修复，进而参与调控细胞的衰老、凋亡、代谢等生理活动。

对SIRT1抗衰老机制的研究已在多种细胞上进行。有研究显示，在高糖诱导的肾小球系膜细胞(mesangial cells，MCs)的衰老过程中，SIRT1的表达和活性明显降低，采用小干扰RNA (siRNA)干扰SIRT1基因表达且经过尼克酰胺处理的MCs会呈现衰老表型；而加入辅酶Ⅰ处理则能抑制高糖介导的MCs的衰老，显示了SIRT1抗衰老的作用[10]。对不同年龄段人白细胞端粒长度与SIRT1基因关系的研究结果显示，SIRT1单核苷酸的多态性(SNP)与人白细胞端粒长度变短有关。SIRT1基因位点与细胞寿命明显相关，SIRT1的次要等位基因频率在老年(90～103岁)组明显高于青年(21~59岁)组，显示SIRT1与端粒长度与人的寿命之间有着密切关联[11]。对人脐带来源的胚胎成纤维细胞(HUC- F2)的研究结果显示，SIRT1及其激活剂都会增加人端粒酶逆转录酶(hTERT)的转录，并且是以c- MYC依赖的方式，触发c- MYC基因的转录，增加c- MYC动员hTERT启动子的数量及转录激活能力，相应地增加hTERT启动子中乙酰化的H4组蛋白的数量，进而延长HUC- F2的生命周期[12]。

有研究表明，AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)和SIRT1之间有相似性，这可能是因为两者之间能够相互调节，且有一些相同的目标分子；SIRT1与AMPK上游主要的激酶肝脏激酶B1(Liver Kinase B1)之间可能存在着联系[13]。有研究显示，用中等剂量白藜芦醇处理成年小鼠后，其骨骼肌细胞的线粒体的生物活性及功能、AMPK活化作用、NAD+水平等明显升高；通过SIRT1的过表达可模拟类似的效应，而全身敲除SIRT1基因后的成年小鼠同样接受处理后，却没有上述表现，表明SIRT1在中等剂量白藜芦醇刺激的AMPK活化过程中起到关键作用[14]。

3SIRT1与间充质干细胞衰老

目前已有研究表明，SIRT1活性及表达的变化与MSCs衰老有关，虽然SIRT1调节MSCs衰老的机制因为细胞来源及实验条件而报道各异，但都肯定了SIRT1对抗MSCs衰老的积极作用[15]。

Yuan等[16]通过慢病毒转染选择性地敲除人骨髓MSCs中的SIRT1基因，结果在早期即发现MSCs细胞生长减缓、逐渐进入细胞停滞期及细胞衰老的加速，SA-β- gal阳性细胞明显增多，并且S期细胞明显减少；而过表达SIRT1基因的细胞则衰老延缓，其成骨及成脂潜能仍然存在。并且干扰骨髓来源的MSCs的SIRT1基因表达，则在促进细胞衰老的同时伴有P16INK4a的高表达，而P21Cip1变化不明显；干扰脂肪来源的MSCs则发现，P16INK4a与P21Cip1都有所升高。这说明SIRT1对不同组织来源的MSCs衰老的影响机制也是不同的。Chen等[17]研究发现，老化的MSCs中过表达SIRT1可以逆转衰老表型、刺激细胞增殖，而老化相关的蛋白P21、P16是SIRT1调节的抗衰老机制的下游效应蛋白，SIRT1可以保护细胞免受与衰老相关的DNA损伤，诱导TERT表达和增强端粒酶活性，但并不影响端粒长度；他们还发现SIRT1可以上调shelterin复合体中具有保护染色体末端免受DNA损伤作用的TPP1组件来提高端粒酶活性和减少DNA损伤。Yoon等[18]研究发现，对人骨髓来源的MSCs中SIRT1的RNA干扰会导致胚胎干细胞关键蛋白(SOX2)的表达降低、自我更新和分化功能减退。其中涉及到乙酰化、出核转运、SOX2泛素化，导致骨髓来源MSCs中的蛋白酶降解。被组蛋白脱乙酰酶曲古抑菌素A(TSA)抑制的SOX2可以被SIRT1的激活剂白藜芦醇恢复功能。而通过白藜芦醇所增强的自我更新及分化功能则会因为SOX2的RNA受到干扰而下降。这充分显示了SIRT1- SOX2在保持骨髓来源的MSCs自我更新能力及多分化潜能方面有着重要作用。

此外，在MSCs移植治疗大鼠心肌梗死(myocardial infarction，MI)的实验中，对从衰老大鼠获得MSCs中SIRT1表达进行调控，发现过表达SIRT1 的MSCs治疗效果较未干预组明显增强，促血管生成因子、血管生成素水平、Bcl- 2/Bax明显升高，血小板反应素- 1mRNA水平下降，与心肌重塑有关的MI梗死区血管密度明显增多，直接改善心脏功能。显示SIRT1对衰老MSCs的细胞表型有明显改善作用[19]。此外，在电离辐射介导的MSCs炎性损伤导致的衰老过程中，经SIRT1激活剂白藜芦醇处理组MSCs中IL- 1β表达明显低于未干预组，而SIRT1基因敲除组IL- 1β表达则明显升高。该研究发现SIRT1通过乙酰化可抑制NF- κb通路，进而抑制 NLRP- 3炎性小体的转录及其炎性活化作用，说明SIRT1对此炎性损伤导致MSCs过早衰老具有保护作用[20]。

4小结

由于MSCs的应用优势及前景，探讨MSCs衰老的分子机制对干细胞移植疗法的临床应用具有重要的意义。机体环境的复杂性及不确定性是目前这项研究面临的重要难题。SIRT1作为SIRT家族极其重要的一类，在维持细胞自我更新能力、促进DNA损伤修复等方面具有重要作用。阐明SIRT1在MSCs衰老中的作用与机制，将有利于寻找MSCs衰老的关键环节，进而寻找到可以缓解MSCs衰老、提高其应用效果的相应作用靶点，为MSCs的基础研究和最终临床应用开拓思路。

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doi：10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.02.037

[中图分类号]R681

[文献标识码]A

[文章编号]1671- 6264(2016)02- 0281- 03

[通信作者]王运涛E- mail:wangyttod@seu.edu.cn

[作者简介]朱厚毅(1989-)，山东德州人，在读研究生。E- mail:houyi916@163.com

[基金项目]国家自然科学基金面上项目(31070876)；江苏省医学创新团队和领军人才基金(LJ201145)

[收稿日期]2015- 11- 23[修回日期] 2015- 12- 26

[引文格式] 朱厚毅，周凡，刘剑书，等.SIRT1与间充质干细胞衰老[J].东南大学学报:医学版，2016，35(2)：281- 283.

·综述·