沉默调节蛋白4在肝脏疾病发生发展中的作用

谢 黎， 张宁萍， 吴 健,

1 复旦大学基础医学院 病原生物学系， 上海 200032； 2 复旦大学附属中山医院 消化科，上海 200032； 3 上海市肝病研究所， 上海 200032

沉默调节蛋白(Sirtuin, SIRT)家族是一高度保守的组蛋白去乙酰化酶类，依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)，由7个家族成员(SIRT 1～7)组成，多数兼具去乙酰基酶活性和ADP-核糖转移酶活性。该家族酶调节一系列生物过程，包括转录、细胞周期、应激、代谢、衰老、凋亡及基因组稳定等。SIRT-4主要定位于线粒体，广泛存在于胰脏、睾丸、肾脏、肝脏和肌肉等组织。除了具有去乙酰基酶和ADP-核糖转移酶活性外，SIRT-4还发挥依赖NAD+蛋白脂酰胺酶和脱酰酶活性。因其功能多样，在某特定组织和细胞由其作用底物不同而发挥不一样的酶活性。

线粒体代谢异常和氧化应激是诱导肝脏损伤的主要病理机制。线粒体作为细胞代谢中枢参与体内多个重要生化过程，包括三羧酸循环、脂肪酸β-氧化和氧化磷酸化，对维持机体正常代谢起关键作用。线粒体蛋白多数需经不同程度的翻译后修饰来维持其正常功能。而SIRT-4通过改变底物的翻译后修饰调节线粒体蛋白功能，影响机体代谢。

1 SIRT-4结构

SIRT家族具有相似的分子结构：由275个氨基酸组成的保守催化核心及特异性的N端和C端结构域，后者有助于发挥调控作用及细胞亚结构定位。其催化核心由两个高度保守、大小不等的结构域构成，其中大结构域主要呈现Rossmann折叠，小结构域含一个锌指结构，后者对催化位点结构稳定性起关键作用。大小结构域通过4个连接环组合在一起，构成NAD+分子与乙酰化赖氨酸残基结合区，催化赖氨酸残基去乙酰化反应[1]。而在SIRT-4中，该催化核心没有C端结构域，只有约28个残基的N端延伸，作为线粒体定位序列[2]。总之，SIRT-4催化核心二级结构高度保守，推测其为α-螺旋，具有促进戊二酰基、甲基戊二酰基、羟甲基戊二酰基、3-甲基戊二酰基等基团的赖氨酸去修饰作用，影响亮氨酸代谢[3](图1)。

图1SIRT-4结构示意图[4]

2 SIRT-4的酶活性

SIRT-4位于线粒体内，最初认为它是作用于谷氨酸脱氢酶(GDH)的ADP -核糖转移酶[5-6]。然而，因其酶活性较弱受到质疑，可能不具有生理学意义[7]。随后发现SIRT-4具有去乙酰基酶活性，其底物为丙二酰辅酶A脱羧酶(MCD)、 过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)α、线粒体功能蛋白-α亚基(MTP-α)、腺嘌呤核苷酸转运蛋白2(ANT2)、依赖AMP蛋白激酶(AMPK)等[8]。但有研究[9-10]表明，SIRT-4对二羧基、酰基修饰无去酰化作用，不能有效地去除长链酰基修饰[9,11]。此外，SIRT-4可以作用于二硫辛酰胺转乙酰基酶(DLAT)，发挥脂酰胺酶活性[12]。SIRT-4还具有脱酰酶活性，作用于甲基巴豆酰辅酶A羧化酶复合物 (MCCC)，控制亮氨酸代谢和胰岛素分泌[3]。总之，SIRT-4存在多种酶活性，参与体内多个代谢调节，但主要的酶功能尚无定论。

3 SIRT-4与肝脏疾病的关系

3.1 SIRT-4与病毒性肝炎 HBV是世界范围内一个主要的公共卫生问题，特别是在我国，虽然HBV的感染率下降，但目前仍有约10%的成年人慢性感染HBV，导致肝癌和其他严重肝病的风险较高。现有资料[13]显示，包括SIRT-4在内的全部SIRT家族成员均对HBV转录具有正向调节作用，但SIRT-4在病毒性肝炎发展过程中的相关研究较少，其具体机制和直接证据匮乏，值得深入探讨。

3.2 SIRT-4与非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)

NAFLD的发病机制尚未完全阐明，其主要病理特征表现为肝细胞脂肪变性及脂肪堆积，而脂质代谢紊乱是NAFLD进展的关键。线粒体异常是非酒精性脂肪性肝炎肝细胞病变的特征之一[14]。由于SIRT-4对胰岛素及脂质代谢稳态、线粒体能量代谢等具有重要意义，同时SIRT-4在NAFLD肝组织中表达异常增加[15-16]，而其他SIRT家族成员，SIRT-1、3、5、6的蛋白及mRNA表达水平明显减少[16]，故推测SIRT-4可能影响NAFLD进展。

3.2.1 SIRT-4通过调节胰岛素分泌影响NAFLD发展 NAFLD患者常伴发胰岛素抵抗[17]。反之，胰岛素抵抗加重脂质代谢紊乱，继而参与NAFLD发生。GDH是调节胰岛素分泌的关键酶。SIRT-4作为ADP-核糖转移酶作用于GDH，降低其活性，抑制谷氨酰胺代谢，影响线粒体ATP的产生，最终抑制胰岛β细胞分泌胰岛素。而SIRT-4敲低后，由葡萄糖和氨基酸刺激胰岛素分泌的效应会增加[5]。另有研究[3]证明，SIRT-4通过调节亮氨酸代谢影响胰岛素分泌，引起糖耐量和胰岛素抵抗。亮氨酸氧化促进SIRT-4对MCCC的脱酰酶活性，抑制胰岛素分泌；相反，抑制亮氨酸氧化可以变构激活GDH，谷氨酰胺合成增加，刺激胰岛素分泌。研究[3]证实，SIRT-4敲除小鼠7个月即可形成胰岛素抵抗。此外，SIRT-4还可作用于胰岛素降解酶、ADP/ATP载体蛋白(ANT2/ANT3)等，调节胰岛素分泌[6]。因此，SIRT-4通过调节不同组织的代谢影响胰岛素敏感性。SIRT-4缺失引起的胰岛素抵抗会加速脂质降解，大量游离脂肪酸进入肝脏线粒体进行β氧化，导致线粒体内氧化应激，不能处理过多的脂肪酸，从而造成其在肝细胞内堆积，加重肝细胞损伤，促进NAFLD发展。

3.2.2 SIRT-4通过调节脂质稳态影响NAFLD发展 脂质代谢紊乱是NAFLD发生及进展的重要特征。β氧化是脂肪酸分解代谢的主导过程。线粒体MTP-α具有烯酰辅酶A水合酶及L-3-羟基酰基-辅酶A脱氢酶活性，分别介导β氧化的第二、三步反应。研究[18]发现，SIRT-4可使MTP-α去乙酰化而失活，脂肪酸氧化减少，促进NAFLD进展。相反，高脂高糖喂食SIRT-4敲除小鼠肝脏脂肪变性比野生鼠减轻。另有研究[8]证实，SIRT-4使MCD去乙酰化而失活，促进丙二酰辅酶A的表达，抑制肉毒碱棕榈酰转移酶1，从而促进脂质合成，抑制脂肪酸氧化。在肝脏，SIRT-4还影响PPARα的表达，后者影响参与脂肪酸分解代谢相关下游基因的表达[19]。此外，SIRT-4作为脂酰胺酶调节丙酮酸脱氢酶复合物活性，其底物是E2组分DLAT，SIRT-4通过介导DLAT脂酰化水平和丙酮酸脱氢酶活性调节脂肪酸氧化[12]。因此，SIRT-4通过抑制脂肪酸氧化，促进脂质合成影响脂质代谢稳态，促进NAFLD进展。

3.3 SIRT-4与肝纤维化 肝纤维化是对各种慢性损伤的修复应答，其主要病理过程为细胞外基质(ECM)在肝脏内过多沉积。肝星状细胞(HSC)在肝纤维化形成过程中居核心地位，促使ECM合成增加与降解减少，导致纤维结缔组织肝内过度沉积而形成不同程度的纤维化，甚至进展为肝硬化。研究[15]发现，在紫外线β或γ射线照射后，真皮组织成纤维细胞内SIRT-4表达增加，提示SIRT-4参与皮肤结缔组织沉着过程。活性氧自由基(ROS)可直接激活HSC，促进ECM合成，而脂质过氧化产物亦可促进HSC合成胶原，在肝纤维化形成过程中起重要作用。锰超氧歧化酶(MnSOD)可以保护细胞免受过氧化损伤，MnSOD催化超氧自由基产生过氧化氢(H2O2)，H2O2随后被过氧化氢酶转化为H2O，以避免过多ROS在线粒体中积累。SIRT-4通过抑制MnSOD与SIRT-3结合，增加MnSOD乙酰化水平，降低其活性，导致ROS累积[14]。此外，SIRT-4可作用于线粒体融合调控蛋白影响线粒体膜电位，促使线粒体ROS的产生[20]。因此，SIRT-4可经不同途径增加ROS，进而激活HSC，促进ECM合成和肝纤维化发展。但目前相关研究较少，其具体机制和直接证据匮乏。

3.4 SIRT-4与肝细胞癌(HCC) HCC是消化系统最常见的实体恶性肿瘤之一，侵袭性强，死亡率高。很多研究证实SIRT家族与HCC密切相关。其中，SIRT-1和SIRT-2在HCC中表达水平尚存在争议[21-23]，SIRT-3下调与SIRT-5上调提示HCC患者的临床预后较差[24-25]，SIRT-6高表达可能影响HCC转移[26]。HCC细胞通过糖酵解来维持代谢和生长。SIRT-4作为调节线粒体内翻译后修饰酶，调节谷氨酰胺和脂肪酸代谢，影响HCC糖脂代谢。研究[27]发现，人HCC组织中SIRT-4表达降低，其机制为组蛋白赖氨酸甲基转移酶SET8与Kruppel样因子4结合并失活，抑制其下游SIRT-4表达，影响丙酮酸脱氢酶复合物活性，葡萄糖代谢从线粒体氧化磷酸化转变为糖酵解，促进HCC的生长。相反地，SIRT-4高表达不仅可以抑制糖酵解关键基因的表达导致糖酵解受损，还可抑制肿瘤细胞的增殖和迁移[27]。此外，SIRT-4通过抑制谷氨酰胺代谢，增加ADP/ AMP水平，影响肝激酶B1介导的AMPK-α磷酸化，阻断mTOR信号传导途径，阻止HCC的进展[28]。总之，SIRT-4对HCC发生、侵袭、转移及耐药等环节还缺乏系统研究。

4 结语

肝脏中线粒体数量众多，SIRT-4蛋白定位于线粒体，通过去乙酰基酶、ADP-核糖转移酶、依赖NAD+蛋白脂酰胺酶和脱酰酶等多种酶活性参与肝脏的多种代谢功能。因此与多种肝脏疾病相关，在不同疾病类型中SIRT家族成员蛋白表达水平也存在差异(表1)。因其催化功能的多样性，在不同组织及细胞中的功能不尽相同。表2总结了SIRT-4在不同组织中的分布及作用。SIRT-4还与其他多种代谢性疾病关系密切，如2型糖尿病[34]、小细胞肺癌、胃癌、乳腺癌和白血病等恶性肿瘤[35]。癫痫、创伤性脑损伤和肌萎缩侧索硬化等神经疾病也与SIRT-4有关[36]。但SIRT-4与肝脏或其他系统疾病研究尚在起步阶段，需要深入探讨SIRT-4在疾病发生和进展中的具体作用机制，以期寻找新的疾病干预靶点。

表1 肝脏疾病中SIRT家族成员蛋白表达变化

注：“-”表示暂无相关研究。

表2 SIRT-4的组织分布与基本功能

注：PGC-1α，过氧化物酶体增殖激活受体共激活因子1α。