Sirtuins家族和线粒体未折叠蛋白反应在疾病中的研究进展

徐常玮,张 涓,申亮亮 综述 吴元明,张 静 审校

线粒体在氧化应激时,会产生大量的活性氧(reactive oxygen species,ROS),而过量的ROS诱导DNA、脂质和蛋白质的氧化损伤,导致它们在线粒体中错误折叠和聚集。当线粒体中错误折叠和聚集的蛋白质累积较多时,细胞就会发生线粒体未折叠蛋白反应(mitochondrial unfolded protein response,UPRmt),该反应可以通过提高线粒体伴侣蛋白和蛋白酶水平来降低蛋白毒性应激进而重建细胞器的蛋白稳态。沉默信息调节因子(Sirtuins)发挥着去乙酰化酶的作用,近年来对其的研究主要聚焦于在衰老中的作用。同时Sirtuins家族也在UPRmt中扮演着关键的角色。因此,加深对UPRmt和Sirtuins家族在人类疾病(包括神经退行性疾病、肿瘤和一些其他疾病)中的认识,可有助于对人类疾病的诊断和认识。本文对UPRmt和Sirtuins家族与人类疾病关系的研究进展进行综述。

1 Sirtuins家族

Sirtuins家族是一组NAD+依赖的去乙酰化酶,其去乙酰化功能调控着多种重要的细胞过程,包括DNA损伤修复、凋亡、自噬、细胞衰老、炎症、细胞代谢、抗氧化防御和线粒体稳态等[1]。到目前为止,已经发现并鉴定出7种哺乳动物Sirtuins成员(SIRT1-7),其在组织特异性、亚细胞定位、酶活性和靶标方面的功能各不相同[1]。

最具特征的哺乳动物Sirtuins是SIRT1,主要定位于细胞核中,通过对过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α(proliferator-activated receptor-γ coactivator-1α,PGC-1α)和叉头框蛋白O (forkhead box class O proteins,FoXOs) 的靶点去乙酰化来调控线粒体功能[2]。SIRT1在DNA损伤修复、端粒维持、ROS介导的细胞凋亡、细胞衰老、细胞代谢和炎症中发挥着重要作用。SIRT1可以通过激活UPRmt导致线粒体中蛋白质折叠负荷增加,诱导有丝分裂的核蛋白失衡。SIRT2主要定位于细胞质中,细胞质中的SIRT2可以通过细胞质蛋白(微管蛋白-α)的去乙酰化来维持细胞结构[3]。SIRT2还可以使FOXO3a去乙酰化来促进超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2,SOD2)在氧化应激下的表达[4]。SIRT3存在于线粒体中,主要参与调节线粒体质量、腺苷三磷酸(adenosine 5′-triphosphate,ATP)的产生和线粒体自噬以及抗氧化损伤等。SIRT3可以通过三羧酸循环和电子传递链中一些组分的去乙酰化来控制和调节氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)[5]。SIRT4在线粒体中通过线粒体蛋白的翻译后修饰调节细胞代谢。SIRT4具有酰胺酶的活性,其代谢靶点是丙酮酸脱氢酶复合体,可以阻止丙酮酸进入三羧酸循环[6]。所以,SIRT4也是控制细胞代谢的一个重要分子。SITR5具有较强的去乙酰化酶、去戊二酰化酶和去琥珀酰化酶活性。SIRT5可以通过去琥珀酰化或去戊二酰化促进还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸生成酶和葡萄糖-6-磷酸1-脱氢酶的活性,在抗氧化防御中发挥重要作用[7]。SIRT6是主要通过染色质重塑调节细胞过程的核蛋白,并且具有较少的非组蛋白靶标。SIRT6通过使组蛋白H3赖氨酸9去乙酰化在端粒维持中起到关键作用,防止端粒DNA损伤和细胞衰老[8]。SIRT7是首先在核仁中发现的核蛋白,其在DNA损伤修复中发挥重要作用,SIRT7以聚ADP-核糖聚合酶1[poly(ADP-ribose) polymerase 1,PARP1]依赖性方式募集到DNA中的双链断裂位点,通过组蛋白去乙酰化或去琥珀酰化促进染色质缩合和DNA修复[9]。

2 UPRmt

线粒体功能障碍主要源于线粒体应激。线粒体应激反应是线粒体为维持稳态并保护细胞免受应激性损伤的反应,包括UPRmt、抗氧化防御、线粒体分裂和融合以及线粒体自噬[10]。UPRmt是线粒体中对抗蛋白质毒性应激的蛋白质质量控制途径,可以感知线粒体基质内错误折叠的蛋白质,启动由核DNA编码的应激蛋白如热休克蛋白60(heat shock protein 60,HSP60)、和酪蛋白水解蛋白酶P(caseinolytic protease,ClpP)的上调,从而增加蛋白质在线粒体中的折叠能力,最终维持线粒体蛋白的稳态和功能[11]。当线粒体内错误折叠和聚集的蛋白质累积较多时,UPRmt作为新发现的细胞内应激机制,可以影响衰老、神经退行性疾病、癌症等疾病的发生发展。

随着研究的深入,UPRmt在秀丽隐杆线虫(C.elegans)中的作用机制已经被明确,UPRmt途径共有三个轴。首先是UPRmt激活增强子结合蛋白同源蛋白(C/BEBP homologous protein,CHOP)/激活转录因子5(activating transcription factor 5,ATF5)/活化转录因子 4(activating transcription factor 4,ATF4)轴,该轴通过诱导伴侣素和蛋白酶来增加线粒体内部折叠的能力和降解功能从而缓解线粒体蛋白的毒性应激反应[12]。其次是雌激素受体α(estrogen receptor,ERα)轴,该轴通过蛋白激酶B和ROS依赖的ERα磷酸化作用,诱导核呼吸因子-1(nuclear respiratory factor-1,NRF1)的表达,从而促进线粒体的生物合成[13]。第三轴中包含三个重要的线粒体分子,即SIRT3、FOXO3a和SOD2。SIRT3会导致FOXO3a去乙酰化并重新定位到细胞核,并激活SOD2和过氧化氢酶参与抗氧化反应[14]。

Mouchiroud et al[15]在对C.elegans的研究中发现,NAD+水平升高和SIRT2 蛋白家族在C.elegans中的同源蛋白sir-2.1过表达均增加了热休克蛋白(heat shock protein,Hsp)6的基因表达。Gariani et al[16]对原代肝细胞的研究表明,SIRT1或SIRT3的缺失均可下调Hsp10、Hsp60和CLpP的表达,而这些改变可以通过补充NAD+而升高。综上,在UPRmt中,NAD+扮演着重要的角色,而NAD+又进一步影响着 Sirtuins的表达。因此,深入探讨Sirtuins与UPRmt的作用机制对阐明衰老和线粒体相关疾病的发病机制具有重要意义。

3 Sirtuins 和UPRmt在疾病中研究

3.1 Sirtuins和UPRmt与衰老的关系衰老在机体的整个生命周期中是一个及其复杂的过程。Sirtuins是最早在酿酒酵母中被发现的可延长寿命的基因,额外的Sirtuins等位基因可以增加酵母30%的寿命,而Sirtuins的消融会降低酵母的寿命[17]。这些研究为Sirtuins在长寿和衰老生物学中的作用奠定了基础。

衰老是细胞损伤的慢性积累,但导致衰老的主要机制尚不明确。成体干细胞作为储备细胞,在支持正常的组织更新和急性损伤后的再生反应中起到重要作用。研究[18]表明,造血干细胞 (hematopoietic stem cells,HSCs)的退化是导致衰老的主要原因。在HSCs中,Mohrin et al[18]发现UPRmt可介导造血干细胞的老化,并证明了UPRmt的另一调控分支是由SIRT7和NRF1相互作用所介导的。Mouchiroud et al[15]在对衰老进行研究时,发现NAD+水平在C.elegans中降低,而NAD+水平的降低进一步导致C.elegans寿命的缩短,相反,NAD+水平的恢复可以防止与衰老相关的代谢下降,并进一步延长C.elegans的寿命,这些作用依赖于蛋白质的去乙酰化酶SIRT1、SIRT2,并通过UPRmt和FOXO转录因子DAF-16的核易位和激活,诱导核蛋白失衡,激活应激信号。有研究[19]发现,老年小鼠中NAD+的水平较低,这与SIRT1的底物过化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α的过度乙酰化相关,使用PARP抑制剂喂养C.elegans可以使其寿命延长,且寿命延长与OXPHOS和ATP水平增加有关。综上,通过调节NAD+水平进而改变Sirtuins的活性能够预防和治疗年龄相关衰老。

3.2 Sirtuins和UPRmt与肿瘤的关系正常细胞主要利用OXPHOS产生能量。然而癌细胞的快速生长和分裂则通过调整能量代谢来满足能量需求。为使癌细胞能适应恶劣的生存环境,癌基因、肿瘤抑制基因和肿瘤微环境的改变,都会导致癌细胞的代谢从OXPHOS向糖酵解发生转变。但并非所有的癌细胞都依赖糖酵解产生能量,有些癌细胞也依赖OXPHOS产生能量[20]。

Vellinga et al[21]对结肠癌肝转移的术前接受或不接受化疗治疗的患者进行转录组学分析,发现了一种新的耐药机制,这个机制涉及能量代谢的变化,结果显示OXPHOS中的线粒体生物合成和电子传递链(electron transport chain,ETC)复合物是化疗治疗肿瘤中上调最多的途径,这一发现提示化疗诱导了癌细胞代谢的改变。此外,敲低SIRT1或PGC1α可阻止化疗诱导的OXPHOS的改变,并显著提高患者对化疗的敏感性。提示结直肠癌化疗诱导了SIRT1/PGC1α依赖的OXPHOS增加,在治疗期间促进肿瘤生存。

SIRT3可以协调抗氧化机制和线粒体自噬两种途径,而这两种途径在克服蛋白质毒性应激和重建癌细胞内稳态中发挥重要作用。Papa et al[22]发现,SIRT3的这两种途径是独立于CHOP或ERα的。SIRT3的表达由线粒体蛋白毒性应激诱导,从而激活抗氧化机制和线粒体自噬。Ahmed et al[23]在对来自巴基斯坦的500例头颈癌患者和500例健康对照者UPRmt通路的多态性进行研究时发现,UPRmt途径的SIRT3/FOXO3a/SOD2轴基因的单核苷酸多态性与头颈癌风险增加有关,在线粒体蛋白毒性应激下,FOXO3a在细胞核中积累并被去乙酰化。为明确SIRT3在其中的意义,Wang et al[24]研究发现通过shRNA抑制SIRT3后,FOXO3a的核易位被消除。综上所述,对于UPRmt的全面了解能为肿瘤的诊断和治疗提供新的思路。

3.3 Sirtuins和UPRmt与代谢性疾病的关系代谢性疾病主要是指机体的物质代谢或能量代谢异常,通常表现为全身多系统异常。在饮食诱导的脂肪性肝炎的研究中发现,miR-29a通过抑制糖原合成酶激酶-3β进而抑制SIRT1介导的线粒体生物发生,从而缓解脂肪性肝炎中的线粒体应激和UPRmt,为肝脏保护提供了新的见解[25]。

Zhao et al[26]发现,邻苯二甲酸二酯[Di (2-ethylhexyl) phthalate,DEHP]引起的肝毒性表现为肝脏脂肪变性和纤维化,线粒体超微结构的损伤表现为线粒体膜电位下降、线粒体体积密度下降等,进一步导致了PTEN 诱导假定激酶 1(PTEN-induced putative kinase 1,PINK1)/E3 泛素连接酶 Parkin(E3 ubiquitin protein ligase,Parkin)介导的线粒体自噬,进一步,Pink1和Parkin与热休克转录因子1激活的热休克蛋白相互作用,激活UPRmt通路,从而使线粒体质量控制稳态失衡。此外,还发现番茄红素可以通过调节SIRT1/PINK1/线粒体自噬轴和UPRmt减轻DEHP诱导的肝脏线粒体功能障碍[26]。

线粒体自噬与UPRmt对线粒体功能障碍具有保护作用,此外,线粒体功能障碍与阿尔兹海默病(Alzheimer′s disease,AD)的发病相关。Pillai et al[27]发现厚朴酚(magnolol,HKL)可以改善AD模型小鼠的认知障碍、β淀粉样蛋白积累和突触损伤,并且HKL治疗能够促进线粒体自噬和UPRmt,同时减轻线粒体功能障碍。HKL已被公认为是多种疾病中SIRT3的激活因子,如心肌肥厚症。而SIRT3活性与NAD+/NADH比值呈正相关,因此,HKL可能通过介导NAD+/NADH比值调控SIRT3的表达和活性[28]。并且,HKL上调了AD模型小鼠中CHOP、Hsp60、Hsp10、ClpP的表达,而SIRT3的缺失则降低了这些变化,同时,SIRT3的缺失也降低了细胞AD模型中CHOP和Hsp60的表达水平,提示线粒体自噬和UPRmt之间可能存在潜在关系[28]。

SIRT3通过线粒体蛋白去乙酰化从而参与脑缺血/再灌注损伤,但UPRmt有利于线粒体在各种应激条件下维持蛋白质稳态[29]。Xie et al[29]发现,在脑缺血异常后,大脑中SIRT3丰度受到抑制,体内过表达SIRT3可抑制脑缺血/再灌注损伤后的梗死面积,减轻神经炎症反应。SIRT3过表达通过减少线粒体ROS合成、维持线粒体膜电位和改善线粒体ATP合成来恢复神经活力,并且这一过程是通过触发FOXO3/鞘氨酸激酶1(sphingosine kinase-1,SPHK1)通路的UPRmt来保护神经元线粒体免受脑缺血后功能障碍。综上,UPRmt的激活有助于保护神经活力和线粒体稳态,且SIRT3/FOXO3/SPHK1通路是促进缺血性卒中治疗的候选途径。

线粒体疾病是由编码线粒体结构或功能蛋白的核DNA (nDNA)和线粒体DNA (mtDNA)基因突变引起的遗传疾病。研究[30]显示,CoC3(由紫檀苯乙烯、烟酷胺、核黄素、疏胺素、生物素、疏辛酸和 1-肉碱组成的线粒体鸡尾酒组合)增加Sirtuins的活性和激活UPRmt,并在线粒体疾病的细胞模型中,CoC3联合线粒体辅助因子治疗可以激活SIRT3和UPRmt,提高Sirtuins水平和线粒体活性,从而改善线粒体稳态,减轻线粒体突变的负面影响。

4 小结与展望

UPRmt与衰老、肿瘤以及多种代谢性疾病有关,Sirtuins具有调节表观遗传和翻译后修饰的能力,可以调节线粒体应激反应,是线粒体应激反应不可或缺的调节剂。因此,随着Sirtuins的相关抑制剂以及激动剂的出现,有望通过改善UPRmt和线粒体应激,来改变衰老、肿瘤以及一些代谢性疾病的进展。然而,目前的研究仅限于干预Sirtuins后对UPRmt的影响,其潜在的分子机制仍有待于进一步研究。