衰老是生物体在遗传因素和内外环境相互作用下出现进行性,不可逆的生理功能下降的生物学过程。早在 75 年前,McCay 和他的同事首先发现热量限制的大鼠比自由饮食的大鼠寿命更长。尽管这一发现已经过去了很久,但对于促使寿限延长的分子机制一直扑朔迷离。最初在酵母中发现的沉默信息调控因子 2( Sir2) ,是一种 NAD+依赖性去乙酰转移酶,在对于酵母寿限的调节方面发挥着重要的作用。后来,在通过热量限制延长酵母寿限方面,发现 Sir2 在其中起重要作用。这些发现推出了生物学中一个新的领域: 对于 Sir2 以及其在哺乳动物中的同源蛋白———Sirtuins 家族的研究。其中,SIRT1 抗衰老作用经历了肯定,质疑,再到肯定的一个过程; SIRT6 则是Sirtuins 家族具有抗衰老作用的另外一个重要的家族成员。
1、 Sirtuins 家族成员及其与衰老长寿的关系
Sirtuins 家族主要有 7 个蛋白成员: SIRT1-SIRT7。它们在细胞中分布较为广泛,功能也较为多样。Michishita 等 2005 年研究发现 SIRT1、SIRT6 和 SIRT7 分布于细胞核中的不同部位,SIRT1 主要分布于核小体内,SIRT7 主要存在于核仁,SIRT2 通常存在于胞浆中,而线粒体中存在较多的是 SIRT3、SIRT4 和SIRT5,其中 SIRT3 主要在线粒体内膜,SIRT5 多分布于线粒体内膜腔和基质中。Sirtuins 蛋白家族在细胞中的广泛分布,参与调控细胞分化与凋亡,细胞周期,新陈代谢与基因组稳定等方面。由于 Sirtuins 是一种 NAD+依赖性组蛋白去乙酰化酶,因而它通过赖氨酸去乙酰化来改变蛋白质的活性以及稳定性来调控衰老过程。Sirtuins 家族中,目前已知 SIRT1、SIRT3 和SIRT6 与衰老和长寿有关,其中 SIRT1 和 SIRT6 与调控衰老及长寿的关系最为密切,是探究衰老机制与干预的研究热点和方向,并且已经在许多方面取得了重大进展。基于此,本文重点综述 SIRT1 和 SIRT6 最新研究进展。
2、 SIRT1 的研究进展
人类的 Sirtuins 家族中 SIRT1 是与 Sir2 同源性最高的同系物,主要位于细胞核内。SIRT1 除了能够调节细胞衰老,细胞增殖与凋亡,炎症反应以及维持机体新陈代谢外,还参与许多老年相关疾病的预防,如癌症,阿尔茨海默病和 2 型糖尿病等,并在其进展中发挥重要的保护作用。Sirtuins 蛋白的过表达曾被报道可以延长酵母、果蝇和线虫的寿命。在小鼠进行的SIRT1 的实验研究结果表明,进行热量限制 1 年的小鼠体内SIRT1 的基因高水平表达,并且细胞的存活能力显著增强。
p53 是 SIRT1 的一种生理性底物,是调节细胞凋亡与老化的一个重要蛋白。2004 年 Luo 等通过研究证明,SIRT1 通过去乙酰化抑制 p53 蛋白的活性,减少通过此途径的细胞凋亡并抑制生长,从而延长细胞寿命; 另一方面,端粒长度是细胞的生物钟,SIRT1 通过参与对端粒的调控来调节细胞的寿命; 再者,SIRT1能够调控能量代谢,通过代谢相关基因促使胰岛 β 细胞分泌胰岛素,并抑制脂肪增长。因而 SIRT1 在抗衰老领域被称作“抗老衰因子”,是目前研究的重要靶点和热点。
然而,Fabrizio 等对酵母研究发现,缺乏 Sir2 酵母与野生型酵母相比,能扩展酵母的寿限,与 Sir2 去乙酰化酶维持细胞复制寿限相矛盾。Chua 2005 年通过研究发现 SIRT1 在慢性亚致死量的毒性环境下能够引发小鼠胚胎中成纤维细胞的凋亡,由此认为 SIRT1 在不同的细胞环境中对衰老的调节作用可能会有所不同。此外,2011 年 Burnett 等通过重复实验研究证明:Sir2 的过表达对于线虫和果蝇的寿限的延长没有影响,且与CR 所引起的长寿没有关系。SIRT1 调控衰老的作用受到了质疑,其在调节细胞寿命方面的作用也在进一步探索中。
研究发现,SIRT1 的基因表达水平在衰老小鼠的胚胎成纤维细胞、肺上皮细胞、人类内皮细胞以及暴露于氧化剂中的巨噬细胞中有所降低。在啮齿动物中,SIRT1 同样呈现出年龄相关性的降低。缺乏 SIRT1 的小鼠比同窝出生的其他野生小鼠体积小且衰老更快。SIRT1 通过防止应激性过早衰老而产生内皮保护功能,从而调节因内皮功能障碍引起的心血管疾病的发展。
近年 Hubbard团队通过对调节 SIRT1 机制的药物进行十余年研究后发现 Sirtuins 蛋白激活化合物( STACs) 存在变构激活 SIRT1 的共同机制。该团队最新研究证实 SIRT1 对于许多与年龄增长有关疾病仍然是一个可行的治疗性干预靶点。
SIRT1 的底物之一是转录因子 FOXO3。在慢性阻塞性肺病小鼠,肺 SIRT1 表达水平下降,导致转录因子 FOXO3 乙酰化和降解,肿瘤抑制基因 p21 和 p16 增加而出现肺上皮细胞衰老和肺功能损伤; 通过遗传学操作过度表达 SIRT1 或使用 SIRT1 药理学激动剂 SRT1720,能减轻吸烟等引起的肺细胞衰老和延缓慢性阻塞性肺病的发生。其机制是通过去乙酰化 FOXO3,减弱其降解,从而阻止 P21 和 p16 激活引起的肺细胞衰老。除了FOXO3,其他许多参与细胞应激反应信号和细胞衰老的 SIRT1蛋白底物也已被确定,包括 Ku70/Ku80,细胞外因子/β-连环蛋白和沃纳综合征蛋白( Werner syndrome protein)。Howitz等 2003 年研究发现,存在于葡萄和葡萄酒中的多酚类物质白藜芦醇( Resveratrol,RES) 是抗衰老药物。RES 不仅能够发挥抗氧化剂的作用从而可预防肿瘤,最近还被认为是 SIRT1 的活化剂,通过抑制 cAMP 磷酸二酯酶使 cAMP 含量升高,并升高NAD+,从而激活 SIRT1。此外,它还能够激发 AMP-活化蛋白激酶的磷酸化,并能够降低生物标记物在实验室环境中的氧化损伤。白藜芦醇能够通过激活 SIRT1 从而模拟出热量限制来延长寿命的效果。尽管 RES 在许多老年性疾病中能够发挥一定的作用,然而根据老年人生理特点,其在人体内生物利用率较低,消除半衰期较短,每天使用量较大; 由于 RES 还能够激活除 SIRT1 之外的多种蛋白激酶,不同浓度的 RES 发挥的作用也不尽相同,相同浓度的 RES 作用于不同的靶细胞也会起到不同的作用。因而在使用 RES 是还应注意考虑其可能产生的副作用。
最新的证据表明 AMPK 和 SIRT1 之间有一定相似性。他们对许多生理过程都具有相似的影响,这些生理过程包括细胞代谢,炎症反应以及线粒体功能。这些相似性是由于 AMPK 和SIRT1 之间能够相互调节,而且他们拥有一些相同的目标分子。
这些研究成果以及当前许多实验室对常见催化剂以及 SIRT1和 AMPK 目标分子的研究成果促使人们开始检验 SIRT1 和主要的上游 AMPK 激酶( Liver Kinase B1) 之间可能存在的联系。比如说,Hou 等人在 2008 年发现了一种 SIRT1/LKB1/AMPK 的信号机制,这个机制证实了多酚类物质( 白藜芦醇,SI17834) 只有在 SIRT1 和 LKB1 同时存在时,才能激活存在于人工培养的 HepG2 细胞和小鼠活体内肝脏细胞中的 AMPK。
3、 SIRT6 的最新研究进展
SIRT6 主要存在于细胞核,在 Sirtuins 家族中有举足轻重的地位。North 等 2003 年研究结果表明 SIRT6 具有去乙酰化的活性,因而对研究 SIRT6 在抗衰老领域引起了广泛的关注。除此之外,SIRT6 还有很强的 ADP-核糖基转移酶活性,能够自发地催化自身 ADP-核糖基转移反应。SIRT6 具有与 Sir2 相似的生物学功能,除了能够延缓衰老,调节新陈代谢以及修复损伤的 DNA 之外,在近期的研究中发现了其新的生理特性,Mostos-lavsky 等在实验中将小鼠体内 SIRT1-SIRT77 个蛋白基因依次敲除,只敲除 SIRT6 的小鼠与其他小鼠相比,出现了寿命缩短的现象,伴有骨密度降低、皮下脂肪减少、淋巴细胞减少等早衰症状,严重者还会出现代谢失调,如胰岛素样生长因子 1( IGF-1) 水平急剧降低,血糖下降,并在出生 4 w 后因血糖过低而死亡。由此可知,SIRT6 对于维持内分泌代谢稳定以及血糖的调节有着重要的作用。此外,SIRT6 缺失的小鼠因缺少了DNA 损伤后的碱基切除修复( Base Excision Repair,BER) 方式,表现出对 DNA 损伤敏感度增高,基因组稳定性降低,容易出现染色体易位和缺失。Kaidi 等通过研究发现,SIRT6 可以与C-端结合蛋白( CtBP) 以及 CtBP 结合反应蛋白( CtIP) 协同发生作用,促进 DNA 碱基切除修复,从而使其基因组保持稳定。
目前国际上许多学者将衰老同炎症反应联系起来,认为SIRT6 能够影响炎症信号通路,尤其是核转录因子 κB ( NF-κB)。NF-κB 是一种能与免疫球蛋白 K 轻链基因的增强子序列特异结合的蛋白因子,通常与其抑制蛋白 IκB 结合成无活性的形式存在于胞浆中,诱导激活信号可使它们分离。该信号通路存在于宿主免疫应答体系中,参与调控炎症反应、氧化应激和基因毒性应激等之外,也参与调节细胞凋亡、自体吞噬等几种机体自身稳态机制。进一步的研究表明,SIRT6 能够与 NF-κB 的 RELA 亚型相互作用,使 NF-κB 靶基因启动子组蛋白3 的赖氨酸9( histone H3 lysine 9,H3K9) 位点去乙酰化,以减弱 NF-κB 的信号,减少下游炎症靶基因转录,从而减轻细胞衰老、凋亡以及相关炎症反应等生物学效应。
Hong Jiang近报道 SIRT6 通过水解长-链脂性酰基赖氨酸,调节 TNF-α 分泌,有助于机体抗炎效应而达到抗衰老作用。
在维持机体能量代谢方面,SIRT6 的关键干预靶点为低氧诱导因子 1α( Hif-1α) 。ADP 核糖聚合酶 1( PARP1) 、NF-κB 以及 Hif-1α 都是转录因子,SIRT6 能够对 PARP1、NF-κB 以及Hif-1α 这三个转录因子在组蛋白上进行去乙酰化而起到调控作用,使它们在参与其各自炎症反应、下游 DNA 的损伤修复以及调控与糖类、脂类等能量代谢相关酶的表达或功能方面表现出有利于机体自身的效应。生物体之所以能在演变过程中维持基因组结构与功能的相对稳定,也许正是通过减少炎症因子对机体的不良作用,减少 DNA 的损伤,以及提高与能量代谢有关酶的正常生理活动,以达到改善能量代谢功能低下与紊乱状态,从而显现出延缓衰老的效应,使机体在最大程度上保持相对年轻的状态。目前有关 SIRT6 蛋白的基础研究结果已经显示,能够促进 SIRT6 蛋白表达或活性的药物分子,在延缓衰老、治疗衰老相关疾病以及延长寿命等方面有可能发挥一定的潜力。
在临床实践中也发现许多中药具有提高机体免疫能力,预防保健,延缓衰老的功效。例如补阳药中的代表药物淫羊藿,归肝肾经,长于补肾壮阳。陈洋等首先经过实验研究,初步提出淫羊藿中的提取物淫羊藿苷( Icariin,ICA) ,对 SIRT6有一定的激活作用。在较低的药物浓度环境下仍有显著的激活作用,且对于 SIRT6 的激活效应明显优于其对照组白藜芦醇( RES) 。淫羊藿苷( ICA) 通过其对 SIRT6 酶蛋白的激活,使年老小鼠体内 SIRT6 的表达程度提高,并且抑制 NF-κB 蛋白表达以及机体炎症反应。该结果提示淫羊藿苷( ICA) 发挥效应的新靶点与 NF-κB 信号通路和 SIRT6 组蛋白去乙酰化酶之间有密切的关系。
此外,还有研究结果证明,淫羊藿苷( ICA) 能够减轻与衰老相关的认知功能缺陷,其的机制之一可能与淫羊藿苷能够激活神经干细胞( neural stem cells,NSCs) 有关。综合上述多方面研究,淫羊藿苷( ICA) 在抗衰老领域具有很大的潜力,其低浓度高效应的特点在抗衰老药物中占有极大的优势。目前还应继续对其进行实验研究及循证医学观察,获得更多在抗衰老方面有效力的证据,使其能够更好地发挥抗衰作用。
4、 Sirtuins 家族的治疗前景及展望
Sirtuins 家族成员能够调控多种机体生理过程,具有多种生物学效应,因而成为了干预衰老和衰老相关疾病中备受关注的潜在靶点。Sirtuins 家族在代谢适应性反应中起着关键的调节作用,也同包括代谢失调,癌症,炎症反应,心脏肥大以及神经退行性变在内的増龄性疾病有着密切的联系。不同合成激活物调节 SIRT1 的共同的变构机制的发现使得从大量的 SHIRT1激活物中选择活性最高在人体进行试验成为可能。SIRT6 是另一个理想的“长寿因子”,成为研究人类抗衰老的关键靶点。
从传统的中药筛查有效的 SIRT1 和 SIRT6 的激活物将是未来寻找有效抗衰老药的一个重要研究领域。然而,目前存在的关键的问题在于 SIRT1 在抗衰老研究尚存在两种不同的观点,至今还没有直接证据证明究竟哪一种观点是错误的或是片面的。对于调节 Sirtuins 蛋白表达和活性,以及调节这些蛋白的精确刺激物的分子机制依然缺乏全面的了解。不同的 Sir-tuins 蛋白的活性是是否具有相同的作用和相似的作用机制?
这些问题有待进一步的研究。