Sir2蛋白對動物壽命調控機制的研究進展

宋文菲 余玉生 楊晶 苗春輝

摘 要：Sir2蛋白是一類廣泛存在于古生菌到哺乳動物中的進化保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依賴性去乙酰化酶，能夠影響生物體的rDNA沉默、DNA修復、rDNA穩(wěn)定性、端粒消耗等生命活動，并通過能量限制、胰島素生成、糖穩(wěn)態(tài)和脂質穩(wěn)態(tài)等方式對動物壽命進行調控。該文從Sir2蛋白的生物學、功能特性以及對動物壽命的調控作用等方面綜述了Sir2蛋白對動物壽命調控機制的研究進展。

關鍵詞：Sir2蛋白;動物壽命;調控機制

中圖分類號 S852.23文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）20-0021-02

生物體壽命的調控機理一直是生物學研究的熱點問題，研究發(fā)現，生物體壽命是由遺傳和環(huán)境因子共同組成的數量性狀[1]，遺傳因子在細胞衰老中發(fā)揮了重要作用。通過對物種進行老化基因篩選和遺傳變異，已鑒定出許多影響生物體衰老和壽命的蛋白基因。其中，沉默信息調節(jié)子2（Silent information regulator 2，Sir2）蛋白是一類存在于古生菌到哺乳動物中高度保守的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依賴性去乙?；竅2]，目前已發(fā)現部分Sir2基因是延長釀酒酵母、秀麗隱桿線蟲、黑腹果蠅、小鼠等壽命中的關鍵基因[2-5]。Sir2蛋白不僅從遺傳因子影響生物體的壽命，還從限制熱量的代謝方面調節(jié)細胞的衰老進程[6-7]。為此，本文對Sir2及其同源蛋白的結構、生物學與功能特性，以及Sir2基因對動物壽命調控的機制進行了綜述，以期為研究其他動物壽命相關的Sir2同源蛋白提供理論依據。

1 Sir2蛋白結構與酶活性

1.1 結構 釀酒酵母的Sir2是最早發(fā)現的Sir2蛋白家族成員，該蛋白大約包含275個氨基酸保守催化區(qū)域，已知催化核心區(qū)域結構具有高度的結構疊加，核心區(qū)域細長狀，包含1個同源結構的羅斯曼折疊區(qū)，具有NAD+/NADH結合蛋白的特征，有1個結構多樣化，較小的鋅離子結合區(qū)，2個區(qū)域由一系列環(huán)形結構連接，環(huán)狀結構在2個區(qū)域間形成明顯的延伸裂縫，NAD+和含有肽底物的乙酰ysine從2對面進入與酶結合[8]。

1.2 酶活性 研究表明，在釀酒酵母中組蛋白脫乙?；荢ir2蛋白的主要生物學作用。Sir2基因缺失會引起酵母rDNA區(qū)域的組蛋白H3和H4的乙?；黾印９壍膁Sir2蛋白是酵母Sir2蛋白的同源物，在體外dSir2是一種活性較好的脫乙酰酶，對組蛋白H4有去乙?；饔?。人類的Sirt1（Sir2蛋白同源物）也是一種NAD+依賴性脫乙酰酶，位于細胞核內，與許多蛋白的去乙?；饔糜嘘P[9]。通過鈷胺素途徑發(fā)現，Sir2蛋白可能通過不同的反應方式催化相同類似物，來自于細菌、酵母和哺乳動物的Sir2蛋白可以把ADP核糖基從NAD+轉移到蛋白質載體上，證實了Sir2蛋白同時也是一種ADP核糖基轉移酶[10]。

2 Sir2蛋白功能特性

2.1 染色質沉默 在真核生物染色體中包含大量轉錄不活躍的區(qū)域，該區(qū)域位于中心粒和端粒附近，被稱為異染色質區(qū)域。染色質沉默是一種特殊染色質結構的轉錄沉默，它會阻礙轉錄，影響DNA的復制。例如，在釀酒酵母中，Sir2基因丟失會導致染色體穩(wěn)定性的降低和端粒長度的減少，Sir2、Sir3和Sir4蛋白是沉默配對型基因座和端粒上轉錄沉默所必需的[11]。其中，4個Sir2同源物（HST1-4）直接或間接地在轉錄沉默、細胞周期進程、輻射抗性和基因組穩(wěn)定性方面發(fā)揮了作用[12]。

2.2 DNA修復 真核細胞染色體DNA雙鏈斷裂（DSBs）的端部可通過2種不連續(xù)途徑進行重組，即同源重組和非同源端部連接（NHEJ）。NHEJ途徑對釀酒酵母細胞的DSBs修復至關重要，其中Sir2～4基因與NHEJ有關，Sir4在體內與NHEJ蛋白Yku70有相互作用，Sir2～4蛋白會對斷裂的DNA末端到DNA處理酶，以及Yku70或Yku80復合體產生影響。在哺乳動物中，Sirt1、Sirt6和Sirt7參與DSBs損傷修復，如Sirt1可增強因輻射引起的DNA鏈斷裂的修復能力;Sirt6敲除后細胞表現出基因組不穩(wěn)定和DNA損傷超敏感;Sirt7可通過減弱蛋白激酶（SAPK、p38和JNK）表達，將細胞從凋亡轉向衰老[13]。

3 Sir2對動物壽命的調控機制

3.1 調控模式 目前，已有Sir2對釀酒酵母、秀麗隱桿線蟲、黑腹果蠅、蜜蜂和家蠶等模式動物壽命影響的研究，其中對釀酒酵母和秀麗隱桿線蟲壽命調控研究較為透徹。釀酒酵母通過熱量限制模式對其壽命發(fā)揮調控作用，通過限制葡萄糖或降低cAMP-依賴性蛋白激酶（PKA）的活性來延長酵母壽命，而PKA活性的降低需要Sir2和NAD+的參與。熱量限制延長酵母壽命模式需要Sir2p和NAD+合成主要途徑的參與，NAD+可以有效激活酵母體內的Sir2p，而Sir2p的激活可以增加rDNA沉默和rDNA穩(wěn)定性來延長壽命[9]。秀麗隱桿線蟲壽命由胰島素/IGF信號通路控制，包括DAF-2跨膜受體、一系列細胞內激酶和DAF-16叉頭家族轉錄因子。在胰島素樣信號通路中，Sir-2.1轉基因在DAF-16的上游發(fā)揮作用，Sir-2.1通過下調胰島素信號通路發(fā)揮延長壽命的作用[14]。此外，白藜蘆醇和其他去乙?；福⊿irtuins）的激活劑，可以激活秀麗隱桿線蟲和果蠅體內的Sirtuins蛋白，并延長動物的壽命[15]。

3.2 調控作用 哺乳動物Sir2基因家族由7個成員組成，對小鼠的敲除模型發(fā)現，Sirt1缺失會引起小鼠出生后死亡，出現視網膜、骨骼和心臟缺陷;Sirt3缺失后小鼠發(fā)育正常，但AceCS2活性、ATP水平和線粒體蛋白乙酰化的變化;Sirt4缺失后小鼠身體健康，線粒體GDH活性增加;Sirt5缺失后引起小鼠尿素循環(huán)的缺陷;Sirt6缺失后小鼠出現早衰、低血糖綜合癥狀，并出現死亡;Sirt7缺失后小鼠壽命縮短，出現心肌病變[16]。人類Sir2同源蛋白與許多蛋白質相互作用，通過直接去乙?；蛘{節(jié)其許多已知的體內靶點，包括p53，Ku70/Bax，FOXO，PPARγ，PGC1α，UCP2，LXR和NFκB，可導致靶基因的轉錄抑制或激活，參與許多與年齡相關的人類疾病和生物學功能，包括細胞存活、凋亡、抗應激、脂肪儲存、胰島素生成、糖穩(wěn)態(tài)和脂質穩(wěn)態(tài)[17]。

4 結語

大量研究表明，激活并刺激Sir2基因可促進生物壽命，是生物抗衰老的重要基因之一。其家族成員中有許多基因參與細胞的新陳代謝過程，且在多種生物中發(fā)現通過熱量限制延長細胞壽命的現象，并影響哺乳動物的多種代謝通路（胰島素、葡萄糖和脂肪等）[18]。此外，Sir2蛋白可影響生物的rDNA沉默、rDNA穩(wěn)定性、DNA修復等生命活動。而在哺乳動物中，Sir2家族基因有7個，分布于細胞核和細胞質中，提示該家族基因可能參與了哺乳動物的遺傳變異和能量代謝過程。目前，Sir2家族基因主要集中在Sirt1基因的功能研究上，其余6個家族基因研究較少。近年發(fā)現Sirt2、Sirt6參與了人體的代謝、氧化應激和炎癥、腫瘤調控等方面的衰老過程[19-20]，說明Sir2蛋白在哺乳動物壽命調控中的多樣性和復雜性。因此，搞清楚其他Sir2家族基因在調控哺乳動物細胞壽命中的作用和功能，對于解析Sirtuin蛋白調控動物細胞壽命具有重要意義。

參考文獻

[1]Paaby A B，Schmidt PS. Dissecting the genetics of longevity in Drosophila melanogaster[J]. Fly，2009，3（1）：29-38.

[2]Whitaker R，Faulkner S，Miyokawa R，et al. Increased expression of Drosophila Sir2 extends life span in a dose-dependent manner[J]. Aging，2013，5（9）：682-691.

[3]Dillin A，Crawford D K，Kenyon C. Timing requirements for insulin/IGF-1 signaling in C. elegans[J]. Science，2002，298（5594）：830-834.

[4]Brachmann C B，Sherman J M，Devine S E，et al. The SIR2 gene family，conserved from bacteria to humans，functions in silencing，cell cycle progression，and chromosome stability[J]. Gene Dev，1995，9（23）：2888-2902.

[5]Guarente L. Sir2 links chromatin silencing，metabolism，and aging[J]. Gene Dev，2000，14（9）：1021-1026.

[6]Gottlieb S，Esposito R E. A new role for a yeast transcriptional silencer gene，SIR2，in regulation of recombination in ribosomal DNA. Cell，1989，56（5）：771-776.

[7]Lin S J，Defossez P A，and Guarente L. Requirement of NAD and SIR2 for Life-Span Extension by Calorie Restriction in Saccharomyces cerevisiae[J]. Science，2000，289（5487）：2126-2128.

[8]Howitz K T，Bitterman K J，Cohen H Y，et al. Small molecule activators of sirtuins extend Saccharomyces cerevisiae lifespan[J]. Nature，2003，425（6954）：191-196.

[9]Blander G，Guarente L. The Sir2 family of protein deacetylases[J]. Annu Rev Biochem，2004，73：417-435.

[10]Tanny J C，Dowd G J，Huang J，et al. An enzymatic activity in the yeast Sir2 protein that is essential for gene silencing[J]. Cell，1999，99（7）：735-745.

[11]Moazed D，Johnson A. A deubiquitinating enzyme interacts with SIR4 and regulates silencing in S. cerevisiae[J]. Cell，1996，86（4）：667-677.

[12]Allshire R，Nimmo E R，Ekwall K，et al. Mutations derepressing silent centromeric domains in fission yeast disrupt chromosome segregation[J]. Gene Dev，1995，9（2）：218-233.

[13]郭葦，劉勤獻，湯明，等.Sirtuins家族蛋白參與DNA損傷修復的研究進展[J].中國科學：生命科學，2017，47（6）：595-605.

[14]Tissenbaum H A，Guarente L. Increased dosage of a sir-2 gene extends lifespan in Caenorhabditis elegans[J]. Nature，2001，410（6825）：227-230.

[15]Wood J G，Rogina B，Lavu S，et al. Sirtuin activators mimic caloric restriction and delay ageing in metazoans. Nature，2004，430（7000）：686-689.

[16]Finkel T，Deng C X，Mostoslavsky R. Recent progress in the biology and physiology of sirtuins[J]. Nature，2009，460（7255）：587-591.

[17]Sanders B D，Jackson B，and Marmorstein R. Structural basis for sirtuin function：What we know and what we don′t[J]. Biochim Biophys Acta，2010，1804（8）：1604-1616.

[18]朱建國，周楊，段新平，等.與細胞衰老相關的sirtuin家族[J].生命的化學，2010，30（5）：744-750.

[19]羅蘇蘇，李鵬程，錢峰，等.長壽基因SIRT2在老年病中的調控作用[J].生命科學，2019，31（8）：756-762.

[20]李軍，魏繼武，蔣愛芹.SIRT6—— 一個重要的壽命和腫瘤調控蛋白質[J].生命的化學，2013，33（5）：514-520.

（責編：張宏民）