線粒體SIRT3在器官纖維化中作用的研究進展

祁俊清，曹夢菲，趙倩茹，尹 俊

(1. 江蘇大學附屬人民醫(yī)院 心胸外科, 江蘇 鎮(zhèn)江 212002；2. 江蘇大學附屬醫(yī)院 心內科, 江蘇 鎮(zhèn)江 212001；3. 復旦大學附屬中山醫(yī)院 胸外科, 上海 200032)

纖維化是一種由異常傷口愈合反應引起的病理過程，往往引起細胞外基質過度沉積、器官結構重塑和功能喪失。器官纖維化(如心肌纖維化、肝硬化以及肺纖維化、腎臟纖維化等)是幾乎所有慢性疾病的終末期表現(xiàn)。線粒體功能障礙所涉及到的氧化還原失衡、代謝表型轉變、炎性反應以及細胞凋亡/衰老是介導纖維化應答的重要機制，SIRT3調控線粒體的作用有望為臨床防御器官纖維化提供新的治療策略。沉默信息調節(jié)子(Sirtuin)家族(SIRT1-7)是一類功能強大的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴性去乙酰化酶。SIRT3在所有的線粒體Sirtuins中顯示出最強的脫乙酰酶活性。SIRT3通過脫乙?；饔谜{節(jié)多種線粒體蛋白(目前已報道超過84個)， 幾乎涉及線粒體生物學的各個方面， SIRT3消耗、缺乏所導致的線粒體功能紊亂涉及到多種器官纖維化的發(fā)生、發(fā)展。

1 SIRT3概述

SIRT3在細胞內主要定位于線粒體，SIRT3有著高度保守的氨基酸催化核心區(qū)域，并以NAD+依賴性方式發(fā)揮其去乙酰化作用。SIRT3核心區(qū)域包含一個由Rossmann折疊構成的大結構域(NAD+特異性結合位點)和一個由螺旋束、鋅結合基序組成的小結構域，SIRT3的底物結合位點則位于兩個結構域之間。此外，在細胞質和細胞核中我們同樣鑒定出SIRT3的表達。值得說明的是，SIRT3不僅能去除乙?；€能夠去除丙?；?、丁?；?、巴豆?；鶊F等，但是脫乙?；饔檬瞧渥钪饕⒁彩茄芯孔顝V泛的功能。

2 器官纖維化中SIRT3對線粒體功能的影響

2.1 SIRT3與線粒體代謝

生理狀態(tài)下，線粒體氧化磷酸化反應為細胞提供維持生命活動所需要的大部分能源。丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase，PDH)是糖酵解和三羧酸循環(huán)中的關鍵，SIRT3可以通過去乙酰化提高PDH的活性，從而調控葡萄糖的氧化[1]，在器官纖維化中發(fā)揮重要作用。而在非酒精性脂肪肝動物模型中，SIRT3介導的去乙酰化負向調節(jié)脂酰CoA合成酶(acyl-CoA synthetase，ACS)表達，從而緩解高脂肪飲食引起的脂肪酸代謝紊亂和肝臟纖維化[2]。此外，SIRT3還能調控氨基酸代謝和酮體生成，但其對器官纖維化是否會產生影響仍未可知。

2.2 SIRT3與線粒體氧化應激

生理水平的活性氧自由基(ROS)對于正常氧化還原信號通路的調節(jié)至關重要，而過多的ROS則會激活多種炎性介質，例如核因子kappa B(NF-κB)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、核苷酸寡聚結構域樣受體蛋白3 (NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3) 炎性小體，刺激成纖維細胞增殖、遷移、活化；同時氧化應激還導致基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)活化、細胞外基質降解、重構。在心、腎等富含線粒體的高能量代謝組織器官中，線粒體電子傳遞鏈(ETC)是ROS產生的主要來源。在細胞遭受各種應激時，線粒體ETC功能失調、發(fā)生電子泄露以及ROS過量生成。復合體Ⅰ是產生線粒體ROS最重要的貢獻者之一[3]。低水平NAD+/NADH比率抑制SIRT3脫乙酰酶活性，從而導致復合體Ⅰ過度乙?；?。更有證據(jù)表明，SIRT3可直接與其多個亞基(NDUFA9、NDUFA11等)結合，通過去乙酰化修飾調節(jié)其活性。SIRT3同樣使其他ETC復合物脫乙酰化以保證線粒體ETC進行有序、高效的電子傳輸，從而減少ROS的生成和ATP產量最大化。

2.3 SIRT3與線粒體動力學

線粒體通過融合、分裂以及自噬來維持其不同狀態(tài)下數(shù)量和質量的相對穩(wěn)定，這一過程被定義為線粒體動力學。間質性肺病和心肌纖維化等多種組織器官纖維化中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)線粒體動力學嚴重失衡，偏向于線粒體分裂和碎片化，同時線粒體融合和自噬受損。有研究表明，視神經(jīng)萎縮1蛋白(optic atrophy protein-1，OPA1)含有乙?；揎椢稽c并且過度乙?；瘯种破銰TP酶活性，而SIRT3能夠靶向去乙?；疧PA1從而保留其活性[4]。SIRT3激動劑通過上調OPA1、線粒體融合蛋白1(mitochondrial fusion protein1，Mfn1)和線粒體融合蛋白2(mitochondrial fusion protein2，Mfn2)的表達水平促進線粒體融合、逆轉線粒體衰老進程[5]。SIRT3缺失導致線粒體分裂因子表達增加和動力相關蛋白1(dynamin-related protein1，Drp1)募集，同時伴隨著OPA1的降低，線粒體內外膜斷裂、線粒體分裂。除了融合和分裂，適當?shù)木€粒體自噬有助于清除受損、老化的線粒體，保持線粒體功能的穩(wěn)定。老年相關的心肌纖維化、糖尿病腎病以及非酒精性脂肪肝等纖維增殖性疾病中表現(xiàn)出線粒體自噬抑制和SIRT3水平降低，過表達SIRT3有助于恢復線粒體自噬水平和改善纖維化程度[6]。

3 SIRT3調控器官纖維化的機制

3.1 SIRT3與心肌纖維化

心肌纖維化是冠心病、高血壓、心臟瓣膜病等多種心血管疾病發(fā)展至心力衰竭的重要原因。根據(jù)組織化學特征，心肌纖維化分為：代替凋亡心肌細胞的修復型(如急性心肌梗死)和沒有明顯心肌細胞丟失、分布在血管以及心肌間質的應答型心肌纖維化。如前所述，氧化應激的產生對于各種心肌纖維化模型中心肌成纖維細胞的活化至關重要。臨床研究發(fā)現(xiàn)，在心肌梗死后心室重塑、壓力過負荷型以及糖尿病心肌病等心室重構患者中的抗氧化系統(tǒng)受損、ROS過度產生，已有證據(jù)證實這與SIRT3水平降低導致的MnSOD2、FoxO3a乙酰化增加密切相關；靶向SIRT3/MnSOD2可改善心肌纖維化程度[7]。此外，SIRT3也通過抑制線粒體裂變和恢復線粒體自噬來維持線粒體穩(wěn)態(tài)，從而減輕纖維化程度和心功能障礙[8]。故而，無論何種原因導致的心肌纖維化都與調控線粒體功能的SIRT3密切相關。

3.2 SIRT3與肺纖維化

氧化應激和炎性反應導致肺泡上皮細胞損傷和成纖維細胞-肌成纖維細胞分化是肺纖維化病理生理學中的關鍵事件。作為抗氧化反應和調節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)的重要分子，SIRT3在特發(fā)性肺纖維化患者的肺部纖維化區(qū)域表達降低；進一步的小鼠模型證實：SIRT3缺陷促使抗氧化分子MnSOD2和IDH2乙酰化失活，而過表達SIRT3則能使小鼠免受石棉誘導的肺纖維化[9]。除此以外，SIRT3還通過促進線粒體DNA損傷修復來改善石棉和博來霉素誘導的肺部纖維化。具體而言：SIRT3通過維持8-羥基鳥嘌呤DNA糖苷酶(8-oxoguanine DNA glycosylase，OGG1)(一種DNA修復酶，可將氧化鳥嘌呤水解為鳥嘌呤)水平來改善氧化應激誘導的線粒體DNA損傷[10]。因此，提高SIRT3的表達在肺纖維化的治療中具有一定的意義。

3.3 SIRT3與腎纖維化

腎小管上皮細胞以高能量代謝需求為特征且依賴線粒體氧化磷酸化為能量來源，這種代謝方式在各種疾病導致的繼發(fā)性腎纖維化中受到破壞。在單側腎切除+缺血再灌注誘導的急性腎損傷(acute kidney injury，AKI)小鼠模型中，SIRT3表達持續(xù)下降，纖維化相關蛋白FN及α-SMA蛋白表達量均顯著增加，SIRT3可能是參與AKI后早期纖維化的重要分子[11]。乙?；蔷€粒體代謝的重要翻譯后修飾，在單側輸尿管梗阻誘導的腎纖維化早期階段即出現(xiàn)線粒體乙?；黾右约癝IRT3表達降低，SIRT3基因敲除小鼠表現(xiàn)出高度線粒體蛋白乙?；透鼮閲乐氐哪I纖維化[12]。此外，右美托咪定可通過上調SIRT3的表達進而減輕小鼠腎缺血再灌注損傷[13]。糖尿病腎病是導致終末期腎病的主要原因，SIRT3亦被證實通過阻斷TGF-β/Smad-3信號通路以及調節(jié)線粒體自噬從而對糖尿病腎病起到保護作用[14]。內皮-間質轉化(endothelial to mesenchymal transition，EndoMT)是促進慢性腎纖維化的潛在重要因素。在血管緊張素2(Ang Ⅱ)模擬的高血壓腎病模型中SIRT3表達顯著降低，并且伴隨著EndoMT、ROS的形成以及腎臟的纖維化；與之相反，Ang Ⅱ誘導的EndoMT、氧化應激以及腎纖維化在SIRT3內皮細胞特異性過表達轉基因小鼠中得到改善[15]；在原代小鼠腎小球內皮細胞中，SIRT3的去乙酰化和FoxO3a的核定位激活了FoxO3a過氧化氫酶的表達，而沉默F(xiàn)oxO3a則消除SIRT3介導的EndoMT抑制，SIRT3-FoxO3a-過氧化氫酶對于抑制EndoMT、維持內皮穩(wěn)態(tài)、改善高血壓性腎纖維化起重要作用[16]。因此，SIRT3能夠從多個方面影響腎纖維化，針對SIRT3的深入研究有望為腎纖維化的治療提供幫助。

3.4 SIRT3與肝纖維化

肝纖維化是肝硬化的病理基礎，也是所有慢性肝病從肝硬化發(fā)展至肝衰竭的必經(jīng)階段。炎性反應、氧化應激是介導肝纖維化發(fā)生發(fā)展的重要信號傳導通路。促炎因子和ROS導致肝星狀細胞活化，進而引發(fā)纖維化反應。在四氯甲烷誘導的肝損傷大鼠模型中，SIRT3通過阻斷活化的肝星狀細胞中NF-κB P65亞基核轉位來減輕炎性反應[17]。非酒精性脂肪肝以脂質代謝紊亂、脂質蓄積為特征，研究發(fā)現(xiàn)：線粒體損傷與高脂誘導的非酒精性脂肪肝的進展有關；SIRT3在非酒精性脂肪肝疾病模型中表達下調，而過表達SIRT3則能減輕炎性反應、線粒體凋亡以及肝纖維化；此外，該項研究還發(fā)現(xiàn)SIRT3通過激活ERK-CREB通路恢復線粒體自噬從而保護肝功能[18]。因此，SIRT3對肝纖維化起到保護作用，可能會成為肝纖維化新的治療靶點。

4 SIRT3作為器官纖維化的治療靶點

4.1 天然產物

大多數(shù)SIRT3激動劑來源于天然產物。葡萄和藍莓的提取物白藜蘆醇最初被定義為SIRT1激動劑，后來被證實亦可增加SIRT3的表達。白藜蘆醇通過誘導SIRT3激活抑制TGF-β/Smad-3通路，從而改善心肌纖維化，還能保留線粒體功能從而預防肺動脈高壓導致的右心室纖維化重構[19]。厚樸酚(honokiol)是一種源自木蘭樹皮的天然雙酚類化合物，也是目前公認的SIRT3激動劑，厚樸酚誘導的SIRT3激活可改善線粒體乙?；讲p輕單側輸尿管梗阻后腎臟纖維化[20]?；⒄溶帐且环N單晶多酚類化合物，通過激活SIRT3從而恢復自噬，改善心肌梗死后心室重塑以及糖尿病心肌病[21]。

4.2 小分子合成藥物

此外，一些化合物也具有激活SIRT3的能力。二甲雙胍介導的SIRT3-AMPK軸活化有助于延緩代謝綜合征并發(fā)的肺動脈高壓和心肌纖維化[22]。褪黑色素在增加SIRT3表達的同時提高其活性，通過抑制氧化應激、促進自噬等多種途徑改善糖尿病心肌病以及空氣細顆粒物導致的心肌纖維化[23]。具有強效抗氧化特性的降膽固醇藥物普羅布考可以通過恢復SIRT3 表達來改善肺上皮間質轉化和肺纖維化[24]。過氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferators-activated receptor α，PPARα) 激動劑非諾貝特則通過激動SIRT3-Wnt信號通路來防止肝細胞內鐵積累誘導的氧化應激和肝纖維化[25]。

5 問題與展望

綜上所述，SIRT3作為線粒體功能的重要調節(jié)因子，主要通過氧化應激和線粒體代謝等在不同的器官纖維化中起到保護作用，增加SIRT3的表達或者上調其下游分子的表達可能會成為器官纖維化新的治療靶點。目前，在天然植物和小分子合成藥物中發(fā)現(xiàn)多種SIRT3激動劑，且已被證實能夠改善器官纖維化，但這些藥物在激動SIRT3的同時，也上調其他Sirtuins的表達，普遍缺乏特異性。其次，過度追求SIRT3激活可能會導致腫瘤的發(fā)生。因此，SIRT3激動劑走入臨床治療尚有很長的路要走，且目前SIRT3在器官纖維化的作用機制也尚未完全闡明，未來有必要對SIRT3發(fā)揮作用的具體機制進行更深入的研究，尋求有選擇性的SIRT3激動劑以及靶向SIRT3下游分子可能會是更好的選擇。