宋文菲 余玉生 楊晶 苗春輝

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

關(guān)鍵詞：Sir2蛋白;動(dòng)物壽命;調(diào)控機(jī)制

中圖分類(lèi)號(hào) S852.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）20-0021-02

生物體壽命的調(diào)控機(jī)理一直是生物學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，研究發(fā)現(xiàn)，生物體壽命是由遺傳和環(huán)境因子共同組成的數(shù)量性狀[1]，遺傳因子在細(xì)胞衰老中發(fā)揮了重要作用。通過(guò)對(duì)物種進(jìn)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(diào)節(jié)子2（Silent information regulator 2，Sir2）蛋白是一類(lèi)存在于古生菌到哺乳動(dòng)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(xiàn)部分Sir2基因是延長(zhǎng)釀酒酵母、秀麗隱桿線蟲(chóng)、黑腹果蠅、小鼠等壽命中的關(guān)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(diào)節(jié)細(xì)胞的衰老進(jìn)程[6-7]。為此，本文對(duì)Sir2及其同源蛋白的結(jié)構(gòu)、生物學(xué)與功能特性，以及Sir2基因?qū)?dòng)物壽命調(diào)控的機(jī)制進(jìn)行了綜述，以期為研究其他動(dòng)物壽命相關(guān)的Sir2同源蛋白提供理論依據(jù)。

1 Sir2蛋白結(jié)構(gòu)與酶活性

1.1 結(jié)構(gòu) 釀酒酵母的Sir2是最早發(fā)現(xiàn)的Sir2蛋白家族成員，該蛋白大約包含275個(gè)氨基酸保守催化區(qū)域，已知催化核心區(qū)域結(jié)構(gòu)具有高度的結(jié)構(gòu)疊加，核心區(qū)域細(xì)長(zhǎng)狀，包含1個(gè)同源結(jié)構(gòu)的羅斯曼折疊區(qū)，具有NAD+/NADH結(jié)合蛋白的特征，有1個(gè)結(jié)構(gòu)多樣化，較小的鋅離子結(jié)合區(qū)，2個(gè)區(qū)域由一系列環(huán)形結(jié)構(gòu)連接，環(huán)狀結(jié)構(gòu)在2個(gè)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(duì)面進(jìn)入與酶結(jié)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(xué)作用。Sir2基因缺失會(huì)引起酵母rDNA區(qū)域的組蛋白H3和H4的乙酰化增加。果蠅的dSir2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(duì)組蛋白H4有去乙?；饔?。人類(lèi)的Sirt1（Sir2蛋白同源物）也是一種NAD+依賴性脫乙酰酶，位于細(xì)胞核內(nèi)，與許多蛋白的去乙?；饔糜嘘P(guān)[9]。通過(guò)鈷胺素途徑發(fā)現(xiàn)，Sir2蛋白可能通過(guò)不同的反應(yīng)方式催化相同類(lèi)似物，來(lái)自于細(xì)菌、酵母和哺乳動(dòng)物的Sir2蛋白可以把ADP核糖基從NAD+轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)載體上，證實(shí)了Sir2蛋白同時(shí)也是一種ADP核糖基轉(zhuǎn)移酶[10]。

2 Sir2蛋白功能特性

2.1 染色質(zhì)沉默 在真核生物染色體中包含大量轉(zhuǎn)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(zhì)區(qū)域。染色質(zhì)沉默是一種特殊染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄沉默，它會(huì)阻礙轉(zhuǎn)錄，影響DNA的復(fù)制。例如，在釀酒酵母中，Sir2基因丟失會(huì)導(dǎo)致染色體穩(wěn)定性的降低和端粒長(zhǎng)度的減少，Sir2、Sir3和Sir4蛋白是沉默配對(duì)型基因座和端粒上轉(zhuǎn)錄沉默所必需的[11]。其中，4個(gè)Sir2同源物（HST1-4）直接或間接地在轉(zhuǎn)錄沉默、細(xì)胞周期進(jìn)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(fù) 真核細(xì)胞染色體DNA雙鏈斷裂（DSBs）的端部可通過(guò)2種不連續(xù)途徑進(jìn)行重組，即同源重組和非同源端部連接（NHEJ）。NHEJ途徑對(duì)釀酒酵母細(xì)胞的DSBs修復(fù)至關(guān)重要，其中Sir2～4基因與NHEJ有關(guān)，Sir4在體內(nèi)與NHEJ蛋白Yku70有相互作用，Sir2～4蛋白會(huì)對(duì)斷裂的DNA末端到DNA處理酶，以及Yku70或Yku80復(fù)合體產(chǎn)生影響。在哺乳動(dòng)物中，Sirt1、Sirt6和Sirt7參與DSBs損傷修復(fù)，如Sirt1可增強(qiáng)因輻射引起的DNA鏈斷裂的修復(fù)能力;Sirt6敲除后細(xì)胞表現(xiàn)出基因組不穩(wěn)定和DNA損傷超敏感;Sirt7可通過(guò)減弱蛋白激酶（SAPK、p38和JNK）表達(dá)，將細(xì)胞從凋亡轉(zhuǎn)向衰老[13]。

3 Sir2對(duì)動(dòng)物壽命的調(diào)控機(jī)制

3.1 調(diào)控模式 目前，已有Sir2對(duì)釀酒酵母、秀麗隱桿線蟲(chóng)、黑腹果蠅、蜜蜂和家蠶等模式動(dòng)物壽命影響的研究，其中對(duì)釀酒酵母和秀麗隱桿線蟲(chóng)壽命調(diào)控研究較為透徹。釀酒酵母通過(guò)熱量限制模式對(duì)其壽命發(fā)揮調(diào)控作用，通過(guò)限制葡萄糖或降低cAMP-依賴性蛋白激酶（PKA）的活性來(lái)延長(zhǎng)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(zhǎng)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(nèi)的Sir2p，而Sir2p的激活可以增加rDNA沉默和rDNA穩(wěn)定性來(lái)延長(zhǎng)壽命[9]。秀麗隱桿線蟲(chóng)壽命由胰島素/IGF信號(hào)通路控制，包括DAF-2跨膜受體、一系列細(xì)胞內(nèi)激酶和DAF-16叉頭家族轉(zhuǎn)錄因子。在胰島素樣信號(hào)通路中，Sir-2.1轉(zhuǎn)基因在DAF-16的上游發(fā)揮作用，Sir-2.1通過(guò)下調(diào)胰島素信號(hào)通路發(fā)揮延長(zhǎng)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(chóng)和果蠅體內(nèi)的Sirtuins蛋白，并延長(zhǎng)動(dòng)物的壽命[15]。

3.2 調(diào)控作用 哺乳動(dòng)物Sir2基因家族由7個(gè)成員組成，對(duì)小鼠的敲除模型發(fā)現(xiàn)，Sirt1缺失會(huì)引起小鼠出生后死亡，出現(xiàn)視網(wǎng)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?；淖兓?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(xiàn)早衰、低血糖綜合癥狀，并出現(xiàn)死亡;Sirt7缺失后小鼠壽命縮短，出現(xiàn)心肌病變[16]。人類(lèi)Sir2同源蛋白與許多蛋白質(zhì)相互作用，通過(guò)直接去乙酰化或調(diào)節(jié)其許多已知的體內(nèi)靶點(diǎn)，包括p53，Ku70/Bax，F(xiàn)OXO，PPARγ，PGC1α，UCP2，LXR和NFκB，可導(dǎo)致靶基因的轉(zhuǎn)錄抑制或激活，參與許多與年齡相關(guān)的人類(lèi)疾病和生物學(xué)功能，包括細(xì)胞存活、凋亡、抗應(yīng)激、脂肪儲(chǔ)存、胰島素生成、糖穩(wěn)態(tài)和脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)[17]。

4 結(jié)語(yǔ)

大量研究表明，激活并刺激Sir2基因可促進(jìn)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(xì)胞的新陳代謝過(guò)程，且在多種生物中發(fā)現(xiàn)通過(guò)熱量限制延長(zhǎng)細(xì)胞壽命的現(xiàn)象，并影響哺乳動(dòng)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(fù)等生命活動(dòng)。而在哺乳動(dòng)物中，Sir2家族基因有7個(gè)，分布于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，提示該家族基因可能參與了哺乳動(dòng)物的遺傳變異和能量代謝過(guò)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(gè)家族基因研究較少。近年發(fā)現(xiàn)Sirt2、Sirt6參與了人體的代謝、氧化應(yīng)激和炎癥、腫瘤調(diào)控等方面的衰老過(guò)程[19-20]，說(shuō)明Sir2蛋白在哺乳動(dòng)物壽命調(diào)控中的多樣性和復(fù)雜性。因此，搞清楚其他Sir2家族基因在調(diào)控哺乳動(dòng)物細(xì)胞壽命中的作用和功能，對(duì)于解析Sirtuin蛋白調(diào)控動(dòng)物細(xì)胞壽命具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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

[2]Whitaker R，F(xiàn)aulkner 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(xiàn)，湯明，等.Sirtuins家族蛋白參與DNA損傷修復(fù)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)科學(xué)：生命科學(xué)，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(guó)，周楊，段新平，等.與細(xì)胞衰老相關(guān)的sirtuin家族[J].生命的化學(xué)，2010，30（5）：744-750.

[19]羅蘇蘇，李鵬程，錢(qián)峰，等.長(zhǎng)壽基因SIRT2在老年病中的調(diào)控作用[J].生命科學(xué)，2019，31（8）：756-762.

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

（責(zé)編：張宏民）