SIRT1与糖尿病.doc

SIRT1与糖尿病宋荣华1,2 综述，许文灿2 审校1.汕头大学医学院，广东 汕头 515041；2.汕头大学医学院第一附属医院内分泌科，广东 汕头 515041） SIRT1 and Diabetes MellitusSong Rong-hua，Xu Wen-can（Department of Endocrinology，The First Affiliated Hospital of Medical College，Shantou University，Shantou 515041，China）摘要：沉默信息调节因子1 (silent information regulation 2 homolog 1，SIRT1)是具有烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）依赖性的蛋白脱乙酰基酶，作为一种多功能转录调节因子，在体内参与调节细胞的存活和代谢过程及增殖、衰老和凋亡等生命活动。糖尿病是一种糖脂代谢紊乱性疾病，研究表明SIRT1可以通过使多种控制代谢及内分泌信号的转录因子（FOXO、PGC1-、p53 、PPAR-及NF-B）脱乙酰基而调节其活性，从而广泛参与调控哺乳动物细胞寿命的多条信号通路及糖脂代谢、胰岛素分泌等多条代谢通路，从而预示着SIRT1有可能作为治疗靶点而在糖尿病临床治疗中极具应用价值。本文主要对SIRT1与糖尿病的关系做一综述。Abstract: Silent information regulator 1 (silent information regulation 2 homolog 1, SIRT1) is a nicotinamide adenine dinucleotide (NAD +)-dependent protein deacetylase, as a multifunctional transcription factor involved in regulating cell survival,metabolism,proliferation, senescence and apoptosis,and so on in vivo. Diabetes Mellitus is a disease of glucose and lipid metabolism disorders, researches show that SIRT1 by making a variety of metabolic and endocrine signals transcription factor (FOXO, PGC1-, p53, PPAR- and NF-B) acetyl-off to regulate these enzymes activities, broadly participates in the mammalian cells many signaling pathways,glucose and lipid metabolism,insulin secretion and several other metabolic pathways, which indicates that SIRT1 as a potential therapeutic target in clinical treatment of Diabetes Mellitus has great value. Here, we present a review of the relationship between SIRT1 and Diabetes Mellitus.关键词: SIRT1;糖尿病；FOXO；PGC1-；p53 ；PPAR-；NF-BKey words: SIRT1；Diabetes Mellitus; FOXO；PGC1-；p53 ；PPAR-；NF-B1. SIRT1简介Sir2（silent information regulator2）在芽殖酵母(S.cerevasiae)的基因转录研究中首次被发现，是一种广泛存在于各物种的基因，在转录沉默、染色质稳态、DNA损伤后修复、延长细胞周期中起着重要的作用参考文献【】Gray SG , Ekstrom TJ. The human histone deacetylase fam ily J . Exp Cell Res,2001, 262 (2) : 75-83.，其酶具有蛋白去乙酰化活性。在各种物种中发现的 Sir的同源基因统称为 Sirtuins家族。1999年，Frye等在人体中发现了酵母Sir2的五个同源基因，简写成SIRT1-5【】Frye R A. Characterization of five human cDNAs with homology to the yeast SIR2 gene : Sir2-like proteins ( sirtuins) metabolize NAD and may have protein ADP-ribosyl transferase activity J . Biochem Biophys Res Commun , 1999 ,260 : 273-279。随后许多研究者发现并且确定了人类Sir2的另外两个同源基因SIRT6、SIRT7。SIRT1基因与酵母的Sir2同源性最高，研究得也最多，最深入。人类的SIRT1基因定位于第10号染色体（10q21.3），编码一种含有500 个氨基酸残基的蛋白质，分子量为62.0 kDa【】Shinji Kume1 , Takashi Uzu, et al.SIRT1, a Calorie Restriction Mimetic, in a New Therapeutic Approach for Type 2 Diabetes Mellitus and Diabetic Vascular Complications. Endocrine, Metabolic & Immune Disorders - Drug Targets, 2010, 10, 16-24。SIRT1 蛋白结构保守，都含有一个由250个氨基酸残基构成的保守的球状核心结构域，为去乙酰化酶结构域，该区域保守性氨基酸残基的突变会导致其催化活性的消失【】 Dryden SC，Nabhas FA, et al. Role for human SIRT- NAD-dependent deacetytase activity in control of mitotic exit in the cell cycle. Mol Cell Biol 2003，23(9): 3173一3185.。SIRI1蛋白具有相当高的NAD+依赖性组氨酸脱乙酰化酶的活性，其后的研究还发现哺乳动物的SIRT1除了能使组氨酸脱乙酰化，还能使许多非组氨酸脱乙酰化【】Jill C Milne, John M Denu.The Sirtuin family: therapeutic targets to treat diseases of aging. Current Opinion in Chemical Biology 2008, 12:1117。对人SIRT1的细胞定位研究表明，它主要定位于细胞核，也可位于细胞浆，有核-胞质的穿梭运动。组织定位研究表明，它在胎儿及成人组织中广泛表达，在肝、脑、肾、脂肪、肌肉组织中高表达3，并且相对特异地、均匀地表达在胰岛细胞中,胰岛之外的外分泌腺细胞几乎未见表达。2. SIRT1的生物学效应 SIRT1具有组蛋白脱乙酰基作用，与细胞的存活和代谢过程及增殖、衰老和凋亡等生命活动密切相关。研究表明SIRT1作为一种多功能转录调节因子，可以通过使多种控制代谢及内分泌信号的转录因子（FOXO、PGC1-、p53 、PPAR-及NF-B）脱乙酰基而调节其活性，从而广泛参与调控哺乳动物细胞寿命的多条信号通路及糖脂代谢、胰岛素分泌等多条代谢通路，调节机体能量代谢的平衡，保持机体糖脂代谢的稳态。而糖尿病是一种糖脂和能量代谢紊乱性疾病，故SIRT1和糖尿病之间极有可能存在密切的联系。SIRT1基因表达受多种激素和细胞因子的影响，它们通过改变细胞中SIRT1的基因转录、蛋白表达和分泌来影响SIRT1的基因表达。能量摄入限制(calorie restriction ,CR)和白藜芦醇【】Sadruddin S, Arora R. Resveratrol: biologic and therapeutic implications. J Cardiometab Syndr. 2009 Spring;4(2):102-106. (resveratrol，Res)， SIRT1的一种激活剂，明显提高了SIRT1基因的mRNA水平，两者都参与了SIRT1基因的转录水平调控，均能增强人类SIRT1的基因转录。当然，存在一些抑制SIRT1作用的物质，如烟酰胺、sirtinol、splitomicin、 烟碱及二核苷酸、NADH等【】Revollo J R , Grimm A A , Imai S. The NAD biosynthesis pathway mediated by nicotinamide phosphoribosyltransferase regulates Sir2 activity in mammalian cells J . J Biol Chem,2004 , 279 ( 49) : 50754-50763。现在普遍认为,NAD+ 参与了SIRT1的去乙酰基反应过程,从而将SIRT1 去乙酰化活性与代谢联系起来。SIRT1在细胞核中主要有2个下游作用因子：P53和FOXO1。SIRT1 不仅参与调节细胞的增殖、衰老和凋亡等生命活动,并且还可以同时调节几种控制代谢及内分泌信号的转录因子,包括能够使一些非组蛋白的转录因子底物, 如p53【】Michishita E, Park J Y, Burneskis JM , et al. Evolutionarily conserved and nonconserved cellular localizations and functions of human SIRT proteinsJ . Mol Biol Cell, 2005 ,16 (10) :4623-4635.、叉头蛋白O 亚家族( Fork-head O subfamily,FOXO)【】Giannakou ME, Partridge L. The interaction between FOXO and SIRT1: tipping the balance towards survival J . Trends Cell Biol, 2004 ,14 (8) :408-412.、过氧化物酶体增生物激活受体(peroxisome prolifer-active activated receptor gamma,PPAR-)【】Picard F , Kurtev M ,Chung N , et al. Sirt1 promotes fat mobilization in white adipocytes by repressing PPAR-gamma J . Nature , 2004 , 429(6993) :771-776.、过氧化物酶体增生物激活受体共激活物1- (peroxisome proliferative activated receptor, gamma, coactivator 1-, PGC1-) 7、核因子-B（NF-B）【】Carlos Escande, Claudia C.S. et al.Deleted in breast cancer1 regulates SIRT1 activity and contributes to high-fat dietinduced liver steatosis in mice. J Clin Invest. 2010 Feb; 120(2):545-548、解偶联蛋白2（UCP2）8等去乙酰化, 而这些底物正是支配着内分泌与代谢信号的调节重要因子。3. SIRT1与糖尿病3.1 SIRT1 通过调节p53 影响胰岛细胞的衰老和凋亡 众所周知，糖尿病是一种胰岛素分泌缺乏或者产生胰岛素抵抗的疾病。胰岛细胞的功能缺陷是导致胰岛素分泌绝对不足的主要原因，它在I型糖尿病的发生发展中扮演着主要的作用 【】Muoio DM, Newgard CB. Mechanisms of disease: molecular and metabolic mechanisms of insulin resistance and beta-cell failure in type 2 diabetes. Nat Rev Mol Cell Biol 2008;9:193205. 。研究表明，大多数已确定的和糖尿病相关的基因，与细胞功能受损也有很大关系9。而研究同样发现【】Shin-ichiro Imai1,Wieland Kiess.Therapeutic potential of SIRT1 and NAMPT-mediated NAD biosynthesis in type 2 diabetes. NIH Public Access. 2009;8(28); 29832995.，SIRT1可能能够恢复细胞的功能，从而增加胰岛素分泌。p53是调节机体细胞老化及凋亡的一个重要物质，该蛋白是SIRT1 的一种底物，在高等动物 ,SIRT1 可以通过去乙酰化 P53 促进细胞生存,使其重新进入细胞周期。SIRT1 在调控p53 信号通路以及调节细胞应激反应中发挥着关键作用，但SIRT1 通过信号通路p53进而对胰岛细胞的影响比较复杂。Luo等通过实验说明,SIRT1 可通过去乙酰化抑制p53 的活性从而延长胰岛细胞寿命【】Luo J, Nikolaev AY, Imai S, et al. Negative control of p53 by Sir-alpha promotes cell survival under stressJ. Cell ,2001 ,107(2): 137-148。他们还发现,在突变的细胞中,过量表达SIRT1 可以增加胰岛细胞对环境的应激适应能力。然而, 也有研究发现，SIRT1参与了胰岛细胞包括凋亡在内的生命活动，引起细胞的功能下降，从而导致糖依赖性的胰岛素分泌减少，提示了它是糖尿病发生的一种潜在因素【】Kume S, Uzu T, et al. SIRT1, a Calorie Restriction Mimetic, in a New Therapeutic Approach for Type 2. Endocr Metab Immune Disord Drug Targets. 2010 Jan 2.Diabetes Mellitus and Diabetic Vascular Complications.。在细胞凋亡过程中,SIRT1 是上调p53 所必需的因子。在慢性亚致死量的基因毒性逆境下, SIRT1 可以直接引起胰岛细胞的凋亡。研究还发现,癌基因Ras 可以使SIRT1表达不足的细胞通过上调p53,从而引起胰岛细胞的凋亡。因此,SIRT1在不同的环境压力下和在不同的细胞中表达及发挥的作用可能都不同, 故SIRT1对胰岛细胞寿命的调节作用尚需进一步证实。3.2 SIRT1 通过调节FOXO 影响胰岛素分泌及胰岛细胞的寿命研究发现，SIRT1通过直接或者间接地参与胰岛素的信号传导通路，从而在糖尿病的胰岛素分泌中发挥重要的作用。SIRT1刺激胰岛细胞的糖依赖性的胰岛素分泌，并在胰腺中参与胰岛素的信号通路，促进胰岛素分泌。转录因子FOXO 家族存在于哺乳动物中,参与胰岛素/胰岛素样生长因子通路( insulin/insulin-like growth factor -1通路, INS/IGF-1 通路)，调节细胞的增殖、存活、代谢及应激途径, 还可以调节胰岛素分泌。FOXO同时是SIRT1的一个底物。SIRT1对于FOXO 的主要作用是去乙酰化,可通过去乙酰化作用调节FOXO 介导的下游效应。研究发现【】Liang F, Kume S,et al. SIRT1 and insulin resistance. Nat Rev Endocrinol. 2009 Jul;5(7):367-73. Epub 2009 May 19.，SIRT1的激活剂和抑制剂分别使 SIRT1在 mRNA 水平上出现高、低表达的同时影响了FOXO1的表达，并影响了INS / IGF-1通路的主要因子P I3K、AKT的表达, 从而影响了胰岛细胞的胰岛素分泌。研究还证实，SIRT1 可以减弱或加强FOXO1 的转录活性，调节FOXO1表达，影响INS/IGF-1信号通路，从而明显地延长酵母、蠕虫、果蝇、线虫、啮齿类动物的寿命【】Tatar M ,Bartke A ,Antebi A. The endocrine regulation of aging by insulin-like signalsJ . Science ,2003 ,299 (5611) :1346-1351.。也有研究发现, CR 组大鼠胰岛细胞SIRT1 蛋白表达量高于对照组, 证明了热量限制成功诱导了胰岛细胞内SIRT1 蛋白的上调, 抑制了FOXO1 的活性, 降低了FOXO1 下游衰老相关蛋白和凋亡相关蛋白的表达,增强了INS/IGF-1 信号通路及其自身的去乙酰化酶活性,从而并同时提高了组织和细胞对胰岛素的敏感性,减少了细胞因过度分泌胰岛素而引起的凋亡, 最终延缓了细胞的衰老。故SIRT1可以通过FOXO调控 INS / IGF-1 通路,影响胰岛细胞的胰岛素分泌，进而对哺乳动物细胞的胰岛素分泌有正向调节作用，并且可以影响细胞的寿命，延缓其细胞的衰老。3.3 SIRT1通过调节PPAR-影响脂肪代谢肥胖是糖尿病形成的一个重要的危险因素，脂肪代谢异常将会导致胰岛素抵抗，因此SIRT1和脂肪代谢的关系显得极为重要。脂肪组织不仅仅是单纯的脂肪存贮组织，而且还是能量稳态的积极参与者。PPAR-的表达,是将肥胖症及其糖尿病的代谢性并发症联系起来的潜在机制。PPAR-作为甾醇激素受体，是调节白色脂肪组织的关键转录因子，可刺激脂肪细胞的分化和脂肪的储存，它同时作为SIRT1的一个底物，与SIRT1有着密切的联系。SIRT1可直接与核受体辅助抑制蛋白(nuclear receptor corepressor, NCoR)和视黄酸受体共同作用，抑制白色脂肪组织中的PPAR-活性。通过抑制PPAR-的表达，SIRT1可以抑制脂肪酸合成，增加脂肪降解和脂肪酸动员，阻碍脂肪细胞的分化和脂肪形成【】Picard F, Kurtev M, Chung N, et al. Sirt1 promotes fat mobilization in white adipocytes by repressing PPAR-gamma. Nature 2004;429:771-776。在脂肪组织中，CR 首先可导致胰岛素水平下降，IGF 信号通路活性减弱，SIRT1表达量增加，作用于下游效应蛋白PPAR-，最终抑制了脂肪形成。禁食时，SIRT1 在脂肪组织中的上调提示SIRT1可能调节脂肪的合成和/或脂肪的释放14。此外,实验也证明SIRT1 蛋白过度表达可减少脂肪形成，而对SIRT1 进行RNA干预可以增加脂肪的形成。因而,SIRT1 能够加强体内脂肪的分解,减少脂肪的堆积。SIRT1对PPAR-的激活作用很可能有组织特异性，而SIRT1很有可能在特异的组织中通过调节脂肪细胞中的内分泌信号PPAR-，进而影响脂肪的积聚和脂肪细胞的形成，从而参与对能量代谢的调节作用。3.4 SIRT1通过调节PGC1-影响葡萄糖代谢 肝糖异生是糖尿病在禁食和CR时高血糖的一个主要因素。控制肝糖异生，对于治疗糖尿病及其并发症也有着重要的意义。在肝脏中,磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 ( phos-phoenolpyruvate carboxykinase, PEPCK)是糖异生的一个限速酶。PGC1-是 PEPCK调控的关键因子。同时，PGC1-作为SIRT1的一种底物，SIRT1 可以与它相互作用【】Rodgers JT, Lerin C, Haas W, et al. Nutrient control of glucose homeostasis through a complex of PGC-1alpha and SIRT1 J. Nature, 2005 ,434 (7029) :113-118., 在PGC1-多个赖氨酸位点产生去乙酰化作用,而PGC1-被去乙酰化后通过与HNF24 (肝细胞核因子24) 增加了肝脏糖异生基因的转录,并抑制了糖酵解有关基因，从而抑制了糖酵解。SIRT1对PGC1-脱乙酰化，还可维持脂质和胆固醇的稳态，引发糖异生基因（如PEPCK,FBPase，G6Pase基因）转录增加，增加肝糖原的输出，同时调节骨骼肌线粒体中的脂肪酸氧化。在禁食动物的肝脏内, SIRT1上调PGC1-与NAD+ 和丙酮酸盐的增加是相互关联的,此研究说明了其在代谢控制方面的催化作用17。SIRT1 对糖异生的刺激作用与肝脏对胰岛素分泌的反应是相对立的,肝脏对胰岛素分泌的反应作用是储存葡萄糖，抑制糖异生。SIRT1在禁食期间通过增强其底物PGC1-的乙酰化作用，来诱导PEPCK,FBPase，G6Pase基因转录，从而促进肝糖异生 17。SIRT1 被认为是肝脏糖异生的一个调节因子，在不同组织中广泛分布,说明了它对糖代谢的作用是由组织特异因子介导的。通过CR 或禁食诱导SIRT1 表达增加时，机体把能量储存在脂肪和肝脏，肝脏通过促进糖异生, 产生机体所需的葡萄糖并进入体循环中，从而为机体代谢维持正常的血糖水平。因此SIRT1对于糖尿病人的禁食或CR时高血糖可能是一个积极的调节因素。3.5 SIRT1通过调节NF-B 影响胰岛素的敏感性 慢性、低水平炎症状态被认为会导致胰岛素对其主要靶组织作用的降低(脂肪组织、肌肉和肝脏)及缺陷。任何与慢性炎症有关的过程都会削弱胰岛素作用，反过来，胰岛素抵抗又会使炎症恶化【】FERNENDEZ REAL J M ,RICART W. Insulin resistance secular inflamma2 tory syndrome J . Endocrine Reviews, 2003 , 24(3) :278 - 301.。这种关系是双向的，与触发因子和始动事件无关。而越来越多的证据表明，糖尿病也是一种炎症相关性疾病。核转录因子-B（NF-B）是一种具有多向转录调节作用的蛋白质, 作为一种重要的炎症因子存在于多种细胞，参与调控免疫和炎症细胞增殖等多种生理、病理过程的基因转录，