sirtuin家族及其生物学特性

1/7SIRTUIN家族及其生物学特性SIRTUIN家族及其生物学特性翻译后修饰在细胞中有重要作用，如DNA识别、蛋白一蛋白相互作用、催化活性和蛋白质稳定性。蛋白乙酰化/去乙酰化属于组蛋白共价修饰，主要由组蛋白乙酰化酶和组蛋白去乙酰化酶分别催化。共有类HDAC，SIRTUIN属于类HDAC，与酵母转录抑制因子SIR2同源。SIRTUIN蛋白家族在不同的细胞过程如细胞凋亡、线粒体生物合成、脂质代谢、脂肪酸氧化、细胞应激反应、胰岛素分泌和衰老都发挥着重要作用。家族蛋白结构及酶学功能蛋白结构X线晶体衍射显示，细菌、酵母和哺乳动物SIRTUIN具有相似的催化核心区域，即275氨基酸残基构成的一大一小两个基本结构域。较大的结构域由ROSSMANN折叠构成，具有较强的保守性，较小的结构域含有1个锌指结构CYSXXCYS15，20CYSXXCYSL和螺旋构件。底物结合于两个结构域形成的裂隙发生催化反应。酵母有SIR2和4个SIR2同源物。哺乳动物SIRTUIN有7个亚型SIRTL到SIRT7，其中SIRTL与酵母SIR2在高度保守的核心结构区域序列高度相似性。对真核生物和原核生物的催化核心区2/7域进行系统分析可以将SIRTUIN分为5个主要类别。第1类5个酵母SIRTUINS和人SIRTUINS中的SIRTL、SIRT2和SIRT3；第类哺乳动物SIRT4和来自真核生物以及细菌的SIRTUINS；第类哺乳动物SIRT5以及古细菌SIRTUINS，大多数细菌SIRTUINS也属于此类；第类包括哺乳动物SIRT6和SIRT7；U类包含革兰氏阳性菌的SIRTUINS。酶学功能在酿酒酵母中发现了第1个SIRTUIN，即SIR2，因此SIRTUIN酶活性的研究最初均来源于SIR2。用P标记NAD发现人类同源的酵母SIR2基因可以从NAD转移P到牛血清白蛋白，表明SIR2具有ADP核糖基转移酶活性。酵母SIR2对交配型基因座沉默、端粒DNA沉默和核糖体DNA沉默的转录抑制具有关键作用。对特定组蛋白亚基的赖氨酸残基进行分析，更充分说明了SIRTUIN的组蛋白去乙酰化作用。IMAI等通过对SIR2反应产物的分析，以及有关SIR2核心区域的保守残基突变研究的数据支撑下得出体内SIR2是NAD依赖性去乙酰化酶活性。SIR2的组蛋白去乙酰化消耗NAD，伴随去乙酰蛋白、烟酰胺和0乙酰基ADP核糖的生成。其催化活性受细胞NAD浓度或NAD/NADH比值变化调节。NAD合成的限速酶，烟酰胺转磷酸核糖激酶的细胞水平在不同病理生理条件下3/7也影响SIRTUIN活性。烟酰胺酶1基因编码烟酰胺脱去酰胺基，通过补救途径把NAM转化为烟酸来减少NAM的累积。由此可见，PNCL和NAM都可以调节细胞中SIR2去乙酰化酶活性。此外，SIR2去乙酰化反应的另外一个产物OAADPR，也是一个重要的代谢副产物。OAADPR通过重组和加载SIR24沉默复合物定点结合到核小体调节基因沉默。因此，SIR2去乙酰化酶活性对细胞的动态平衡具有关键作用。SIR2是从古细菌到高等生物人类都高度保守的基因家族，暗示了其保守的催化机制。细菌和古细菌的SIRTUIN在转录调控和细胞分化进程中发挥重要作用，比如古细菌的SIRTUIN的同源物COBB，它可以调节丙酸分解代谢和钴胺素的酶生物合成，在NAD依赖条件下去乙酰基并激活乙酰COA，并且能够将染色质ALBA去乙酰化，调节DNA稳定性及转录活性。这些研究表明，真核生物原核生物以共同的机制对赖氨酸进行乙酰化调节，以及细菌应激反应条件下的乙酰化、去乙酰化作用。因此，SIR2同时具有NAD依赖性去乙酰化酶活性和单ADP核糖基转移酶活性。家族成员的生物学特性哺乳动物SIRTUIN广泛分布于细胞，具有不同的亚细胞定位，其功能也不相同。SIRTL、SIRT6和SIRT7主要是核蛋白，SIRT3、SIRT4和SIRT5分布于线粒体，而SIRT2主要存在于细胞质。研究显示，SIRTL3有较强的去4/7乙酰化酶活性，SIRT47则较弱或检测不到去乙酰化酶的活性，而SIRT4主要表现ADP核糖基转移酶活性。哺乳动物SIRTUIN的亚细胞定位、作用底物及功能如表1所示。1SIRT1是酵母SIR2基因的同源基因，也是目前研究最多的，在胚胎发育及骨骼肌分化都具有重要作用，参与染色质修饰、表观遗传学、炎症和应激反应，与组蛋白和一些非组蛋白底物相互作用。其中非组蛋白底物包括肿瘤抑制基因P53、核因子KB、过氧化物酶体增殖子激活受体Y共激活因子1A、FOXO、肝X受体、PARP、KU70和低氧诱导因子1A等。SIRTL将P53本文由论文联盟HTTP/收集整理去乙酰化调节细胞凋亡，并抑制细胞应激中依赖P53的转录过程，啮齿类动物实验表明SIRTL有肿瘤抑制作用，这可能与其去乙酰化功能及抑制B连环蛋白转录活性有关。SIRTL通过对PGC1A去乙酰化调节代谢，肝内SIRTL对空腹时葡萄糖和脂质代谢也发挥着重要作用。SIRTL介导的代谢控制是依赖其对腺苷酸活化蛋白激酶的调控来实现的，AMPK被认为是细胞能量调节器，脂肪细胞因子能够激活AMPKSIRTLPGC1A通路，增加肌细胞线粒体含量。SIRT1另一个重要功能是抑制解偶联蛋白2的基因表达，实现对胰岛P细胞胰岛素分泌的积极调控。SIRT1的在细胞中的多5/7重作用已经成为衰老以及其他疾病诸如心血管疾病、糖尿病、癌症、神经退行性疾病等细胞内重要的靶蛋白。SIRT2主要存在于胞浆，无论在体内还是体外都能将A微管蛋白在赖氨酸40位点去乙酰化。SIRT2蛋白水平在细胞周期波动，在细胞周期的有丝分裂退出阶段也有作用。SIRT2的一个典型特征是在G2/M期通过组蛋白H4去乙酰化迁移到核调节染色质凝聚。WANG等发现，SIRT2能使FOK01去乙酰化，促进FOX01结合PPARY抑制PPARY的活性，促进脂肪细胞分化。最近的研究表明，在SIRT2依赖性条件下，细胞感知细胞氧化刺激减少了磷酸戊糖途径中的关键酶葡萄糖6磷酸脱氢酶的乙酰化。它还和许多疾病相关，如癌症以及帕金森氏和亨廷顿氏等神经退行性疾病。SIRT3是一种NAD依赖的去乙酰化酶，在组织中高度表达，富含于线粒体中，并有棕色脂肪组织的产热作用。SIRT3缺失导致多个器官基础ATP水平降低，复合物I各组分高度乙酰化，并减少了复合物I活性。有报道表明，SIRT3在心肌细胞中作为应激反应蛋白，能够将KU70去乙酰化以及促进其与凋亡蛋白BAX的相互作用来阻碍BAX转位到线粒体，SIRT3相互作用的蛋白是线粒体复合物I蛋白NDUFA9。其去乙酰化的两个关键底物是线粒体超氧化物歧6/7化酶和异柠檬酸脱氢酶2，这些氧化还原酶的活性增强能防止有毒的活性氧累积。通过调节ROS，SIRT3抑制缺氧诱导因子1A的转录活性，抵抗氧化应激，因此可作为肿瘤抑制因子。PILLAI等发现自然多酚厚朴通过激活线粒体SIRT3，阻止并能逆转小鼠心脏肥厚。SIRT4定位于线粒体，同样具有SIRTUIN保守区域，但在体外实验中几乎没有检测到去乙酰化酶活性。它通过线粒体基质中的谷氨酸脱氢酶活性调节胰腺B细胞的胰岛素分泌，使局部ATP浓度降低减少氨基酸刺激的胰岛素颗粒分泌，预防糖尿病。SIRT4的另外一个显著功能是，它能够调控谷氨酰胺代谢，促进DNA损伤反应防止肿瘤的发生。同样，在增殖的肿瘤细胞被激活MTORCL通路，SIRT4的表达下调。VASSILOPOULOS等发现，SIRT4还可以调节脂肪酸氧化，肝细胞以及肌肉线粒体中基因的表达，其表达降低或抑制其表达可以增加肝脏脂肪氧化，增强线粒体功能。MATHIAS等发现SIRT4具有抑制丙酮酸脱氢酶活性的功能，此酶能够连接无氧氧化的糖酵解与有氧氧化的三羧酸循环。SIRT5定位于线粒体基质，是NAD依赖的去乙酰化酶。NAKAGAWA等发现SIRT5能够将线粒体中尿素循环的限7/7速酶氨基甲酰磷酸盐合成酶共同调节RRNA基因转录过程。TSAI等发现，在转录过程中，SIRT7在连接染色质重塑复合物和POLI中也具有关键作用。BARBER等研究发现，SIRT7使抑制肿瘤基因脱乙酰化并且抑制基因转录过程，从而维持致癌转化。SIRT7的致癌潜力在人类肝癌和人结直肠癌也得到进一步证实。SIRT7还具有其他功能，如参与蛋白质合成，抑制HIF1A和HIF2A合成，以及作为原癌基因转录抑制及肝脏脂质代谢的辅因子。S