1、 SIRT3, a pivotal actor in mitochondrial functions: metabolism, cell death and agingSIRT3是存在于線粒體的蛋白脫乙酰酶沉默調(diào)節(jié)因子家族的一個成員。SIRT3所針對的蛋白質(zhì)是參與能量代謝過程中的酶，包括呼吸鏈，三羧酸循環(huán)，脂肪酸的-氧化和酮體生成過程的酶。SIRT3通過這些作用控制線粒體氧化途徑的通量，也因此控制活性氧產(chǎn)生的速率。此外，SIRT3介導(dǎo)的脫乙酰化可以激活負責淬火活性氧的酶，從而發(fā)揮對抗氧化應(yīng)激相關(guān)病癥的保護作用，如心肌肥大和神經(jīng)變性。SIRT3在從醋酸鹽代謝到褐色脂肪組織產(chǎn)熱的代謝過程中也發(fā)揮了

2、多個額外的作用，往往是通過靶酶的脫乙酰化來控制線粒體途徑。一般情況下，SIRT3的活性以及隨后對參與能量代謝有關(guān)的酶的調(diào)控，與防止與年齡有關(guān)的疾病的整體作用是一致的。事實上，實驗和遺傳證據(jù)已經(jīng)將SIRT3的活性和壽命的延長聯(lián)系在一起。在未來幾年中，藥物和營養(yǎng)物質(zhì)將被證明能夠增加SIRT3的表達和調(diào)節(jié)SIRT3的活性，這將對于改善代謝綜合征和隨著衰老出現(xiàn)的其它氧化應(yīng)激相關(guān)的疾病可以提供有前景的戰(zhàn)略，例如癌癥，心臟功能障礙和神經(jīng)變性。關(guān)鍵詞：衰老，線粒體，氧化應(yīng)激，SIRT3，沉默調(diào)節(jié)，產(chǎn)熱SIRT3：線粒體中沉默調(diào)節(jié)蛋白家族的一個成員沉默調(diào)節(jié)蛋白與NAD +依賴的蛋白脫乙酰基酶和/或ADP-核糖

3、基轉(zhuǎn)移酶構(gòu)成一個蛋白家族。沉默信息調(diào)節(jié)因子家族（SIRT1-SIRT7）七名成員已確定存在哺乳動物中1。哺乳動物中的沉默調(diào)節(jié)蛋白是根據(jù)其與SIR2（沉默信息調(diào)節(jié)因子2）的相似度而首次發(fā)現(xiàn)的，據(jù)報道，是在低等生物（如酵母，線蟲和果蠅）壽命中負責介導(dǎo)限制熱量的積極效應(yīng)的蛋白質(zhì)2。不同于傳統(tǒng)的組蛋白脫乙酰基酶，沉默調(diào)節(jié)蛋白脫乙酰基化多種蛋白質(zhì)底物，從轉(zhuǎn)錄因子到酶，除了組蛋白3。雖然SIR2與由熱量限制引起的壽命增加之間的直接聯(lián)系最近遭質(zhì)疑4，哺乳動物的沉默調(diào)節(jié)蛋白已與許多代謝功能相關(guān)，并已成為代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，影響能量和營養(yǎng)環(huán)境穩(wěn)定的眾多方面5。例如，相當多的證據(jù)表明研究最多的沉默信息調(diào)節(jié)因子SIR

4、T1，可作為一個營養(yǎng)傳感器，作用于在各種器官和組織中參與能量的使用和儲存的幾種蛋白質(zhì)3。為了執(zhí)行該功能，SIRT1通過結(jié)合和脫乙酰化多種轉(zhuǎn)錄因子來激活各種代謝反應(yīng)，包括胰島素分泌，糖異生和脂肪酸氧化。幾項研究已經(jīng)證明，SIRT1對如葡萄糖不耐癥和飲食中富含脂肪的長期攝入導(dǎo)致的脂肪肝的疾病具有保護作用6。然而，基因修飾的動物研究表明，僅管沉默調(diào)節(jié)蛋白與衰老相關(guān)的疾病以及介導(dǎo)能量限制的積極反應(yīng)有關(guān)，哺乳動物的壽命延長也不是由自身引起的3,7。沉默調(diào)節(jié)蛋白在細胞中分布差異很大：SIRT1, SIRT6 和 SIRT7主要存在于核中，SIRT2主要存在于胞質(zhì)中，SIRT3, SIRT4 and SIR

5、T5存在于線粒體中8，線粒體是細胞代謝的重要細胞器，這歸功于其主要的作用是產(chǎn)生ATP，ROS和在細胞凋亡中的信號作用。線粒體中潛在的生物學(xué)作用已得到認可，SIRT3在組織中高度表達具有高氧化能力，例如肝，腦，腎，骨骼肌和BAT（棕色脂肪組織）9。SIRT3在細胞中的存在部位還存在爭議。一些研究提出SIRT3除了存在于線粒體中，也存在于核中1012.。特別是其中一個研究報告說，人類SIRT3是在細胞應(yīng)激條件下轉(zhuǎn)運到線粒體的一種核蛋白。然而，證據(jù)表明SIRT3完全存在于線粒體1315。人類和小鼠的SIRT3包含線粒體導(dǎo)入信號在其進入線粒體時被裂解，以較短的活性形式存在1517（圖1）。大規(guī)模蛋白質(zhì)

6、組分析顯示，每一個主代謝途徑都包含乙酰化的蛋白質(zhì)，而且，至少20的線粒體蛋白質(zhì)被乙酰化18。這些乙酰化的蛋白質(zhì)存在于多種代謝途徑，如三羧酸循環(huán)，氧化磷酸化，脂肪酸氧化和尿素循環(huán)，以及作為線粒體通道功能或參與碳水化合物和氨基酸代謝19。此外，全球的線粒體蛋白乙酰化狀態(tài)是由細胞的營養(yǎng)狀況調(diào)節(jié)的，并且對空腹18，熱量限制20，高脂肪的飲食21，22和乙醇代謝23很敏感，表明乙酰化可能是一個已進化的調(diào)節(jié)機制提供一個對營養(yǎng)狀況的自我應(yīng)答。針對SIRT3缺失的小鼠的研究是澄清SIRT3的生理作用的有利工具。一個關(guān)鍵的觀察是SIRT3-/-小鼠中的一個顯著的高乙酰化的線粒體蛋白，在SIRT4-/- 或SIR

7、T5-/ - 小鼠沒有觀察到24。 此外，孵化SIRT3-/-小鼠線粒體提取物與重組野生型形成的SIRT3能夠有效地扭轉(zhuǎn)這種高乙酰化的狀態(tài)。總的來說，這些觀察表明SIRT3可能是線粒體中主要的脫乙酰基酶。研究人員已經(jīng)確定了SIRT3介導(dǎo)的一些底物的去乙酰化，證實了SIRT3在大量的生物過程中的作用，在線粒體中也發(fā)揮相應(yīng)的作用。能量代謝和ATP產(chǎn)生中的SIRT3大量的研究報道稱, SIRT3通過對呼吸鏈的作用參與線粒體ATP產(chǎn)生的控制，這符合其在線粒體中的定位。除了證實之前報道的線粒體蛋白廣義的高度乙酰化 24,SIRT3/老鼠的一項研究顯示組織中ATP水平異常減少(近50%),正常情況下表現(xiàn)出

8、高的ATP水平，如心、肝、腎、骨骼肌;特別是SIRT3表達升高的組織 25。這種ATP水平的降低在類似胰腺等SIRT3低表達的組織中式不存在的25。此外， SIRT3/ MEFs(老鼠胚胎成纖維細胞)的重構(gòu)與野生型SIRT3足以完全恢復(fù)這些細胞的ATP水平。SIRT3/的小鼠肝臟表現(xiàn)出耗氧量減少25和使用小干擾RNA的肝癌細胞中SIRT3部分擾亂了電子傳遞鏈,反映在線粒體膜電位降低、活性氧水平升高26。SIRT3調(diào)節(jié)ATP的水平很可能是通過調(diào)節(jié)復(fù)合體I的活性,鑒于:(I) SIRT3/小鼠中幾個復(fù)合體I的組成部分表現(xiàn)出乙酰化增加; (2)SIRT3可以與至少一個已知的復(fù)合體I的子單元相互作用,

9、39-kDa的蛋白質(zhì)NDUFA9;(3)孵化的外源性SIRT3與線粒體可以增強復(fù)合體I的活性25。SdhA(琥珀酸脫氫酶黃素蛋白)是復(fù)合體II的一個子單元,是已報道的SIRT3脫乙酰作用的一個底物27，28。此外,SIRT3/小鼠復(fù)合體III和IV活性降低以應(yīng)對高脂肪飲食22，SIRT3也與呼吸鏈中復(fù)合體V的蛋白質(zhì)相互作用 28。除了直接調(diào)節(jié)呼吸鏈的活動,SIRT3通過激活兩種酶的活性而減少輔助因子的產(chǎn)生:琥珀酸脫氫酶(如上所述)和IDH2(異檸檬酸脫氫酶2),一個NADP依賴的 IDH的同工酶(下面將進一步討論)。SIRT3還通過氧化路徑參與底物的流動。SIRT3/小鼠體內(nèi)的GDH(谷氨酸脫

10、氫酶)高度乙酰化, 在體外SIRT3能使 GDH去乙酰化 24。鑒于GDH的乙酰化作用降低其活性 29, 在體內(nèi)SIRT3很可能調(diào)節(jié)GDH的活性。值得注意的是, 由SIRT4介導(dǎo)ADP糖基化的GDH， 導(dǎo)致GDH活性降低，響應(yīng)于氨基酸的胰島素分泌減少 30。兩個線粒體沉默調(diào)節(jié)因子對GDH活性的相反作用進而對酶進行共調(diào)節(jié)。這個假設(shè)與SIRT3在熱量攝入限制時表達上調(diào)，而SIRT4的活性隨熱量限制降低以維持較高的GDH活性這一事實相一致30。SIRT3調(diào)節(jié)AMPK是調(diào)節(jié)ATP合成的另一種機制，至少在心臟中是這樣。AMPK是細胞能量狀態(tài)的傳感器。一旦被激活，AMPK活化分解代謝途徑，如葡萄糖攝取和脂

11、肪酸氧化，以產(chǎn)生ATP，同時抑制涉及ATP開支的通路。AMPK通常由監(jiān)管激酶LKB1激活。SIRT3已發(fā)現(xiàn)與LKB1有關(guān)并且使得心臟中的LKB1脫乙酰基化（從而被激活）。LKB1的激活，反過來會激活A(yù)MPK，導(dǎo)致高水平的ATP31。最后，SIRT3通過調(diào)節(jié)CypD（親環(huán)素D）的活性可以間接地刺激氧化磷酸化。CypD脫乙酰基會減弱其活性并且誘導(dǎo)其與腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)運體1的解離。反過來，促進了己糖激酶II從線粒體中電壓依賴的離子通道中分離，使己糖激酶II從線粒體再分配到胞質(zhì)溶膠中，導(dǎo)致氧化磷酸化的增加32。在線粒體ATP的合成途徑中，除了通過直接與酶和調(diào)節(jié)因子的相互作用來控制線粒體氧化系統(tǒng)的活性外，

12、SIRT3通過控制線粒體的生物合成從而影響氧化代謝。PGC-1是線粒體生物合成的主控制器33。 PGC-1誘導(dǎo)SIRT3的表達（見下文），這種誘導(dǎo)對促進由PGC-1介導(dǎo)的線粒體生物合成是必不可少的34,35。總體而言，SIRT3似乎直接通過控制線粒體呼吸和氧化磷酸化機制的活性和量來控制線粒體ATP合成的速率。然而，一些由SIRT3控制的分解代謝位點已確定在呼吸鏈的上游，這些位點有助于提高氧化底物的供應(yīng)，這是SIRT3激活的結(jié)果。 此外，由SIRT3控制的呼吸通量，無論是直接的還是間接的， 是ROS產(chǎn)生的原因，可能最終影響多種細胞的生物過程（見下文）。鹽酸鹽代謝中的SIRT3如在2006年出版的

13、兩個平行研究中首次確定的SIRT3底物，是線粒體乙酰-CoA合成酶36,37，報道它由SIRT3介導(dǎo)的脫乙酰化而被激活。乙酰-CoA合成酶催化鹽酸鹽和輔酶A形成乙酰-CoA。在哺乳動物中，酶有兩種異構(gòu)體：AceCS1，胞質(zhì)中形成，AceCS2，定位于線粒體基質(zhì)38。 AceCS1，它為脂肪酸和膽固醇的合成提供了乙酰-CoA，在肝，腎中大量表達并由SIRT1調(diào)節(jié)。另一方面，線粒體亞型AceCS2，在TCA循環(huán)中產(chǎn)生氧化所需的乙酰-CoA以產(chǎn)生ATP和二氧化碳38。 AceCS2主要表達于BAT，心臟和骨骼肌，組織中SIRT3也大量表達，并且它在生酮條件下過度表達。盡管哺乳動物的醋酸來源是多種多樣

14、的，該代謝物作為能量來源的定量相關(guān)性剛剛開始變得清晰。在嚙齒動物和人類（與反芻動物相比）中的鹽酸鹽并沒有被傳統(tǒng)地認為在能量代謝39中發(fā)揮重要作用，這是事實。在生酮的條件下，鹽酸鹽是脂肪酸氧化的終產(chǎn)物產(chǎn)生于嚙齒動物的肝臟，通過乙酰輔酶A水解酶使乙酰-CoA水解，并用作外周組織中能源的替代來源40。鹽酸鹽作為生酮條件下能量來源的相關(guān)性主要證據(jù)來自于最近的研究的AceCS2-/ - 小鼠41，它缺乏AceCS2酶的活性，阻止外周組織中的鹽酸鹽氧化。其結(jié)果是，AceCS2-/ - 小鼠顯示出體溫降低和禁食條件下缺乏鍛煉的耐受性。同樣，當給予AceCS2-/ - 小鼠高脂肪低碳水化合物的飲食時，小鼠顯示

15、低溫和低血糖41。這些結(jié)果表明，醋酸鹽是非反芻動物在生酮條件下的一種重要的能量來源。由于熱量限制過程中會使SIRT3的表達增加9，并考慮到SIRT3負責AceCS2的活性，SIRT3可以控制在外周組織中的鹽酸鹽的氧化以及在營養(yǎng)匱乏的情況下可能的其他底物的氧化。事實上，SIRT3-/ - 小鼠和AceCS2-/ - 小鼠表型相似，只要雙方在空腹狀態(tài)下暴露都不耐冷42。最后，值得注意的是，在牛組織中SIRT3的高水平表達已有報道，這一物種中的鹽酸鹽是能量代謝的一個重要的定量來源43。哺乳動物中鹽酸鹽的另一個重要來源是乙醇解毒途徑。乙醇攝入后，鹽酸鹽水平在人體血液中增加2030倍44。因此，通過Ac

16、eCS2的活化，SIRT3可以在由乙醇產(chǎn)生的鹽酸鹽的代謝中發(fā)揮作用。值得一提的是，SIRT3參與鹽酸鹽代謝是一個了不起的例子，對于如何研究一個新型調(diào)節(jié)蛋白可能導(dǎo)致非預(yù)想相關(guān)的一個給定的代謝途徑的識別。SIRT3：肝臟代謝的中心成員脂肪酸氧化，酮體生成和尿素循環(huán)一些研究表明，SIRT3在肝臟中的脂肪酸氧化中起著關(guān)鍵作用，尤其是在禁食期間和高脂肪的飲食的條件下，肝臟必須處理飲食產(chǎn)生的脂肪酸或動員脂肪組織中的脂肪酸儲備。已報道禁食會使SIRT3在肝臟的表達增加。在這些條件下，SIRT3-/ - 小鼠顯示出脂肪酸氧化的中間體不平衡。具體來說在肝臟和血漿中，與短鏈和中鏈酰基肉堿相比長鏈酰基肉堿的比例更大

17、42。SIRT3-/ - 小鼠禁食也顯示肝臟中的甘油三酯積累更多。然而，它們的肝臟表現(xiàn)出正常的脂肪生成和脂肪酸的攝取，而且，其線粒體的形態(tài)與野生型動物有區(qū)別。在SIRT3-/ - 小鼠肝臟中觀察到缺乏脂肪酸氧化導(dǎo)致的血脂紊亂；盡管在較小的程度上心肌，骨骼肌和BAT中也會發(fā)生這樣的不足。這種氧化缺陷是由于SIRT3介導(dǎo)的脫乙酰化和LCAD（長鏈酰基輔酶A脫氫酶）的活化，LCAD是脂肪酸-氧化途徑中催化長鏈脂肪酸氧化的酶。SIRT3-/ - 小鼠中脂肪酸氧化的缺乏可能導(dǎo)致先前描述的肝臟中ATP水平減少25，特別是在禁食條件下42。類似的結(jié)果在一個獨立的研究中也存在，SIRT3/小鼠經(jīng)過48小時的禁

18、食表現(xiàn)出肝臟的palmitoylcarnitine和血液中的各種酰基肉堿的水平提高，說明肝缺乏-氧化45 。此外，一個乙酰化的線粒體肽分析確定了若干蛋白質(zhì)，是由SIRT3脫乙酰化的潛在靶標，包括某些參與脂肪酸-氧化的酶，如短鏈L-3-羥基酰基輔酶A脫氫酶，短/支鏈酰基輔酶A脫氫酶，極長鏈酰基輔酶A脫氫酶和LCAD，特別是LCAD 45。除了空腹條件，肝臟適當?shù)闹舅嵫趸潜匾模匝a償在這種組織中的脂質(zhì)積聚過多引起的熱量過度攝入。肝臟中異位脂肪蓄積與代謝綜合征的發(fā)展有一定的關(guān)系。SIRT3作為脂肪酸氧化關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑的潛在作用，在缺乏SIRT3的肝細胞中發(fā)生脂毒性增強，這反映在ROS產(chǎn)生的增多（見

19、下文）和細胞死亡增加以響應(yīng)脂肪酸。野生型SIRT3重建能夠減少這些不利影響26。最近的研究中，SIRT3在控制高脂肪食物的代謝反應(yīng)中起到舉足輕重的作用。野生型小鼠，肝中SIRT3表達減少21、活性22降低，以及普通的線粒體蛋白高度乙酰化21,22與長期的高脂肪飲食有關(guān)。 類似地，高脂肪飲食使SIRT3在骨骼肌的表達減少46。其中高脂肪飲食中發(fā)現(xiàn)的超乙酰肝蛋白質(zhì)參與糖異生，蛋氨酸代謝，肝損傷和線粒體氧化，例如SIRT3基板LCAD 21,22。引人注目的是，許多有害的影響，通常與高脂肪的飲食有關(guān)，如肥胖、高脂血癥、胰島素抵抗和非酒精性脂肪性肝炎，在SIRT3-/ - 小鼠中情況更為嚴重。此外，高

20、脂肪的飲食的SIRT3-/ - 小鼠過度表達一種脂肪酸合成酶SCD1（硬脂酰輔酶A去飽和酶1）21。 SCD1的水平增加是已知的與肥胖和2型糖尿病47相關(guān)聯(lián)。另一項研究中證實了SIRT3-/- 小鼠肝臟脂質(zhì)氧化改變了，證明SIRT3過表達通過AMPK依賴的磷酸化和抑制ACC（乙酰-CoA羧化酶）的活性抑制脂質(zhì)合成，ACC是脂肪酸合成的一個限速酶48。AMPK作為細胞能量狀態(tài)的傳感器，缺乏ATP時，它激活分解代謝途徑，同時抑制合成代謝途徑。SIRT3促進AMPK磷酸化的具體機制尚未確定，但SIRT3可以脫乙酰基化并激活LKB1，是AMPK的一個調(diào)節(jié)器31，如上所述。總而言之，這些結(jié)果表明，SIR

21、T3在脂肪酸的肝代謝中的起到核心作用，通過調(diào)節(jié)蛋白的乙酰化水平來控制一些肝蛋白的活性。脂肪酸代謝調(diào)控發(fā)生在幾個層次上：脂肪酸的氧化21,42，降低呼吸鏈中產(chǎn)生ATP的還原力25,27，和/或抑制脂肪合成代謝途徑48。這些觀察表明，SIRT3可能是一個潛在的治療靶點來治療代謝綜合征。與此一致的觀點，在人類SIRT3基因中已識別了功能性的SNP（單核苷酸多態(tài)性）（V208I），導(dǎo)致SIRT3活性降低并顯示出與代謝綜合征的發(fā)展相關(guān)聯(lián)21。SIRT3還參與禁食條件下的能量內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，控制肝酮體的生產(chǎn)。再次，比較SIRT3-/ - 小鼠和野生型小鼠之間乙酰化狀態(tài)的研究表明，HMGCS2（3 - 羥基-3

22、 - 甲基戊二酰基-CoA合成酶2），是-羥基丁酸酯的產(chǎn)生的限速酶，在野生型小鼠禁食條件下被乙酰化，但在基礎(chǔ)條件和禁食條件下都被超乙酰化，特別是缺乏SIRT3的小鼠禁食條件下。此外，SIRT3可以使HMGCS2在體外脫乙酰化，引起酶的構(gòu)象變化導(dǎo)致酶活性增加49。因此SIRT3，空腹和熱量限制條件下肝臟中SIRT3上調(diào)42，可能激活HMGCS2直接調(diào)節(jié)酮體的產(chǎn)生。 由SIRT3介導(dǎo)的LCAD和HMGCS2活動的坐標調(diào)節(jié)，與脂肪酸分解代謝增強以維持生酮作用的方案一致。因此，空腹條件下SIRT3-/ - 小鼠血漿中-羥基丁酸酯的水平顯著減少。有趣的是，SIRT1去乙酰化并激活HMGCS1，酶的細胞質(zhì)

23、亞型50。這與AceCS的細胞質(zhì)和線粒體亞型類似，并強調(diào)對某些代謝途徑可能由不同的sirtuins協(xié)調(diào)監(jiān)管。除了脂肪酸氧化和酮體生成，SIRT3也參與了肝臟中另一個重要的代謝途徑：尿素循環(huán)，氨基酸分解代謝產(chǎn)生的氨的解毒的關(guān)鍵過程。 OTC，尿素循環(huán)的限速酶，已被報道為在SIRT3的底物，使OTC的Lys88去乙酰化，導(dǎo)致體外酶活性更高45。SIRT3-/ - 小鼠進行過夜禁食顯示出更高的肝臟代謝物水平，如鳥氨酸，天門冬氨酸和尿嘧啶，尿嘧啶，是一個不正常的尿素循環(huán)的典型45。有趣的是，SIRT5另一個具有脫乙酰酶活性的線粒體沉默調(diào)節(jié)蛋白，據(jù)報道它能脫乙酰基化并激活尿素循環(huán)的另一種酶（氨甲酰磷酸合

24、成酶1），禁食條件下，肝中SIRT5也有表達51， 52。總體而言，SIRT3控制與可用能量短缺的自適應(yīng)響應(yīng)相關(guān)的多個代謝途徑，無論肝臟還是肝外組織，如在圖2中所描繪。在一般情況下，肝臟中SIRT3的活化提供了一種可設(shè)想用于治療目的，以提高氧化代謝和預(yù)防的方案，例如，脂肪堆積。然而，其他證據(jù)表明，SIRT3可能參與藥物的肝毒性反應(yīng)。 Lu等人 53最近確定的ALDH2（醛脫氫酶2），它可以氧化醛（如氧化應(yīng)激相關(guān)的代謝產(chǎn)物反式-4 - 羥基-2 - 壬烯醛）54，是SIRT3-依賴的脫乙酰化的目標。肝臟暴露于鎮(zhèn)痛和解熱藥對乙酰氨基酚（也稱為乙酰氨基酚）的條件下，N-乙酰對苯醌亞胺，對的一個氧化產(chǎn)

25、物，結(jié)合到脫乙酰化的ALDH2上，降低其活性，并最終加重乙酰氨基酚誘導(dǎo)的肝傷害。如此看來，SIRT3活性越高，對由對乙酰氨基酚誘導(dǎo)的肝毒性更敏感。這有助于解釋肝臟中SIRT3的活性較高時，在饑餓條件下對乙酰氨基酚的毒性作用的敏感性增強。產(chǎn)熱調(diào)節(jié)和棕色脂肪組織中的SIRT3BAT plays a crucial role in regulating body temperature in mammals through adaptive thermogenesis. The thermogenic potential of BAT is conferred by UCP1 (uncoupling

26、 protein 1),which uncouples ATP synthesis from energy substrate oxidation in the respiratory chain. Adaptive thermogenesis is stimulated by -adrenergic signalling, which regulates the intracellular enzymatic machinery for lipolysis and fuel utilization and elicits the co-ordinate transcriptional act

27、ivation of genes encoding proteins specifically involved in thermogenesis, such as UCP155.SIRT3在棕色脂肪組織中高度表達，暴露于冷空氣中其表達上調(diào)9。SIRT3的表達與棕色脂肪細胞分化34相關(guān)聯(lián)。PGC-1，SIRT3表達的主要控制器，通過共激活ERR（雌激素相關(guān)受體-，它已被證明是近端SIRT3基因啟動子區(qū)域34結(jié)合的孤兒核受體），促進SIRT3基因的轉(zhuǎn)錄。值得注意的是，在SIRT3表達中PGC-1-ERR軸的這種調(diào)節(jié)作用也發(fā)生在其他組織中，如骨骼肌和肝臟21,35。 SIRT3在棕色脂肪細胞對去甲

28、腎上腺素的cAMP介導(dǎo)的BAT產(chǎn)熱基因的轉(zhuǎn)錄的應(yīng)答能力中是必需的。在SIRT3-/ - 脂肪細胞中，PGC-1未能充分誘導(dǎo)棕色特異性脂肪產(chǎn)熱基因的表達34。在HIB1B褐色脂肪細胞中SIRT3的過表達增強了PGC-1，UCP1和一系列線粒體相關(guān)基因的表達9。 只有少數(shù)的研究已經(jīng)解決了SIRT3-/ - 小鼠體內(nèi)的產(chǎn)熱調(diào)節(jié)。隆巴德等人24報道，成熟的SIRT3-/ - 小鼠在短期（6小時）冷暴露后顯示出正常的適應(yīng)性產(chǎn)熱。然而，冷暴露和饑餓相結(jié)合被證明對SIRT3-/- 小鼠代謝內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定具有特別有害的影響 42。在圍產(chǎn)期的發(fā)展時期，SIRT3-/ - 小鼠有能力減弱BAT誘導(dǎo)的產(chǎn)熱基因表達58。

29、該代償機制在體內(nèi)維持SIRT3-/- 小鼠的產(chǎn)熱活動的可能性不能排除。在這方面，有報道說其他沉默調(diào)節(jié)蛋白，例如SIRT1，能夠促進BAT產(chǎn)熱活性59。 BAT活動影響小鼠和大鼠的體重調(diào)節(jié)，由于它的高容量能量消耗和燃料消耗，這能非常有效地減少肥胖和胰島素抵抗60。最近證實了BAT大量存在于成人體內(nèi)61，通過正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)發(fā)現(xiàn)，BAT在人體能量平衡的控制重新煥發(fā)活力。此外，在嚙齒類動物脂肪組織的一個顯著的可塑性已被確認。因此，外源性刺激面前，棕色脂肪細胞內(nèi)變成了白色脂肪（脂肪組織的所謂的“褐變”的過程）62。當前所知的SIRT3作為棕色與白色的標記基因，并就熱活性的調(diào)節(jié)性能值得進一步研究，

30、成為肥胖導(dǎo)向治療促進能量消耗的一個潛在目標。SIRT3：心臟的保護者 SIRT3大量表達于心臟，并已報道其對戰(zhàn)肥厚的保護作用，作用于不同的層次。心臟肥大是一個復(fù)雜的生長過程，其中分化的心肌細胞經(jīng)歷結(jié)構(gòu)重構(gòu)響應(yīng)于遺傳因素和各種生理和病理的刺激。這些變化通過減少室壁張力和耗氧量，從而改善心臟功能提供短期的保護。然而，如果刺激持續(xù)存在，肥大導(dǎo)致心肌細胞死亡，肝纖維化，心室擴張，并最終心臟衰竭和因心律失常而猝死。肥大性生長伴隨著許多形式的心臟疾病，包括缺血性疾病，高血壓，心臟衰竭和心臟瓣膜疾病。因此了解調(diào)節(jié)肥大的機制以改善患者存活是非常重要的63。心臟肥大反應(yīng)通常涉及MAPK（促分裂原活化蛋白激酶）/

31、 ERK（細胞外信號調(diào)節(jié)激酶）和PI3K（磷脂酰肌醇3 激酶）/ Akt的通路，它們共享的上游調(diào)控元件如Ras。在去氧腎上腺素或血管緊張素II誘導(dǎo)的肥大實驗?zāi)Ｐ椭校∈笮呐K中SIRT3過度表達64。此外，SIRT3過度表達阻礙在體外（心肌細胞的原代培養(yǎng)物）和體內(nèi)（轉(zhuǎn)基因小鼠中過表達SIRT3在心臟）肥大，而SIRT3-/ - 小鼠顯示出易感性肥大增強64。值得注意的是，SIRT3阻礙肥大過程中Ras的激活，這表明在心肌肥大中SIRT3的保護作用是由MAPK / ERK和PI3K/Akt信號途徑64介導(dǎo)的。肥大發(fā)展的許多細胞信號機制中，突出的是氧化應(yīng)激和ROS的產(chǎn)生。ROS介導(dǎo)的Cys118位的

32、硫醇基團的修飾可激活Ras。SIRT3通過控制參與細胞抗氧化機制的基因的表達，可以部分阻礙響應(yīng)于親肥大刺激的ROS的產(chǎn)生。具體來說，超氧化物歧化酶的線粒體亞型，SOD2和過氧化氫酶上調(diào)，表明在過表達SIRT3的心肌細胞和SIRT3轉(zhuǎn)基因小鼠的心臟活性較高，而在SIRT3-/- 小鼠心臟中發(fā)生相反的變化 64。其中SIRT3控制這些抗氧化基因表達的機制尚不清楚，僅管Foxo3a的作用已提出。然而，其它機制可能解釋SIRT3對心肌肥大的保護作用。心臟肥大與細胞內(nèi)NAD +的水平降低有關(guān)，并且通過增加外源NAD +，以維持NAD +的細胞內(nèi)水平31可以阻斷體內(nèi)和體外的心肌肥大。外源添加的NAD +的

33、阻礙親肥厚Akt1酶途徑的激活并激活心臟中抗肥大的LKB1/AMPK通路。NAD +的這種保護作用似乎依賴于SIRT3，而不是SIRT1。SIRT3介導(dǎo)的LKB1脫乙酰化和AMPK的后續(xù)激活可以防止ATP減少并阻礙肥大31。除了心臟肥大，SIRT3在老化相關(guān)的心臟疾病中也發(fā)揮作用。因此，SIRT3-/- 小鼠心臟不僅更容易產(chǎn)生心肌肥大，但也顯示出對與衰老有關(guān)的一些其它疾病的敏感性增加，例如纖維化和應(yīng)激相關(guān)障礙65。心臟衰竭是有關(guān)老化死亡的一個重要原因，雖然細節(jié)還不理解，心臟線粒體活性降低參與其中。mPTP的逐步開放（線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔），一個多蛋白復(fù)合物（連接線粒體基質(zhì)到細胞質(zhì)），參與到這個過

34、程中66。mPTP的開口引起促凋亡因子的釋放和ATP的耗竭，從而導(dǎo)致細胞凋亡或心肌細胞壞死，取決于耗盡的嚴重程度。在這種情況下，SIRT3使CypD去乙酰，MPTP開放65的一個調(diào)節(jié)器，抑制其活性并減少通過mPTP的通量。由SIRT3介導(dǎo)的CypD中去乙酰化的位點也是相鄰的環(huán)孢素A（一種藥物，抑制CypD）的結(jié)合位點。不幸的是，環(huán)孢菌素A也抑制了結(jié)構(gòu)上相關(guān)的親環(huán)CypA基因和CYPB，是免疫功能的關(guān)鍵67。SIRT3介導(dǎo)的CypD的調(diào)節(jié)不會影響CypA基因或CYPB功能，它會抑制mPTP的活性，而對免疫系統(tǒng)無顯著影響。因此，通過SIRT3介導(dǎo)的CypD的調(diào)控抑制mPTP可能是一個用于治療衰老相

35、關(guān)的心臟疾病有價值的治療策略。如上所述，心臟肥大通常是與氧化應(yīng)激密切相關(guān)的，從而導(dǎo)致氧化和許多線粒體蛋白質(zhì)的功能喪失。事實上，從肥大到心臟衰竭的轉(zhuǎn)變幾乎總是伴隨著氧化應(yīng)激的增加和線粒體功能障礙，而且通常很難確定這兩個過程哪個起主要作用。SIRT3通過上述的各種機制防止心肌肥大，但是它也可能間接地特異性控制ROS水平防止心肌肥大，在下面的部分中討論。SIRT3和氧化應(yīng)激：老化中SIRT3發(fā)揮的作用在線粒體電子傳遞過程中的泄漏所產(chǎn)生的ROS可破壞線粒體內(nèi)外的大分子和結(jié)構(gòu)，并且被認為是至少部分地負責與老化相關(guān)的許多病癥68。一些研究強調(diào)了SIRT3在防止ROS生成中的作用。值得注意的是，其中的一些研

36、究的結(jié)果提供了有力的證據(jù)將沉默調(diào)節(jié)蛋白的活性和限制熱量攝入的哺乳動物的有利影響聯(lián)系起來，尤其對ROS和老化的影響。高等哺乳動物的熱量限制的好處是與衰老相關(guān)的各種疾病，如癌癥，糖尿病，帕金森氏癥和阿爾茨海默氏病。大量令人信服的證據(jù)表明，限制熱量使ROS誘導(dǎo)的損傷對不同細胞大分子的積累衰減69。一個老齡化延遲相關(guān)的病癥在熱量限制的條件下是AHL（年齡相關(guān)的聽力損失）。AHL的特征是由于細胞凋亡神經(jīng)元和在內(nèi)耳的耳蝸纖毛細胞的進行性損失，這反過來又導(dǎo)致聽力的漸進性喪失。野生型和SIRT3-/- 小鼠的對比研究表明，限制熱量延遲野生型小鼠AHL的發(fā)作，而不是SIRT3-/ - 小鼠，表明小鼠的AHL進展

37、中調(diào)解熱量限制的有益效果需要SIRT370。與此相一致，響應(yīng)于熱量限制SIRT3在耳蝸的細胞中表達升高。SIRT3能夠防止在這些條件下ROS的積聚。這種保護作用至少部分地是由于SIRT3的脫乙酰基化和激活I(lǐng)DH2，線粒體中催化異檸檬酸轉(zhuǎn)化成2 - 酮戊二酸產(chǎn)生的NADPH線粒體酶。因此，熱量限制的條件下，SIRT3刺激NADPH增加從而提高還原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽的比率（最重要的氧化還原電對），從而保護細胞免受氧化損傷70。值得注意的是在這樣的背景下，SIRT3去乙酰并激活GDH，也產(chǎn)生NADPH24,71，如上所述。SIRT3可能介導(dǎo)熱量限制的保護作用的另一個潛在的機制是線粒體酶SOD

38、272的脫乙酰化。研究SIRT3-/ - 小鼠表明SIRT3通過兩個賴氨酸殘基，Lys53和Lys89的脫乙酰化激活SOD2保護細胞免受氧化應(yīng)激，ROS的一個主要解毒過程。另一項研究發(fā)現(xiàn)，SIRT3使賴氨酸殘基Lys122的脫乙酰化激活SOD273。因此SIRT3參與細胞內(nèi)ROS水平的調(diào)控。除了ROS的解毒，SIRT3可以直接調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生。如上所述，SIRT3使線粒體電子傳遞鏈中的幾個組成部分去乙酰化，包括復(fù)合物I和（可能的）復(fù)合物III22,25,74，認為它們負責線粒體內(nèi)90ROS的產(chǎn)生。符合SIRT3對電子傳遞鏈成分的影響，已經(jīng)證明肌肉細胞缺乏SIRT3能減少線粒體氧化并增加活性氧的

39、產(chǎn)生和氧化應(yīng)激反應(yīng)35,74。值得注意的是，SIRT3是與人體衰老有關(guān)的唯一有一定遺傳證據(jù)的沉默信息調(diào)節(jié)因子。在意大利南部的人群中進行的研究報告說，在人類SIRT3基因外顯子三上的一個單核苷酸多態(tài)性（G477T）75和內(nèi)含子五上的VNTR（可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列）位點76與延長壽命有關(guān)。此外，認為細胞和組織的進行性暴露于氧化應(yīng)激是老化過程中的一個重大貢獻。SIRT3在控制ROS生成過程中的作用是提供一個功能聯(lián)系，在SIRT3的生化、分子活動和SIRT3活動與衰老的關(guān)聯(lián)證據(jù)之間。綜上所述，不同的組織和器官的可用數(shù)據(jù)指向SIRT3參與兩個通用的流程（即控制活性氧水平）和組織特異性功能，從心臟內(nèi)環(huán)境穩(wěn)

40、態(tài)，到棕色脂肪的適應(yīng)性產(chǎn)熱，等等。不同組織和器官在SIRT3的控制下的主流程圖， 圖示3。SIRT3和癌癥 SIRT3在防止ROS產(chǎn)生中的作用可能是相關(guān)的心肌病理生理學(xué)和老化，如上所述，但它也可以參與癌癥。SIRT3-/ - MEF中有較高水平的活性氧和超氧自由基誘導(dǎo)的基因毒性應(yīng)激，并表現(xiàn)出染色體不穩(wěn)定性的增加。同樣，與野生型動物相比SIRT3-/-小鼠的肝臟提取物表現(xiàn)出更大程度的線粒體DNA損傷與衰老，并且線粒體完整性降低。已經(jīng)提出SIRT3-/- 小鼠中ROS水平的升高有助于癌癥易感表型77。除了活性氧生成增加，SIRT3-/ - 轉(zhuǎn)化的MEFs細胞顯示糖酵解增加，是癌細胞的特征，并且氧化

41、磷酸化降低。已經(jīng)確定原代細胞體外轉(zhuǎn)化需要至少兩個癌基因的合作，或者，同時激活單個致癌基因并使腫瘤抑制基因失活78或缺失。這種情況下，在SIRT3-/- 的MEF中單個癌基因（Myc或RAS）的表達 足以在體外轉(zhuǎn)化這些細胞，而野生型MEFs還需要一種腫瘤抑制基因的失活。超氧化物歧化酶參與細胞內(nèi)ROS的解毒，SOD1的過表達，顯示出SIRT3-/- MEF對單個基因引起的轉(zhuǎn)化易感性消除，逆轉(zhuǎn)腫瘤表型并使染色體穩(wěn)定77。因而SIRT3作為腫瘤抑制基因，作用在一個ROS依賴的產(chǎn)生中，防止染色體的不穩(wěn)定，而染色體不穩(wěn)定正是腫瘤發(fā)生的重要原因。與此相一致的情況下，SIRT3激活線粒體亞型SOD2，直接調(diào)節(jié)

42、線粒體活性氧的產(chǎn)生72,73的，如上所述。兩項將SIRT3與癌癥聯(lián)系起來的研究報告稱HIF1（缺氧誘導(dǎo)因子1）參與其中。HIF1，由癌基因編碼，直接激活參與腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移的基因的轉(zhuǎn)錄，并且轉(zhuǎn)錄水平在缺氧條件下上調(diào)。活性氧在缺氧條件下產(chǎn)生，抑制負責HIF1羥基化的酶，為HIF1降解的一個條件.缺少羥基化時，HIF1穩(wěn)定并且是異二聚體，激活后促進腫瘤的發(fā)生。因而HIF1異常穩(wěn)定與幾種類型的癌癥相關(guān)聯(lián)79。在第一個這樣的研究中，證明在低氧條件下SIRT3的過表達足以抑制腫瘤的發(fā)生。在SIRT3存在下通過減少HIF1的活化發(fā)生了這樣的效果，這表明SIRT3在ROS生產(chǎn)中的作用80。在MEF和各種腫瘤細

43、胞系中利用RNA干擾技術(shù)，沉默SIRT3基因發(fā)現(xiàn)，在沒有SIRT3時，HIF1-的穩(wěn)定增加，細胞在低氧條件下顯示出更大的增殖能力。這種效果依賴于在沒有SIRT3時ROS的產(chǎn)量增加。與此相一致，SIRT3過表達降低HIF1的穩(wěn)定性，減少腫瘤發(fā)生，甚至腫瘤發(fā)生后SIRT3的過表達也如此80。第二項研究為SIRT3-/ - 的MEF消耗更多的葡萄糖，具有較高水平的糖酵解中間物，TCA循環(huán)的中間體水平降低，HIF1-的靶基因超活化水平降低，與癌細胞Warburg效應(yīng)的特性相一致提供了證據(jù)。值得注意的是，SIRT3過表達能夠扭轉(zhuǎn)一些乳腺癌細胞系的Warburg效應(yīng)81。最后，與這些數(shù)據(jù)相一致，SIRT3-/ - 小鼠更容易患乳腺癌，和一些人類腫瘤，例如肺癌，已被證明與SIRT3表達水平異常低相關(guān)77。SIRT3基因：結(jié)構(gòu)與調(diào)控 本次綜述總結(jié)了SIRT3在生物過程中的多重角色，表明SIRT3基因表達的調(diào)控與在細胞和組織中決定SIRT3依賴的途徑的活性可能有潛在的聯(lián)系。如上所述，多個報道顯示，SIRT3蛋白質(zhì)水平響應(yīng)于生理和激素的刺激而進行調(diào)節(jié)，但轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)機制在很大程度上決定SIRT3蛋白水平和活性是未知的。 由營養(yǎng)物和激素因素以組織特異性的方式對SIRT3基因轉(zhuǎn)錄進行調(diào)制，但這些控制SIRT3表達的調(diào)節(jié)過程的機制尚未建立。然而，SIRT3基因在