SIRT6结构特点、功能及其与疾病的关系,病理学论文

SIRT6结构特点、功能及其与疾病的关系,病理学论文沉默信息调节因子2(silentinformationregulator2,sir2)是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamideadeninedinucleotide,NAD+)依靠的去乙酰化酶,能够延长酵母和果蝇的寿命;人类中与Sir2同源的蛋白有七个:SIRT1-SIRT7。基于分子系统发育分析,可将其分为四类。SIRT1、SIRT2和SIRT3属于第一类,具有强大的NAD+依靠去乙酰化酶活性;属于第二类的SIRT4则具有ADP-核糖转移酶活性;属于第三类的SIRT5除了具有微弱的去乙酰化酶活性外,还拥有NAD+依靠的去丙二酰化酶和去丁二酰化酶活性;最后发现的SIRT6和SIRT7则属于第四类,华而不实SIRT6同时具有去乙酰化酶和ADP-核糖转移酶活性,SIRT7具有去乙酰化酶活性。七个sirtuin蛋白具有不同的细胞定位,主要定位在细胞核的有SIRT1、SIRT6和SIRT7,华而不实SIRT7主要定位在核仁;SIRT3、SIRT4和SIRT5主要定位在线粒体;SIRT2则主要定位在细胞质中。Sirtuins能够通过调控能量代谢、基因组稳定性等介入调控包括衰老在内的诸多生命经过。本文则主要对华而不实之一的SIRT6的功能与疾病的关系作一介绍。一、SIRT6构造特点人SIRT6基因定位在染色体19p13.3。全长含8个外显子,华而不实4号外显子最短,含40个碱基,8号外显子最长,含838个碱基。蛋白质分子全长355个氨基酸,分子量约39.1kD,等电点9.12(Gertler等.2020)。SIRT6与其已经知道靶分子都主要定位在细胞核。其在人和小鼠多种组织中都有表示出,在人的大脑、肾和心中表示出较高(Michishita等.2005)。SIRT6由N端、C端和保守的中心构造域组成(图1),C端和核定位有关,与酶活性无关;N端与染色体结合及催化活性有关;中心构造域至关重要,只要突变一个组氨酸就能使它催化活性消失,失去与染色体结合能力。研究还发现,SIRT6与其它sir-tuin蛋白不同,在构造上有展开的锌结合构造域,无螺旋束;有稳定的单螺旋,无保守的高度灵敏的NAD+结合环。与其它大部分sirtuin蛋白不同,起初未发现SIRT6具有NAD+依靠的去乙酰化酶活性,仅发现其NAD+依靠的核糖基转移酶活性。直到2008年,才由Michishita等发现SIRT6的第一个特异的去乙酰化底物H3K9,随后很快又发现另一同类底物H3K56(Michishita等.2018)。随着研究不断深切进入,已经知道SIRT6的去乙酰化底物也包括非组蛋白C末端结合蛋白相关蛋白(C-terminalbindingproteinin-teractingprotein,CtIP)、乙酰化酶通用控制非抑制蛋白5(generalcontrolnonrepressedprotein5,GCN5)等。然而令人惊讶的是SIRT6在体外的去乙酰化活性竟非常弱,与其去乙酰化的重要功能不匹配,但随后的研究在一定程度解释了这个问题。Gil等发现SIRT6的去乙酰化活性是核小体依靠的,只要H3和H4以核小体的形式存在时,才被SIRT6去乙酰化。Jiang等则发现SIRT6晶体构造中一个大的疏水性口袋构造(hydrophobicpocket)使它能在体内体外高效的从赖氨酸残基上去除长链脂肪酰基基团。这种对长链脂肪酰基的亲和性使SIRT6能去除肿瘤坏死因子-(tumornecrosisfactor-,TNF-)的第19位和20位的赖氨酸上的脂肪酰基,进而促其分泌(Jiang等.2020)。基于此,Feldman等随后发现某些游离长链脂肪酸可提升其去乙酰化活性(Feldman等.2020)。这讲明SIRT6的去乙酰化酶活性需在特定条件下才起作用,另一方面还讲明SIRT6的活性不仅局限在去乙酰化。二、SIRT6的功能SIRT6有缺陷的小鼠细胞与正常相比对DNA损伤刺激更敏感,基因组不稳定性加剧;SIRT6敲除小鼠不仅瘦小且在出生2~3周时出现淋巴细胞减少、皮下脂肪缺失、脊椎弯曲、结肠炎、骨量减少和严重代谢缺陷等衰老相关退行性变化,在出生约四周时死亡。这足以讲明SIRT6的重要性,而随后系列研究更讲明SIRT6在DNA损伤修复、基因组稳定性、代谢、炎症、癌症和诸多疾病调控经过中的重要性。(一)SIRT6和基因组稳定性SIRT6缺陷小鼠细胞常表现出碱基切除修复缺陷和基因组不稳定性等相关异常感觉和状态,可见SIRT6或有可能通过提高碱基切除修复能力,由此对抗DNA损伤,抑制基因组不稳定性。而Michishita等研究发现,这种早衰异常感觉和状态和基因组不稳定性的出现,主要是由于细胞中端粒功能的紊乱,而非碱基切除修复能力的缺陷。WRN能够与端粒特异结合蛋白TRF1、TRF2及POT1等互相作用,激活其本身的核酸外切酶及解旋酶活性,促进端粒的复制和DNA损伤修复,避免因端粒复制异常而造成的端粒缺失和失调,而WRN的缺失则会引起早老异常感觉和状态(沃纳综合征)的出现。敲低SIRT6后的异常感觉和状态同沃纳综合征异常感觉和状态类似,SIRT6能在S期与端粒结合,催化端粒上H3K9的去乙酰化,提高WRN在端粒上的稳定性,以免端粒异常。另外SIRT6能多途径提高DNA双链损伤(double-strandbreak,DSB)修复能力。它可与DNA双链损伤修复因子DNA依靠的蛋白激酶(DNA-de-pendentproteinkinase,DNA-PK)构成大分子复合物,促进DNA-PK催化亚基(DNA-PKcatalyticsub-unit,DNA-PKcs)与DNA损伤位点结合,进而促进非同源末端接合(nonhomologousend-joining,NHEJ),修复双链损伤。氧化应激条件下,SIRT6能催化多聚腺苷酸二磷酸核糖聚合酶1(poly[adeno-sinediphosphate(ADP)-ribose]polymerase1,PARP1)521位赖氨酸单ADP核糖基化,激活其多ADP核糖基化活性,进而提高非同源末端接合和同源重组(homologousrecombination,HR)以促进DNA双链损伤修复。除此之外,SIRT6能够通过去乙酰化DNA双链损伤切除蛋白C末端结合蛋白相关蛋白(CtIP)而促进基于同源重组的DNA双链损伤修复。SIRT6还能够招募染色体重组因子SNF2H到DNA双链损伤位点,将组蛋白H3K56去乙酰化,促进染色体重塑,进而促进DNA损伤修复。靠近端粒位置附近的基因往往处于沉默状态,这种现象被称为端粒位置效应(telomerepositioneffect,TPE),在酵母中被初次发现。这种沉默效应与端粒的长度呈正相关,并随着细胞的衰老而逐步变弱。而SIRT6在人类细胞中对端粒位置效应的维持起重要作用,它对于端粒附近基因的沉默以及端粒位置效应相关的异染色体标志物的维持都属必需(Tennen等.2018)。总之,SIRT6可通过其去乙酰化酶活性和核糖基转移酶活性介入多种DNA损伤修复及端粒稳定等调控,进而维持基因组稳定性。(二)SIRT6与衰老SIRT6蛋白水平随人包皮成纤维细胞(HCA2)复制性衰老而降低(Mao等.2020)。在另外一种人胚肺二倍体成纤维细胞WI-38中敲低SIRT6可使其复制代龄缩短10代,衰老相关的-半乳糖苷酶(SA--Gal)活性上升,敲低人脐带血管内皮和大动脉内皮细胞的SIRT6能促细胞衰老(Cardus等.2020)。这些讲明SIRT6在细胞复制性衰老经过的重要性。核因子kB(nuclearfactorkB,NF-kB)信号通路在细胞凋亡、细胞衰老、炎症和免疫等经过发挥至关重要的作用,而SIRT6则可通过NF-kB及其下游基因来调控细胞衰老。Kawahara等发现SIRT6可被NF-kB的亚基网状内皮增生病毒癌基因同源物A(reticuloendotheliosisviraloncogenehomologA,RE-LA)招募到NF-kB下游基因的启动子,降低启动子乙酰化水平,抑制与凋亡和细胞衰老相关下游基因的表示出。另外,SIRT6还可在人皮肤成纤维细胞中抑制NF-kB信号通路调控胶原的合成和降解,在皮肤抗衰老经过中发挥作用(Baohua等.2020)。SIRT6对多种因素诱导的衰老有重要作用。在猪胚成纤维细胞中过表示出SIRT6能抑制D-半乳糖等诱发的早衰(Xie等.2020)。在人支气管上皮细胞中,转化生长因子(transforminggrowthfactor-,TGF-)能在转录水平促进p21表示出而促进细胞衰老,而SIRT6则可促进p21的蛋白酶体降解而抑制TGF-诱发的衰老(Minagawa等.2018)。香烟产生的烟雾可诱发细胞衰老,引起慢性阻塞性肺病,SIRT6则可通过抑制IGF-Akt信号通路促进自噬,最终抑制烟雾的促细胞衰老作用(Takasaka等.2020)。SIRT6对整体动物寿命的影响也很显著。在雄性小鼠中过表示出SIRT6能显著延长寿命,但雌性小鼠变化不明显。实验发现,过表示出SIRT6时,雄性小鼠血清中胰岛素样生长因子1(insulin-likegrowthfactor1,IGF1)水平降低,胰岛素样生长因子结合蛋白1升高,IGF1信号通路主要组分磷酸化水平改变,而雌性小鼠中这些信号通路却没有明显变化,这可能就是雄性小鼠的寿命延长而雌性小鼠无变化的原因。热量限制能降低衰老速率、延迟多种衰老相关紊乱出现,延长线虫、果蝇、酵母以及啮齿类动物的寿命。哺乳动物中除SIRT1外,SIRT6也在热量限制延长寿命经过中起着重要作用。小鼠饥饿会提高SIRT6蛋白稳定性,提升其蛋白水平,进而促进代谢稳态和基因组稳定性,延长小鼠寿命(Kanfi等.2008)。总之,SIRT6在衰老相关基因调控经过中发挥重要作用,介入复制性衰老及多种衰老经过,对小鼠寿命有显著影响。(三)SIRT6与炎症肿瘤坏死因子能促进SIRT6和RELA结合,进而促进SIRT6调控NF-kB下游基因。反过来SIRT6可以在转录后水平调控肿瘤坏死因子,进而影响炎症反响(VanCool等.2018)。在脐带血管内皮细胞中,脂多糖能降低SIRT6表示出,敲低SIRT6能促进炎症细胞因子IL-6、IL8、IL-1以及NF-kB表示出,使SIRT6或可作为治疗炎症相关疾病的药靶(Lappas等.2020)。Xiao等在SIRT6突变的小鼠中也发现同样现象,SIRT6能通过抑制c-JUN依靠的促炎症基因如IL-6、TNF的表示出而抑制肝炎(Xiao等.2020)。除此之外,过表示出SIRT6可抑制胶原诱导的关节炎(Lee等.2020)。然而Bauer等发现,SIRT6在胰腺癌细胞中加强Ca2+反响,促进炎症细胞因子IL-8和TNF的表示出以及细胞的迁移(Bauer等.2020)。因而SIRT6与炎症的关系有待进一步探寻求索。(四)SIRT6和代谢缺失SIRT6,小鼠出现血糖过低症。多方研究发现,SIRT6既可调控组蛋白H3K9乙酰化调控糖分解相关基因,又可抑制缺氧诱导因子1(hypoxiainduciblefactor1,alphasub-unit,Hif1)而降低葡萄糖吸收、糖酵解以及线粒体呼吸以维持血糖稳态。糖异生关键基因过氧化物酶体增殖物激活受体辅激活子1(peroxisomeproliferator-activatedreceptor-coactivator1-,PGC-1)的活性受乙酰化调控,GCN5是其乙酰化酶,去乙酰化酶是SIRT1。然而,过表示出去乙酰化酶SIRT6反而促进PGC-1乙酰化。进一步试验发现,SIRT6能通过去乙酰化GCN5而激活GCN5,间接促进PGC-1乙酰化,调控糖异生和肝脏葡萄糖产生,介入血糖调控(Dominy等.2020)。特异敲除肝SIRT6的小鼠能引起脂肪肝。人脂肪肝中SIRT6含量低于正常。实验表示清楚,SIRT6通过去乙酰化作用于糖酵解、甘油三酯合成和脂肪代谢相关基因启动子,抑制表示出,调控脂代谢。在饮食引起的肥胖小鼠中,过表示出SIRT6可降低脂肪储存相关基因活性,减少内脏脂肪、甘油三酯聚积,提高葡萄糖耐量(Kanfi等.2018)。过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisomeproliferator-activatedreceptor-,PPAR-)的激活剂罗格列酮能提高大鼠肝SIRT6表示出而缓解大鼠脂肪肝(Yang等.2018)。除此之外,SIRT6可被叉头框蛋白O3(forkheadboxO3,FoxO3)招募到固醇调控元件结合蛋白-2(sterolregulatoryelement-bindingprotein2,Srebp2)和前蛋白转化酶枯草溶菌素9(proproteinconvertasesubtilisin/kexintype9,Pcsk9)的启动子区,降低H3K9和H3K56的乙酰化水平,抑制Srebp2转录,调控胆固醇代谢(Tao等.2020)。(五)SIRT6与疾病和邻近正常组织相比,肝癌、胰腺癌等肿瘤中SIRT6的表示出量都明显下降。在肝癌细胞系HepG2中SIRT6的表示出量下降可促其生长,过表示出SIRT6则抑制其生长(Zhang等.2020),小鼠中SIRT6的缺陷可使肿瘤数量增加、瘤体增大、侵袭能力提高(Sebastian等.2020)。在肿瘤构成经过中SIRT6表示出下降的机制可能是:作为肿瘤抑制因子的泛素特异肽酶10(ubiquitin-specificpeptidase10,USP10)能和SIRT6互相作用,并能抑制SIRT6泛素化降解,而肿瘤中USP10的水平下降,促进了SIRT6的降解。SIRT6可从细胞凋亡、代谢等多方面起抑制肿瘤的作用。过表示出SIRT6能诱导HepG2细胞凋亡,降低细胞内活性氧簇(reactiveoxygenspecies,ROS)和超氧阴离子(superoxideanion)水平。除此之外,过表示出SIRT6还能够抑制细胞外调节蛋白激酶(extracel-lularregulatedproteinkinases,ERK)1/2的磷酸化水平,而特异抑制剂U0126阻断ERK1/2信号通路后,SIRT6对肿瘤的抑制作用就减弱了。综上所述,SIRT6可通过抑制ERK1/2信号通路而抑制肝癌细胞的增长。同样Meter等也发现,与正常的未转化细胞如成纤维细胞不同,在肿瘤细胞中过表示出SIRT6可诱导肿瘤细胞凋亡,该经过依靠于SIRT6对p53和p73凋亡信号通路的激活及其单ADP核糖基转移酶活性。由于该经过只在肿瘤细胞中发生,使SIRT6有望成为治疗肿瘤的良好靶标(Vanmeter等.2018)。除此之外,Min等发现SIRT6能抑制H3K9的乙酰化,激活NF-B而抑制生存素,进而抑制肝癌发生(Min等.2020)。SIRT6还可调控癌细胞的需氧糖酵解以及抑制MYC转录活性,进而抑制肿瘤(Sebastian等.2020)。例外的是:前列腺癌细胞中,SIRT6水平反而升高;敲低SIRT6能促进细胞周期G1期阻滞、促其凋亡及DNA损伤水平升高;SIRT6的缺陷还能提高前列腺癌对化疗的敏感性(Liu等.2020)。可见SIRT6在不同肿瘤中的表现不完全一样,这可能是由SIRT6的组织特异性所决定,不过它对于肿瘤的调控作用都至关重要。除肿瘤外,SIRT6还介入其他疾病的调控。SIRT6缺陷小鼠常表现心肌肥大和心力衰竭异常感觉和状态,已经知道IGF-Akt信号的异常激活与多种疾病包括心力衰竭的发生发展有关。Cunn