SIRT家族生物学功能研究

SIRT家族生物学功能研究目录1.概述...............................................................................................................................22.Sirtuin蛋白的生物学功能.......................................................................................52.1SIRT1............................................................................................................52.2SIRT2............................................................................................................72.3SIRT3............................................................................................................92.4SIRT4..........................................................................................................102.5SIRT5..........................................................................................................102.6SIRT6..........................................................................................................112.7SIRT7..........................................................................................................12SIRT家族生物学功能研究1.概述组蛋白的乙酰化/去乙酰化修饰在基因表达调控中起重要作用。参与去乙酰化的酶除了经典的Ⅰ类和Ⅱ类组蛋白去乙酰化酶（HDAC）外，还有Ⅲ类HDAC，即Sir2相关酶类(Sir2-relatedenzymes,Sirtuin)。酵母沉默信息调节子2(silentinformationregulator2,Sir2)蛋白和它在其他原核和真核生物中的同源(sirtuin)是一类依赖于NAD+、核心区域高度保守的蛋白去乙酰化酶和ADP核糖基转移酶,哺乳动物Sirtuin可与p53、FOXO、PGC-1α、NF-κB、Ku70等蛋白相互作用，调控细胞应激反应、代谢、衰老和凋亡等过程。早在1979年，人们就发现了sir2基因对于维持酵母的交配型、端粒的长度和rDNA编码的DNA重复序列的生成具有非常重要的作用。让研究人员对sirtuin蛋白家族日益重视的原因是后续发现了Sir2在寿命调控中起重要作用。Sir2基因可以通过抑制基因组的不稳定性延长酵母的寿命，敲除Sir2基因可以显著地缩短酵母的寿命，而额外的一个Sir2基因拷贝则能延长酵母寿命约40%。后续发现，在线虫中过表达Sir2的同源物Sir2.1能够延长线虫50%的寿命，果蝇中也发现了类似的现象。Sirtuin蛋白家族在卡路里限制(caloricrestriction)导致的寿命延长过程中也有着重要作用，但是，2011年在线虫和果蝇中的研究对Sir2和寿命的关系提出了质疑。表观遗传主要涉及DNA甲基化、组蛋白修饰及染色体重塑。其中组蛋白共价修饰又包括甲基化/去甲基化、乙酰化/去乙酰化、磷酸化/去磷酸化、泛素化/去泛素化等。乙酰化/去乙酰化主要由组蛋白乙酰化酶（histoneacetylase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶(histonedeacetylase，HDAC)分别催化。目前有3类HDAC，Ⅰ类和Ⅱ类HDAC可被共同的抑制剂，如曲古抑菌素A(trichostatinA)抑制;而Ⅲ类HDAC被烟酰胺(nicotinamide，NAM)抑制。第1个被发现的Ⅲ类HDAC是芽殖酵母的沉默信息调节因子2(silenceinformationnegulator2,Sir2)。随着Sir2同源基因相继在其他物种中克隆，现已将各物种的Sir2同源蛋白质统称SIRT家族生物学功能研究为Sir2相关酶类(Sirtuins)。Sirtuin是一种从细菌到人类高度保守的去乙酰化酶类，人类Sirtuin家族中公认的成员有7个:SIRT1~SIRT7。它们都具有高度保守的NAD+结合域和催化功能域，不同的N端和C端可使它们能够结合不同的底物。Sirtuin蛋白家族可以调节多种蛋白的乙酰化修饰和ADP核糖基修饰。Sirtuin蛋白家族具有不同的亚细胞定位。SIRT1、SIRT6和SIRT7主要位于细胞核内，SIRT3、SIRT4和SIRT5定位在线粒体中，而SIRT2主要分布在细胞浆中。这些蛋白的亚细胞定位还取决于细胞类型、状态和分子间相互作用等，如SIRT1和SIRT2可在细胞核和细胞浆之间穿梭，并且与细胞核和细胞浆中的蛋白相互作用。下图为来自维基百科的简要总结关于sirtuin在的分布以及简要功能的介绍。SpeciesIntracellularClassSubclassActivityFunctionlocationBacteriaYeastMouseHumanSir2oraSir2p,Hst1orHst1pSirt1SIRT1nucleus,cytoplasmdeacetylasemetabolisminflammationHst2orcellcycle,Sirt2SIRT2cytoplasmdeacetylaseIbHst2pnucleusandSirt3SIRT3mitochondriatumorigenesisdeacetylasemetabolismHst3orHst3p,cHst4orHst4p.3SIRT家族生物学功能研究ADP-ribosylIISirt4SIRT4mitochondriatransferasedemalonylase,desuccinylaseinsulinsecretionammoniaIIISirt5SIRT5mitochondriaaSirt6SIRT6nucleusIVanddeacetylaseDemyristoylase,depalmitoylase,ADP-ribosyltransferaseanddeacetylasedetoxificationDNArepair,metabolism,TNFsecretionrDNAbSirt7SIRT7nucleolusdeacetylaseUcobB[14]regulationofacetyl-CoAsynthetase[15]transcriptionmetabolism哺乳动物的Sirtuin蛋白在细胞内的广泛分布表明其功能多样化。可能涉及转录、细胞周期、细胞分化、凋亡、应激、代谢及基因组稳定的调控。Sirtuin家族成员蛋白结构及酶活性X线晶体衍射揭示，Sirtuin家族多个成员具有相似的分子结构：由大约270个氨基酸残基组成的一大一小两个结构域。大的结构城主要由Rossmann折叠构成；小的结构域含一个锌指结构〔Cys-X-X-Cys-（X）15,20-Cys-X-X-Cys〕。Sirtuin家族具有去乙酰化酶活性和ADP-核酸转移酶活性。依赖Sirtuin的去乙酰化反应是将底物乙酰基转移到NAD+的ADP-核糖基部分。同时，1个NAD+分子分裂成1分子烟酰胺（NAM）和1分子O-乙酰基ADP-核糖。Sirtuin介导去乙酰基和NAD+断裂两种催化活性。Sirtuin所具有的ADP核糖转移酶活性是将NAD+的ADP-核糖转移到乙酰化蛋白。Sirtuin的去乙酰化作用ADP-核酸转移作用可能是去乙酰化反应最初所产生的ADP-核糖在随后去乙酰化过程中被添加到底物中去。另外，有一些Sirtuin成员可能仅有ADP-核糖转移酶活性。.4SIRT家族生物学功能研究关于sirt家族各个成员的细胞内定位：2.Sirtuin蛋白的生物学功能首先在动物水平敲除SIRT各个家族成员之后的表型如下：Vol460j30July2009/doi:10.1038/nature081972.1SIRT1在过去的十几年中，对sirtuin蛋白家族生物学功能方面的研究有了长足的进步，其中SIRT1是sirtuin家族中研究最多的一个成员。SIRT1可以去乙酰化组蛋.5SIRT家族生物学功能研究白，还可以去乙酰化很多重要的转录因子和调节蛋白，从而调控多种生物学过程。人类Sirtuin家族中SIRT1与酵母Sir2同源性最高，对其研究也最为深入。SIRT1与能量代谢方面:SIRT1可与过氧化物酶体增殖物活化受体γ（PPAR-γ）协同刺激因子（PGC-1）及肝细胞核因子4（HNF4）结合成一种蛋白复合物，在NAD参与下，SIRT1通过去乙酰化PGC-1来激活HNF4，从而调节糖异生相关基因转录，进而增强肝脏糖异生。另一方面，SIRT1通过结合PPAR-γ上2个辅助蛋白核受体共抑制蛋白（nuclearreceptorcorepressor，NCoR）和视黄酸及甲状腺激素受体沉默中介蛋白（silencingmediatorofretinoidandhormonereceptor，SMRT）抑制PPAR-γ活性，进而在热量摄入减少时，促进白色脂肪组织中的脂肪动员。SIRT1与胰岛素分泌:SIRT1通过抑制解偶联蛋白2（UCP-2来促进胰岛细胞分泌胰岛素。UCP-2作为线粒体内膜上的转运蛋白，使线粒体呼吸作用中的氧化磷酸化解偶联。由于此过程中能量以热能形式释放，使ATP合成减少，此时β细胞内ATP/ADP比值降低。ATP敏感的K+通道开放受其影响所导致的细胞内［Ca2+］下降，抑制了细胞胞吐作用，使胰岛素释放减少。SIRT1与细胞寿命:SIRT1可与多种蛋白相互作用，最初研究认为SIRT1的主要功能是应激条件下减少细胞凋亡及衰老，增加细胞存活率。SIRT1可负调控肿瘤抑制子p53—这是一种最早发现的SIRT1非组蛋白底物，SIRT1将p53中382位Lys残基去乙酰化，降低p53与DNA顺式元件结合力，减少由其诱导的细胞凋亡。因此，SIRT1也被看作为一种有潜力的肿瘤激动子。SIRT1与肿瘤多药耐药:SIRT1在许多耐药的肿瘤株中高表达。最近研究表明，SIRT1在肿瘤耐药中的作用可能主要与其能靶向并调节肿瘤抑制子p53、p73、E2F1和FOXO3a的活化相关。换言之，在SIRT1依赖的转录因子去乙酰化用于调节基因表达期间，细胞避开了化疗药物所致的增殖阻滞和细胞死亡。关于sirt1近几年研究表明在细胞的代谢、分化和存活各方面都伴有重要的角色，如下图：Interactingpartners,substrates,anddownstreameffectorsofSIRT1.6SIRT家族生物学功能研究PhysiologyDecember1,2006vol.21no.6404-4102.2SIRT2有丝分裂过程中的磷酸化可稳定SIRT2，此时SIRT2移入核内并与染色质共定位。核内SIRT2可将H4-K16去乙酰化，从而使G2/M期的H4-K16乙酰化水平降低。由于H4-K16乙酰化有助于染色质凝聚，SIR