結構生物化學/沉默資訊調節蛋白
沉默資訊調節蛋白，一種沉默的資訊調節因子，可以延長模式生物的壽命。SIR2 有七個家族成員，SIRT1-SIRT7。SIRT1 與 SIR2 最為接近。儘管 SIRT1 是最接近的，但其他家族成員也顯示出與代謝和衰老的聯絡。SIRT1-SIRT3 和 SIRT5-SIRT7 在體外進行兩種酶促活性。這兩種酶促活性分別是 NAD+ 依賴性蛋白脫乙醯基酶活性和 ADP 核糖基轉移酶活性。SIRT4 唯一的酶促活性是 ADP 核糖基轉移酶活性。哺乳動物沉默資訊調節蛋白負責調節代謝和細胞存活。
SIR2 是沉默資訊調節蛋白家族的創始成員，其功能可能提供衰老與染色質調節之間的聯絡。SIR2 使亞端粒 DNA、沉默的交配型基因座和核糖體 DNA 處的染色質沉默。SIR2 受其 NAD+ 依賴性組蛋白脫乙醯基酶活性的影響。脫乙醯基作用發生在 H4 賴氨酸 16 和 H3 賴氨酸 56 的賴氨酸殘基處。這在 SIR2 的沉默作用中起著關鍵作用。SIR2 調節出芽酵母的壽命。這是透過兩種染色質沉默活性完成的。第一種活性涉及抑制 rDNA 重複序列之間的重組，從而促進基因組穩定性（透過防止衰老 誘導的染色體外 rDNA 環被切除並積累）。第二種活性涉及透過端粒中 H4K16 乙醯化水平的增加來降低 Sir2 蛋白水平。響應營養缺乏或突變，SIR2 也可以阻止模式生物的壽命延長。
在酵母細胞中，SIR2 的功能與人類細胞中的 SIRT6 相同。它還分離受損的蛋白質，從而導致細胞由於有毒的細胞聚集體而衰老。響應營養缺乏和其他細胞突變，SIR2 會阻止酵母細胞壽命的延長。此外，在諸如秀麗隱杆線蟲 和果蠅等模式生物中，SIR2 透過不同的途徑發揮促進長壽的作用。SIR2 促成的另一個作用是透過誘導膳食限制適應來延長細胞壽命。
細胞核：SIRT1、SIRT6 和 SIRT7
細胞質：SIRT2
線粒體：SIRT3、SIRT4 和 SIRT5
SIRT1 是酵母中七種 Sir2p 同源物之一，稱為沉默資訊調節蛋白。SIRT1 與 SIRT6 和 SIRT7 一起存在於細胞核中。SIRT1 需要煙醯胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+)。SIRT1 是與 SIR2 最接近的同源物。兩者都控制複製性衰老。如果過表達，SIRT1 可以阻斷癌基因誘導的衰老。雖然 SIR2 專門脫乙醯化組蛋白，但 SIRT1 會脫乙醯化 40 多種不同的底物。SIRT1 透過脫乙醯化染色質調節酶（如 TIP6o 和 SUV39H1）直接影響染色質的結構。除此之外，SIRT1 還幫助調節許多其他生理過程，如細胞凋亡、代謝和應激抵抗。SIRT1 是七個 SIR2 家族成員中研究最廣泛的成員。
在 SIRT6 首次發現後的多年裡，人們認為它沒有任何脫乙醯基酶活性，直到後來才發現 SIRT6 是一種底物特異性很高的組蛋白脫乙醯基酶。它負責調節染色質功能，促進其在端粒和基因組穩定性、基因表達和 DNA 修復方面的正常功能。SIRT6 在人類中的功能與 SIR2 在酵母中的功能相似。對 SIRT6 缺陷小鼠進行的實驗表明，這些小鼠出生時完全正常，但在大約兩週時開始出現表型異常。它們會發育脊柱彎曲異常、骨質疏鬆症和其他全身性問題，導致它們在約一個月時死亡。在細胞水平上，缺乏這種蛋白質會導致基因組不穩定和對電離輻射 (IR)、甲基甲磺酸鹽 (MMS) 和過氧化氫 (H2O2) 的過度敏感。此外，還觀察到鹼基切除修復問題。這揭示了 SIRT6 在維持穩態、代謝和生物體壽命中起著重要作用。
SIRT6 在端粒方面最重要的作用之一是其在維持端粒染色質完整性方面的作用。SIRT6 會脫乙醯化 H3K9 和 H3K56。在 SIRT6 缺陷細胞中，H3K9 和 H3K56 會過度乙醯化，從而導致隨機複製相關的端粒序列丟失，端粒 DNA 損傷積累和基因組不穩定，並伴隨染色體末端與末端的融合。這些問題會導致細胞過早進入衰老。這一發現對未來的癌症研究具有重要意義，因為染色體不穩定性與癌症有關，而端粒的健康功能在維持染色體基因組穩定性方面起著重要作用。
SIRT6 與人類 DNA 修復有關，因為它可以使 DNA DSB 修復（DNA 雙鏈斷裂修復）高效進行。研究發現，SIRT6 與參與非同源末端連線途徑 (NHEJ) 的蛋白質（DNA-PKcs 和 Ku70/80）發生反應。SIRT6 與染色質的關聯在響應 DSB 時會顯著增加，以降低 H3K9Ac 的水平。發現 SIRT6 結構有助於在斷裂附近側翼染色質並穩定執行 DSB 所需的 DNA-PKcs。當細胞中缺乏 SIRT6 時，細胞中的 DSB 會受損，導致細胞不穩定。
研究表明 SIRT6 與轉錄因子核因子-κB (NF-κB) 之間存在關係，後者負責與衰老、增殖和炎症相關的基因表達。缺乏 SIRT6 會促進該轉錄因子的過度活化，從而導致這些基因的過表達。這在對 SIRT6 缺陷小鼠進行的實驗中進一步得到證實，這些小鼠被發現存在代謝和退行性缺陷。除了調節 NF-κB，SIRT6 還參與轉錄因子 HIF1α，後者在葡萄糖調節中起著重要作用，與壽命調節甚至癌症有關。
沉默資訊調節蛋白與脂肪酸氧化
在禁食期間，SIRT3 蛋白表達增加，其水平和酶促活性也隨之提高。SIRT3、AceCS2 和 Acadl 的表型重疊表明 SIRT3 調節 LCAD 和 AceCS2 乙醯化。
沉默資訊調節蛋白與電子傳遞鏈
去乙醯化複合物 I 亞基和琥珀酸脫氫酶 (複合物 II) 與 SIRT3 相互作用。蛋白質組學分析表明線粒體翻譯受 ATP 合酶與 SIRT3 結合的調節。關於 SIRT4 和 SIRT5 在電子傳遞中的作用的資訊較少。當 SIRT4 與腺嘌呤核苷酸轉運體 (ANT) 結合時，會產生 ATP 合酶的底物，然後將 ATP 轉運到胞質溶膠，將 ADP 轉運到線粒體基質。SIRT5 與細胞色素 c 相互作用。SIRT4 和 SIRT5 的生物學意義尚不清楚。
Sirtuin 和克雷布斯迴圈
線粒體基質是克雷布斯迴圈酶的所在地。線粒體基質的區室化使細胞能夠利用來自碳水化合物、脂肪和蛋白質的代謝物。幾種克雷布斯迴圈酶與 SIRT3 相互作用，包括琥珀酸脫氫酶 (SDH) 和異檸檬酸脫氫酶 2 (ICDH2)。透過乙醯化和啟用 AceCS2 和穀氨酸脫氫酶 (GDH)，SIRT3 間接影響克雷布斯迴圈。透過增加乙醯輔酶 A 和氨基酸利用率，碳進入克雷布斯迴圈增加。SIRT3 活性可能提供這些增加的一般機制。SIRT4 透過 ADP-核糖基化抑制 GDH，SIRT4 透過 GDH 與克雷布斯迴圈相互作用。
一組稱為 sirtuins 的蛋白質可以幫助推遲某些模式生物（用於更好地理解生物生命的研究的非人類生物）的死亡時間。更具體地說，sirtuins 是 (Sir)2（沉默資訊調節因子）及其直系同源物，它們是來自不同物種的具有相同功能的同源物。
哺乳動物體內發現了七種 sirtuins，即 SIRT1-7，它們改變了與代謝和應對壓力相關的各種途徑。sirtuin 域具有用於結合參與代謝的輔底物 NAD+ 的裝置。在受控環境中，所有 sirtuins 都執行兩個重要的酶促過程：NAD+ 依賴性蛋白去乙醯化酶和 ADP-核糖基轉移酶。然而，SIRT4 無法識別乙醯化的特異性底物，但它可以識別 ADP-核糖基轉移酶。由於這些酶依賴於 NAD+，因此它們可以在生物體的興奮狀態下執行其功能，並且可能參與識別代謝。此外，對哺乳動物 sirtuins，特別是 SIRT1 的廣泛科學研究表明，它們控制著代謝過程和細胞的壽命。為了做到這一點，sirtuins 特別關注不同的乙醯化蛋白質底物，並被置於不同的位置。例如，SIRT1、6、7 位於細胞核中。
三種 sirtuins，SIRT3-5，存在於線粒體中，它們透過作為氧化代謝的重要場所來提供幫助。與 SIRT1 相比，SIRT3-5 尺寸更小。儘管對 sirtuins 進行了深入的研究，但線粒體的 sirtuins 的研究程度遠不及 SIRT1 等其他 sirtuins。然而，有關質譜法的報告和資訊一直在推測 SIRT3-5 可能在控制線粒體中廣泛的活動方面發揮重要作用，例如產生能量、細胞內訊號傳導和參與細胞凋亡。
NAD+ 代謝和 Sirtuin 活性
[edit | edit source]Sirtuins 絕對依賴於 NAD+，這意味著細胞中游離 NAD+ 的過量及其生物合成和降解產物對於 sirtuins 酶的活性如何發揮作用至關重要。酵母和哺乳動物中 NAD+ 生物合成主要有兩種方式。一種是從色氨酸形成的從頭合成犬尿氨酸途徑。另一種被稱為補救途徑，它使用由 sirtuins 除 ADP-核糖基轉移酶和聚合酶或外源煙酸外產生的 NAD+ 生成的煙醯胺。兩項研究 Bieganowski 和 Brenner 最近發現了一種特殊的 NAD+ 途徑，存在於酵母和人類中。它始於從外部提供的煙醯胺核糖苷。此外，另一個重要的發現是哺乳動物細胞在基本層面上與其途徑相比，與細菌和酵母不同。在酵母中，煙醯胺透過酶 Pnc1p 脫氨，轉化為煙酸。然後煙酸透過煙酸磷酸核糖基轉移酶轉變為 NaMN。另一方面，哺乳動物細胞中的煙醯胺直接透過 Nampt 轉化為煙醯胺單核苷酸。Nampt 表達水平對各種壓力的反應使細胞 NAD+ 水平升高。實際上，這調節了 Sir2 的催化活性。最近的研究發現，NAD+ 代謝物的變化可能具有組織特異性效應。以 NAD+ 為例。NAD+ 使核神經元的水平升高，這以 SitT1 依賴的方式阻止了軸突變性。此外，哺乳動物從頭合成與植物和原核生物相比，組織方式也不同。
Sirtuins、熱量限制和衰老
[edit | edit source]Sir2 蛋白、熱量限制和衰老之間的關係已被詳細研究。有證據表明，sirtuins 與延長壽命有關，特別是在幾種生物體中處理 CR 療法的長壽。有兩個關鍵的早期發現支援這一點，即發現過量的 sirtuins 促進了秀麗隱杆線蟲的長壽。酵母母細胞壽命與 Sir2 相互作用和 SIr 蛋白之間的關係表明存在相關性。當酵母細胞分裂時，它們以不對稱的方式分裂。母細胞只能分裂一定次數，大約 20-30 次。不含 Sir2 的突變體壽命縮短，因為它們分裂的次數更少。發現過早衰老的 Sir2 突變體母細胞積累了額外的染色體外 rDNA 環，這些環積累是因為 rDNA 結合在 Sir2 突變體中不再受調節。
與癌症的可能聯絡
[edit | edit source]由於 sirtuins，特別是 SIRT6 在幫助維持基因組穩定性和調節代謝方面發揮著重要作用，因此 SIRT6 功能和可用性的問題被認為與致癌轉化和腫瘤發生有關。例如，某些癌症，如髓系白血病，在 SIRT6 染色體位點發生斷裂。此外，癌細胞表現出從有氧呼吸到糖酵解的轉變，這在 Warberg 效應中可見，導致癌細胞從氧化磷酸化轉變為有氧糖酵解。其他研究表明，H3K56 的乙醯化在許多癌症中增加，如皮膚癌、甲狀腺癌、乳腺癌、肝癌和結腸癌。
SIRT3 和口腔癌
研究和報道表明，SIRT3 與口腔鱗狀細胞癌 (OSCC) 癌形成的早期階段有關，即它抑制細胞生長並誘導早期細胞死亡。當這種 sirtuin 在乳腺癌中過量產生時，它會改變 p53 蛋白的修飾方式，以防止膀胱癌細胞隨著年齡的增長而發生細胞停滯和退化。與人類口腔角質形成細胞相比，SIRT3 水平高於應有水平，這證明了 OSCC 致癌過程中 SIRT3 的過表達。從那裡，測試了 sirtinol 和煙醯胺抑制劑，結果導致 OSCC 細胞中的細胞生長阻滯和誘導細胞死亡，這進一步證明了 SIRT3 在這些細胞中的過表達。但人們也研究和報道稱，SIRT3 卻完全相反，即它有助於維持細胞存活。它減少了細胞壓力，並使它們遠離誘導細胞死亡和凋亡。例如，Nampt 調節對壓力的反應和飲食，需要 SIRT3 在細胞暴露於改變基因的有害物質時保持存活。它還可以防止心臟衰竭並預防其他心臟問題。
參考文獻
[edit | edit source]Verdin, Eric, et al. Sirtuin regulation of mitochondria: energy production, apoptosis, and signaling. Cell Press. 669-675.
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