沉默信息调节因子5在心血管疾病中的作用研究进展

于达云,许锦文,凌 霜

(上海中医药大学交叉科学研究院,上海 201203)

心血管疾病(cardiovascuar diseases,CVDs)是一系列涉及心脏、血管等循环系统的疾病,具有高患病率、高致残率、高复发率和高病死率的特点。CVDs是全球死亡率的最主要原因,在中国CVDs死亡人数也占总死亡人数的 40%[1]。目前我国城市居民冠心病(coronary heart disease,CHD)、急性心肌梗死、肥厚型心肌病发病率明显增加,表明CVDs已经成为现代人生命健康安全的重要威胁,并且CVDs庞大的患病人群为我国的医疗体系带来了严重的负担,成为现代社会的重大公共医疗卫生问题。

沉默信息调节因子5 (silent information regulator 5,SIRT5)是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)依赖性脱酰基酶,可催化从蛋白质中脱除乙酰基、琥珀酰基、丙二酰基和戊二酰基。由于SIRT5的活性位点存在两个带正电荷的氨基酸Tyr102和Arg105,因此它偏好带负电荷的酰基(如琥珀酰赖氨酸)[2]。SIRT5对线粒体蛋白的翻译后修饰(protein post-translational modifications)和活性调节起重要作用,可以调控线粒体的代谢途径,如氧化磷酸化、活性氧(reactive oxygen species,ROS)合成、三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)合成与代谢、酮体生成等。氨甲酰磷酸合成酶1(carbamoyl phosphate synthetase I,CPS1)作为尿素循环的第一步的限速酶,SIRT5还可以将CPS1去乙酰化,从而调控尿素循环。

SIRT5在心肌细胞中广泛分布,在CVDs中发挥着重要的作用。本文将对SIRT5的病理生理学作用及其与CVDs研究新进展作一综述,为CVDs的发病机制和临床防治提供新的研究思路。

1 SIRT5的病理生理学作用

SIRT5在心肌细胞内能够调控细胞能量代谢、改善细胞ROS生成和抑制炎症反应。这些作用对于改善心肌细胞的功能、防治CVDs是有益的。

1.1 SIRT5调控能量代谢成年哺乳动物的心脏需要大量能量来维持收缩功能。鉴于心肌细胞的能量存储有限,必须通过持续氧化来连续产生ATP,维持心脏正常功能[3]。SIRT5功能涉及到线粒体代谢的方方面面。SIRT5可以通过脱乙酰基、脱琥珀酰基、脱丙二酰基和脱戊二酰基的作用,调节心磷脂的亲和力和改善丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase)、琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase,SDH)、醛缩酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceral-dehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)、M2-型丙酮酸激酶(M2 isoform of pyruvate kinase,PKM2)、线粒体三功能蛋白α-亚基(mitochondrial trifunctional protein-α)和3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合酶2 (3-hydroxy-3-methylglytaryl-CoA synthetase 2,HMGCS2)等酶的活性,参与呼吸链、三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA cycle)、糖酵解、脂肪酸β-氧化(fatty acid β-oxidation,FAO)和酮体生成等过程。因此,SIRT5缺乏或活性降低会减少心脏线粒体的能量供应。SIRT5过表达则可逆转线粒体功能障碍和能量代谢损害,如线粒体DNA编码基因表达增多,线粒体膜电位增加,ATP生成增加等,从而减少心肌细胞线粒体功能障碍和代谢损伤。FAO是心肌细胞ATP的主要来源,FAO的减少导致心肌细胞ATP合成降低,心肌细胞就会处于能量匮乏状态,从而影响心脏的正常功能。

1.2 SIRT5调控炎症反应GAPDH和PKM2是与炎症密切相关的代谢酶。近年研究揭示,在静息巨噬细胞中,肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α) mRNA被GAPDH与3′UTR结合后转录抑制,当糖酵解由于葡萄糖或内毒素耐受性有限而下调时,GAPDH在更大程度上结合TNF-α mRNA。这种结合抑制了转录本的翻译,从而限制了TNF细胞因子的产生[4],而细胞响应脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)后,GAPDH则出现丙二酰化,传递炎症信号。SIRT5的缺失同样增加GAPDH的丙二酰化,从而参与炎症反应。在LPS激活的巨噬细胞中,PKM2与缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α)复合物在促炎因子白细胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)启动子处形成,IL-1β增加[5]。此外,PKM2 或真核细胞翻译起始因子2AK2(eukaryotic translation initiation factors 2AK2) 的药理和遗传抑制减弱了Nod样受体蛋白3(Nod-like receptor protein 3)和黑色素瘤缺乏因子2(absent in melanoma 2)炎症小体的活化,从而抑制了巨噬细胞释放 IL-1β、IL-18 和高迁移率族蛋白B1(highmobilitygroupbox-1)。SIRT5缺陷导致PKM2高度琥珀酰化,促进IL-1β产生,炎症反应增强[6]。

1.3 SIRT5调控氧化应激SIRT5降低氧化应激能力体现在多个方面。SDH,也称为线粒体复合物Ⅱ,连接三羧酸循环和氧化磷酸化两个基本的能量产生过程。作为SDH的脱琥珀酰基酶,SIRT5缺失显示出SDH驱动的呼吸链活性下降,ATP合酶的酶活性也显著降低,并且SIRT5的沉默可导致SDHA的琥珀酰化和再激活。SIRT5的这种具有逆转线粒体呼吸链紊乱的能力,可以削弱缺血/再灌注引起的心肌细胞损伤。SIRT5也分别使异柠檬酸脱氢酶2 (isocitrate dehydrogenase 2,IDH2)和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 (glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency) 脱琥珀酰化和脱戊二酰化,激活这两种酶生产NADPH。而SIRT5的敲除可降低谷胱甘肽(glutathione)水平,细胞清除ROS的能力降低和增加细胞对氧化应激的敏感性[7]。SIRT5在线粒体外亦有分布。SIRT5可对过氧化物酶体酰基辅酶A氧化酶1(acyl-Co A oxidase 1,ACOX1)脱琥珀酰化且抑制其活性,可以防止氧化损伤,这是因为ACOX1是过氧化物酶体中H2O2的主要生产者和FAO的第一个限速酶[8]。铜锌超氧化物歧化酶(copper-zinc superoxide dismutase,SOD1)的琥珀酰化会降低其活性,而SIRT5与SOD1的结合和脱琥珀酰化可以激活其活性,降低ROS的水平[9]。

2 SIRT5在心脏疾病中的作用

SIRT5在心脏表达丰富。许多研究揭示了SIRT5功能与CVDs有着密切的关联,如心肌梗塞、心脏肥大、心律失常、心力衰竭等。

2.1 SIRT5在心肌梗塞和缺血/再灌注中的作用CHD通常发生在心肌梗塞和继发性的急性心肌缺血/再灌注损伤。对患有急性ST段抬高型心肌梗塞(ST-segment elevation myocardial infarction)的溶栓治疗或要经皮冠状动脉介入治疗往往引起急性心肌缺血/再灌注损伤。SIRT5因为在线粒体中具有抗氧化作用,因此在CHD中扮演重要角色。心肌血流供应不足会引起心肌细胞内一系列突然的生化改变和代谢变化,TCA cycle、电子传递链和脂肪酸氧化酶表达减少,糖酵解增加,乳酸积累,伴随心肌收缩功能受到抑制。在心肌缺血/再灌注期间,线粒体复合物I是病理性ROS产生的核心,线粒体内ROS是导致缺血/再灌注损伤机制的特定驱动因素,包括诱导线粒体通透性转变,这是心脏缺血/再灌注损伤的基础[10]。

临床实验和动物实验表明,急性心梗患者和大鼠的血清中有大量的丙二酰化、琥珀酰化和戊二酰化蛋白。急性心梗患者的SIRT5基因启动子上存在11个DNA序列变异(DNA sequence variation,DSV)和单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP),这些DSV 和 SNP降低了心肌细胞SIRT5基因启动子的转录活性。Jennifer等[11]研究发现,SIRT5敲除小鼠与WT组小鼠相比,在缺血20 min和再灌注90 min后,SIRT5敲除小鼠的心脏梗死面积相对于WT组小鼠增加。该研究揭示在SIRT5敲除小鼠的心脏中,被琥珀酸高度修饰的46种独特蛋白质参与了代谢过程。进一步研究发现, SIRT5敲除小鼠心脏的缺血/再灌注损伤可通过对SDH竞争性抑制剂丙二酸二甲酯(dimethyl malonate)进行预处理恢复到WT水平,表明SDH活性的改变是心肌损伤的原因。此外,也有研究发现,外源NAD给药可促进SIRT5介导的SDHA脱琥珀酸化,降低SDHA的活性,从而减少缺血时琥珀酸的积累和再灌注时琥珀酸的消耗速率,最终减少活性氧的产生[12]。另有研究表明,小鼠肝细胞特异性过表达SIRT5能降低其实验性心肌梗塞面积和心肌纤维化,改善心脏功能,提升肝细胞特异性SIRT5过表达小鼠血液和心肌中的成纤维细胞生长因子21(fibroblast growth factor)水平,质谱显示小鼠肝脏线粒体的TCA cycle、氧化磷酸化和FAO途径的蛋白质水平升高[13]。

2.2 SIRT5在心肌肥大中的作用心脏是体内最大的耗氧器官。ATP可为心脏提供促进心肌收缩功能的化学能,为了维持正常的收缩和舒张功能,心脏需要较高的ATP合成速率。线粒体电子运输链的损伤和氧化磷酸化的下降是心脏肥大发展的重要步骤。SIRT5敲除可减弱小鼠横向主动脉缩窄术(transverse aortic constriction,TAC)诱导的小鼠心肌肥厚和心功能障碍,SIRT5敲除后线粒体NADH增加、ATP生成受到抑制,AMP/ATP比值增加,导致在能量应激情况下小鼠心脏腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophos‐phate-activated protein kinase,AMPK)激活增强。脂肪酸是维持心脏收缩功能的主要能量来源,因此脂肪酸代谢的减少可能导致心脏功能障碍。研究发现SIRT5敲除小鼠随着年龄的增长,参与线粒体脂肪酸氧化的ECHA活性降低、长链酰基辅酶A增加、心脏ATP生成减少、心脏重量相对于体质量比值增加、缩短分数和射血分数减少,发展成为肥厚性心肌病[2]。TAC引起小鼠死亡率增加与病理性肥大增加以及心脏功能和心室顺应性的关键异常有关。另一研究也证实SIRT5具有在压力超负荷下维持心脏氧化代谢以确保生存的关键作用。SIRT5敲除小鼠加剧了线粒体代谢异常,如脂肪酸氧化和葡萄糖氧化的明显减少,以及线粒体NAD+/NADH减少。

2.3 SIRT5在心律失常中的可能作用心房颤动是最常见的心律失常,与猝死和心力衰竭密切相关。心脏有很高的能量需求,然而心房颤动患者的心肌细胞的能量合成受损。有临床研究证实心房颤动患者的氧化磷酸化功能降低、TCA cycle异常和氧化应激增加[14]。基于心脏的琥珀酰辅酶A浓度比任何其他器官都要高得多的情况,有研究观察了心房颤动患者的蛋白质琥珀酰化状况。经由蛋白质-蛋白质相互作用网络分析表明,表现出心房颤动状态的心脏中赖氨酸琥珀酰化蛋白质在能量代谢、细胞外基质相关和细胞结构相关蛋白质中高度富集[15],而在能量代谢方面,蛋白质琥珀酰化主要富集在氧化磷酸化、三羧酸循环和脂肪酸代谢。由此可见,在心房颤动过程中,蛋白质琥珀酰化和SIRT5的脱琥珀酰化是心脏能量代谢的一种潜在调节环节。

2.4 SIRT5在动脉粥样硬化中的作用在正常生理条件下,机体的组织损伤后会形成血栓,但是会被纤溶系统清除。但在病理条件下,血管内皮损伤后,纤溶酶原激活物抑制剂1(plasminogen activator inhibitor 1,PAI-1)局部释放到循环中,损害纤维蛋白溶解,促进急性动脉的血栓形成。研究表明,AMPK可以抑制核因子κB(nuclear factor kappa B)介导的PAI-1的表达[16]。SIRT5缺乏抑制线粒体ATP产生,导致AMP/ATP比率上升,AMPK被活化。因此,在SIRT5敲除小鼠中,动脉血栓形成减弱,组织型酶原和尿激酶原表达增加,促进纤溶系统激活,纤维蛋白溶解增加,降低血栓稳定性并促进其溶解[16],提示在动脉粥样硬化血栓事件的背景下,抑制SIRT5活性可以作为一个潜力治疗靶点。

2.5 SIRT5在心力衰竭中的作用代谢调节与心脏功能密不可分。心力衰竭的“能量耗竭”假说表明,ATP供应不足是心力衰竭中存在的收缩功能障碍的基础。能量代谢维持了正常心脏的收缩功能,长期以来一直认为能量代谢受损在心力衰竭中起着核心作用。在晚期心力衰竭中,脂肪酸利用率显着降低的同时,酮体利用明显增加,酮体是心脏ATP的主要燃料来源。SIRT5在体内和体外调节限速生酮酶 HMGCS2的琥珀酰化[17]。

特别在老年人中,心脏纤维化是导致心力衰竭负担日益加重的主要驱动因素,亦是一个心力衰竭病理学的核心,无论是对缺血性心脏病还是对非缺血性心脏病的预后都有重要意义。除了已知的转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)和血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ)等多种促纤维化因子激活肌成纤维细胞的增殖和生长以外,心脏成纤维细胞的线粒体代谢异常也与心脏纤维化有关。IDH2表达降低导致α-酮戊二酸(alpha-ketoglutarate)水平下降可引起TGF-β非依赖性的纤维化。SIRT5可使IDH2的脱琥珀酰化,激活该酶生产NADPH,减少ROS。甚至肝脏过表达SIRT5的小鼠也缩小了实验性心肌梗死面积,抑制了心肌纤维化和提高了心脏功能[13]。槲皮素处理TAC诱导的心力衰竭小鼠,可以提高SIRT5表达和促进IDH2的脱琥珀酰化,抑制炎症反应和氧化应激损伤,抑制心肌纤维化和改善小鼠心脏功能[18]。

心力衰竭的机制还涉及心脏微循环的内皮功能障碍,心力衰竭患者心脏的毛细血管密度和循环内皮祖细胞(endothelial progenitor cells,EPCs)减少。EPCs是来源于骨髓的细胞,在生理或病理刺激下,能够分化成功能性内皮细胞,参与内皮表面修复。在血管损伤的内皮修复过程中,内皮祖细胞的趋化因子受体4(chemokine receptor 4,CXCR4)是基质细胞衍生因子1(stromal cell-derived factor 1)的受体,是EPC归巢至受损血管和再内皮化的关键调节者,CXCR4 基因转移增强的EPC体外功能和体内再内皮化能力被针对 CXCR4 或/和酪氨酸蛋白激酶2(Janus kinase 2)抑制剂AG490的中和抗体消除。高血压患者中EPCs的SIRT5表达显着降低,这与线粒体功能障碍有关。CXCR4基因转移增强了SIRT5表达,改善了线粒体功能并增强了EPCs的血管修复和再内皮化能力[19],提示SIRT5对EPCs介导的血管修复的再内皮化是有益的(Fig 1)。

Fig 1 Protective mechanisms of SIRT5-mediated heart failure

3 SIRT5的激活剂和抑制剂

最新进展刺激了线粒体SIRT5的研究和药物开发。如前所述槲皮素可通过提高SIRT5表达,促进IDH2去琥珀酰化,维持线粒体稳态,保护炎症状态下的小鼠心肌细胞,改善心肌纤维化[18]。白藜芦醇是可以刺激SIRT5活性的[9]。另有报道指出,白藜芦醇给药能阻止2型糖尿病大鼠心脏中SIRT5的改变[20]。此外白藜芦醇通过提高SIRT5活性,激活伴随着线粒体代谢的恢复和早期脑损伤的减轻以及脱琥珀酰柠檬酸合酶和ATP合酶,起到保护小鼠蛛网膜下腔出血[21]。最近研究报道,抗高血压药物肼屈嗪通过靶向cAMP依赖性蛋白激酶(protein kinase)可以增加SIRT5活性,改善线粒体功能和代谢稳态,从而抗氧化应激和延长寿命[22]。还有,新近美国公开专利显示偕二氟烟酰胺核苷(gem-diF-NR,gem-difluoronicotinamide riboside)具有激活SIRT5活性的能力[23]。

相对于SIRT5激活剂的研究,抑制剂研究有着很大进展,已有多种化合物在酶学上展示出良好的SIRT5抑制效果(Tab 1)。这意味着SIRT5在防治动脉血栓形成以及其他疾病显示有潜力的应用[24]。

Tab 1 SIRT5 desuccinylase activity inhibitor

4 总结与展望

SIRT5介导SDHA脱琥珀酰化,降低SDHA的活性,通过减少ROS的产生,改善心功能;SIRT5敲除后线粒体NADH增加、ATP生成受到抑制,AMP/ATP增加,小鼠AMPK激活增强;此外SIRT5敲除小鼠加剧了线粒体代谢异常,如脂肪酸氧化和葡萄糖氧化的明显减少,以及线粒体NAD+/NADH减少;SIRT5缺乏通过抑制线粒体ATP产生,活化AMPK,还可以抑制PAI-1,使动脉血栓形成减弱,纤溶系统激活,降低血栓稳定性并促进其溶解,说明抑制SIRT5活性可以作为治疗动脉粥样硬化血栓的一个潜在治疗靶点;SIRT5参与酮体生成和氧化应激,还通过改善线粒体功能并增强EPCs 的血管修复和再内皮化能力,从而改善心衰。

综上所述,SIRT5通过脱琥珀酰化、丙二酰化和戊二酰化,调控能量代谢、炎症反应、氧化应激等病理生理学机制,参与心肌梗塞、心肌肥大、心律失常、动脉粥样硬化以及心衰等CVDs的发病机制,其活性或表达异常参与心肌梗塞、心肌肥大、心力衰竭等CVDs的发生发展密切相关。

此外SIRT5的抑制剂在治疗动脉血栓形成方面具有很大的研发前景,SIRT5对心脏功能的影响还需后续的研究来挖掘,从而为CVDs的发病机制研究和临床防治提供新的研究思路。