沉默信息調(diào)節(jié)因子1調(diào)控骨骼肌生理及病理過程的研究進展*

胡閩閩， 秦 虹

（中南大學(xué)湘雅公共衛(wèi)生學(xué)院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)教研室，湖南長沙410078）

骨骼肌在機體運動、呼吸及新陳代謝中發(fā)揮重要作用［1］。慢性阻塞性肺疾病、2型糖尿?。╰ype 2 diabetes mellitus，T2DM）、炎癥性肌病及肌營養(yǎng)不良癥等疾病中會出現(xiàn)骨骼肌生理功能障礙，而骨骼肌生理功能障礙又使疾病進一步惡化，形成惡性循環(huán)。因此，尋找骨骼肌生理及病理過程的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子對相關(guān)疾病的防治具有重要價值［2］。

沉默信息調(diào)節(jié)因子1（silent information regulator 1，SIRT1）是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依賴性Ⅲ類組蛋白脫乙酰酶，分布在肝臟、心臟、骨骼肌等組織中，在細胞分化、DNA 修復(fù)及自噬等多種生理及病理過程中發(fā)揮作用［3］。SIRT1 能調(diào)控骨骼肌的骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)換、線粒體生成和β 氧化、葡萄糖攝取、炎癥反應(yīng)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與萎縮等生理及病理過程，是骨骼肌相關(guān)疾病的潛在治療靶點。本文基于SIRT1 的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)作用，對近年來SIRT1 調(diào)控骨骼肌生理及病理過程的研究進展進行綜述。

1 SIRT1的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能

SIRTs 是與釀酒酵母中的染色質(zhì)沉默因子同源的一類進化高度保守的NAD+依賴性脫乙酰酶［4］。目前，在哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)其中7 種SIRTs（SIRT1～7），它們的結(jié)構(gòu)、亞細胞定位、組織分布及生理功能各不相同［5］。SIRT1 的分子量為120 kD，由 741 個氨基酸殘基組成，可分為 4 個部分：N 末端（第 1～180 位殘基）、變構(gòu)位點（第181～243 位殘基）、催化核心（第244～512 位殘基）與 C 末端（第 513～747 位殘基）［6］。其中，N 末端和C 末端高度無序，含有核定位信號和和輸出信號；變構(gòu)位點由4 個α 螺旋組成，其構(gòu)象改變會影響 SIRT1 的活性［7］；催化核心是發(fā)生 NAD+依賴性去乙酰反應(yīng)的區(qū)域，包括兩個子域：羅斯曼折疊形成NAD+結(jié)合區(qū)的大結(jié)構(gòu)域，由Zn2+結(jié)合區(qū)和螺旋區(qū)構(gòu)成的小結(jié)構(gòu)域［8］。

SIRT1在肝臟、心臟、骨骼肌、腦和肺等組織中廣泛分布，可催化組蛋白H1、H3和H4的賴氨酸殘基去乙?；部梢源呋痯53、叉頭轉(zhuǎn)錄因子（forkhead box transcription factor Os，F(xiàn)OXOs）、過氧化物酶體增殖劑激活受體γ、過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活子 1α（peroxisome proliferater activated receptor gamma coactivator-1α，PGC-1α）和核轉(zhuǎn)錄因子-κB（nuclear transcription factor-κB，NF-κB）等非組蛋白底物去乙?；?-10］。通過去乙酰化作用，SIRT1 改變了下游底物蛋白的轉(zhuǎn)錄活性或蛋白表達，影響著細胞周期調(diào)控、DNA 修復(fù)、自噬和炎癥等多種生理及病理過程，與心血管疾病、代謝綜合征、腫瘤等多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)［11-13］。在骨骼肌中，SIRT1 發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用，可作為骨骼肌相關(guān)疾病的防治靶點。

2 SIRT1調(diào)控骨骼肌生理進程

2.1 SIRT1調(diào)控骨骼肌線粒體功能 線粒體是細胞中物質(zhì)氧化磷酸化及腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）合成的主要場所，為細胞提供能量。此外，線粒體還影響細胞的信息傳遞、分化及凋亡等過程。少肌癥、肥胖、T2DM 等疾病的發(fā)生發(fā)展伴隨著骨骼肌線粒體功能障礙［14］。SIRT1 對骨骼肌線粒體功能的調(diào)控作用涉及線粒體的生成與β氧化。

2.1.1 SIRT1調(diào)控骨骼肌線粒體生成 線粒體生成涉及核基因和線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的轉(zhuǎn)錄、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的合成以及呼吸鏈蛋白的組裝等過程［15］。骨骼肌中線粒體生成反映了骨骼肌對運動等刺激的適應(yīng)能力，一旦發(fā)生障礙，會引起骨骼肌功能障礙和萎縮變性。

SIRT1 能通過多條代謝通路促進線粒體生成。熱量限制飲食促進小鼠SIRT1 表達后，透射電鏡下脛前肌中線粒體長度、寬度和相對密度均顯著增大，線粒體生成增多［16］。Zhang等［17］的研究顯示，在高糖環(huán)境中，真核表達質(zhì)粒載體pcDNA3.1 介導(dǎo)的SIRT1過表達顯著提高了C2C12肌管細胞的mtDNA 水平與檸檬酸合酶（citrate synthase，CS）的活性，提示SIRT1可逆轉(zhuǎn)高葡萄糖處理引起的線粒體生成減少。體內(nèi)實驗也證實，骨骼肌SIRT1特異性過表達的小鼠骨骼肌中SIRT1/SIRT3/線粒體呼吸鏈復(fù)合體I 通路被激活，線粒體生成增多［18］。SIRT1 還可以通過上調(diào)PGC-1α等基因的表達來促進骨骼肌線粒體生成。老年雌性大鼠在中等強度低負荷量訓(xùn)練后，SIRT1、SIRT3，以及PGC-1α、核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1，Nrf1）、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mitochondrial transcription factor A，Tfam）等線粒體生成相關(guān)基因的mRNA 表達顯著上升［19］。體外研究也顯示，高糖與高脂環(huán)境中C2C12肌管細胞經(jīng)SIRT1 激活劑DCHC干預(yù)后，PGC-1α、Nrf1、Nrf2和Tfam的轉(zhuǎn)錄水平上升［20］。此外，高強度間歇運動誘導(dǎo)的人體骨骼肌線粒體生成也伴隨著SIRT1 與PGC-1α 蛋白活性的升高［21］。但 Gurd 等［22］提出，小鼠骨骼肌中SIRT1的過表達抑制了線粒體生成。另一項研究也顯示，大鼠三頭肌和C2C12肌管細胞中SIRT1過表達導(dǎo)致細胞色素c 等線粒體相關(guān)蛋白的減少，而通過siRNA 抑制SIRT1表達后，線粒體相關(guān)蛋白增加［23］。因此，SIRT1促進骨骼肌線粒體生成的作用仍存在爭議，可能是實驗?zāi)Ｐ图罢T導(dǎo)SIRT1過表達方法的差異導(dǎo)致。

2.1.2 SIRT1 調(diào)控骨骼肌線粒體β 氧化 β 氧化是線粒體中脂肪酸氧化分解為乙酰輔酶A 和酮體并產(chǎn)生ATP 的過程，影響著骨骼肌的能量供應(yīng)。此外，線粒體β氧化還影響骨骼肌脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)，當(dāng)β氧化速率不足以消耗多余脂肪酸時，骨骼肌出現(xiàn)異位脂質(zhì)沉積，損害骨骼肌功能［24］。

SIRT1可以調(diào)控骨骼肌線粒體β 氧化酶的表達。Vil等［25］證實腺病毒介導(dǎo)的組織特異性SIRT1過表達的小鼠腓腸肌中肉毒堿棕櫚酰基轉(zhuǎn)移酶1b（carnitine palmitoyltransferase 1b，Cpt1b）、丙酮酸脫氫酶激酶 4（pyruvate dehydrogenase kinase 4，Pdk4）及解偶聯(lián)蛋白3 等線粒體β 氧化酶基因表達水平上升。體外實驗顯示，SIRT1敲除的C2C12肌管細胞中Pdk4、中鏈?；o酶A 脫氫酶及Cpt1b的mRNA 水平明顯降低，脂肪酸氧化速率同步下降［26］。人體研究也顯示，運動激活骨骼肌 SIRT1 后，CS、3-羥酰輔酶 A 脫氫酶及細胞色素C 氧化酶等線粒體酶活性增加［21］。以上研究表明SIRT1 可促進骨骼肌線粒體β 氧化酶的表達，但 Svensson 等［27］的研究指出，基于 Cre-LoxP 系統(tǒng)構(gòu)建的條件性骨骼肌SIRT1過表達小鼠模型的Pdk4、Cpt1b和極長鏈?；o酶 A 脫氫酶的 mRNA 豐度與野生型無明顯差異，可能是由于SIRT1過表達模型構(gòu)建方式的差異?？傊?，SIRT1促進線粒體β 氧化的作用存在爭議，且現(xiàn)有研究大部分處于轉(zhuǎn)錄水平，SIRT1 對β 氧化酶蛋白水平的影響有待進一步探索。

2.2 SIRT1調(diào)控骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)換 肌纖維是骨骼肌的基本單位，可根據(jù)代謝與收縮特性分為Ⅰ型（慢收縮型）肌纖維與Ⅱ型（快收縮型）肌纖維，其中Ⅱ型肌纖維又分為Ⅱa、Ⅱb和Ⅱx三種亞型［28］。這四類肌纖維分別表達不同的肌球蛋白重鏈（myosin heavy chain，MyHC）蛋白：MyHCⅠ、MyHCⅡa、MyHCⅡb 和 MyHCⅡx［29］。Ⅰ型肌纖維中琥珀酸脫氫酶（succinate dehydrogenase，SDH）等有氧代謝酶活性高，主要依靠有氧氧化產(chǎn)能；Ⅱ型肌纖維中乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase，LDH）等糖酵解酶活性高［30］。肥胖及T2DM 等疾病患者骨骼肌中Ⅰ型肌纖維的比例較健康者減少［31］。

肌纖維類型在運動、激素、營養(yǎng)條件改變等刺激下會發(fā)生轉(zhuǎn)換，這一過程受到復(fù)雜的代謝通路網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，SIRT1 在這一代謝網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用［32］。Ljubicic 等［33］的研究顯示，肌營養(yǎng)不良癥模型小鼠接受6周SIRT1天然激活劑白藜蘆醇的治療后，干預(yù)組較對照組的趾長伸肌與比目魚肌中Ⅰ型肌纖維特異性MyHC 蛋白表達增多，對營養(yǎng)不良病理變化的抵抗性增強。高脂飲食小鼠接受SIRT1 特異性激活劑SRT1720 干預(yù)后，小鼠骨骼?、裥图±w維比例升高，但體重和攝入量無明顯變化［32］。SIRT1 調(diào)控肌纖維類型轉(zhuǎn)換的作用機制與其下游轉(zhuǎn)錄因子PGC-1α 相關(guān)。體外實驗證實，C2C12肌管細胞經(jīng)SIRT1 抑制劑EX527 處理后，PGC-1α 和Ⅰ型肌纖維特異性MyHC蛋白表達同步降低［34］。Zeng等［35］的研究也揭示了該機制，斷奶仔豬在進食6 周白藜蘆醇飲食后，較正常飲食組背最長肌PGC-1α 蛋白表達明顯上升，SDH 活性和Ⅰ型肌纖維特異性MyHC 蛋白表達上升，而MDH 活性與Ⅱ型肌纖維特異性MyHC 蛋白表達下降。但在針對T2DM 患者的實驗中，12 周的白藜蘆醇干預(yù)并未改變PGC-1α 蛋白表達與肌纖維組成［36］。由此可見，SIRT1 能通過激活PGC-1α 促進肌纖維類型向Ⅰ型方向轉(zhuǎn)換，但在人體實驗中未顯示該作用，可能是SIRT1 激活劑使用時間過短，未來還需進行更多人體實驗來確定該作用。

2.3 SIRT1調(diào)控骨骼肌葡萄糖攝取 胰島素刺激下骨骼肌攝取的葡萄糖占全身外周組織的80%以上［37］，骨骼肌葡萄糖攝取障礙將引起血糖水平上升，并且會導(dǎo)致骨骼肌供能不足，影響人體的運動和呼吸。

白藜蘆醇干預(yù)可顯著上調(diào)L6 肌管細胞中胰島素刺激的葡萄糖攝取，提示SIRT1 具有促進骨骼肌糖攝取的潛力［38］。骨骼肌細胞的葡萄糖攝取涉及多條信號通路，PI3K/Akt 通路是主要通路之一［39］，SIRT1 促進骨骼肌糖攝取的作用與該通路相關(guān)。Schenk 等［40］的研究顯示，低熱量飲食小鼠骨骼肌中SIRT1被激活，引起PI3K的p55α/p50α亞基的轉(zhuǎn)錄水平和蛋白質(zhì)豐度均降低，提示PI3K 活性提高，同時葡萄糖攝取增加，然而這一現(xiàn)象在骨骼肌特異性敲除SIRT1的低熱量飲食小鼠中并未發(fā)生。蛋白激酶B 又稱Akt，是PI3K 激活葡萄糖轉(zhuǎn)運子（glucose transporter，GLUT）的中間蛋白，其激活標(biāo)志是Ser473 和Thr308 位點的磷酸化［41］。據(jù)報道，SIRT1 抑制劑EX527 可直接抑制人骨骼肌細胞胰島素抵抗模型中Akt 蛋白 Ser473位點磷酸化，并減少葡萄糖攝?。?2］。滕飛［43］的實驗表明，C2C12肌管細胞在過表達非編碼小分子 RNA-204 后，SIRT 1 與磷酸化 Akt 表達減少，GLUT4 的活性降低，糖攝取能力受損，而SIRT1 激活劑干預(yù)可以逆轉(zhuǎn)該趨勢。也有學(xué)者證實，高脂飲食喂養(yǎng)的骨骼肌特異性SIRT1過表達小鼠較野生型小鼠的腓腸肌和脛骨肌中磷酸化Akt/總Akt 的比值增加，但股四頭肌中無顯著差異［25］，可能是由于不同部位骨骼肌的代謝差異。總之，SIRT1在骨骼肌葡萄糖攝取中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，現(xiàn)存研究揭示了其調(diào)控PI3K/Akt通路這一機制，后續(xù)研究可探尋其他機制。

3 SIRT1調(diào)控骨骼肌病理過程

3.1 SIRT1調(diào)控骨骼肌炎癥反應(yīng) 骨骼肌炎癥反應(yīng)的主要表現(xiàn)是肌間免疫細胞的浸潤增加與促炎性活化，會對骨骼肌功能產(chǎn)生不良影響［44］。

SIRT1 具有調(diào)控骨骼肌炎癥反應(yīng)的潛力。劉承宜等［45］的實驗表明，煙酸補充可上調(diào)運動性骨骼肌損傷大鼠模型比目魚肌的SIRT1 表達，進而減輕炎癥細胞數(shù)量和炎癥灶面積。SIRT1 減輕炎癥的作用與炎癥信號通路相關(guān)，長期游泳運動促進T2DM 小鼠股四頭肌中SIRT1轉(zhuǎn)錄，NF-κB 蛋白表達明顯下降，同時腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNFα）的 mRNA 水平下降，白細胞介素 10（interleukin-10，IL-10）的 mRNA 水平上升，提示 SIRT1 能調(diào)控炎癥信號通路［46］。Yoshizaki 等［47］的研究顯示，敲低RAW264.7小鼠巨噬細胞的SIRT1后，脂多糖刺激的c-Jun 氨基末端激酶與IκB 激酶的磷酸化明顯增多，導(dǎo)致NF-κB 被激活，同時，TNFα、IL-1β 等促炎因子的表達上升，炎癥反應(yīng)加重。SIRT1激活也可直接使 NF-κB 去乙?；瑢?dǎo)致 NF-κB 與 MMP9 啟動子的結(jié)合下降，進而抑制炎癥信號通路［48］。燒傷小鼠骨骼肌的炎癥反應(yīng)增強，但在誘導(dǎo)SIRT1 活化后，NF-κB p65 亞基的乙?；?DNA 結(jié)合能力增強，NF-κB下游的促炎因子基因的轉(zhuǎn)錄水平顯著降低［49］。這說明SIRT1 活化后能抑制炎癥信號通路，進而下調(diào)炎癥反應(yīng)。此外，SIRT1還可通過影響巨噬細胞極化來抑制炎癥反應(yīng)［50］。巨噬細胞極化后分為M1 型巨噬細胞和M2 型巨噬細胞，前者高表達促炎因子，促進炎癥的發(fā)生發(fā)展，而后者高表達精氨酸酶1（arginase 1，Arg1）與甘露糖受體（mannose receptor，MR），起抗炎作用，兩者的比例影響著炎癥反應(yīng)過程［51］。Zhang 等［50］的研究證實，SIRT1過表達的小鼠巨噬細胞中M1 型巨噬細胞標(biāo)志因子：TNFα、IL-6 及單核細胞趨化蛋白1 表達減少，M2 型巨噬細胞標(biāo)志因子：Arg1與MR 表達增加，說明SIRT1可促進巨噬細胞向M2 型方向極化，其具體機制是SIRT1 抑制蛋白酪氨酸磷酸酶1B 表達，進而促進信號傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白的磷酸化來激活M2型巨噬細胞標(biāo)志因子的表達。以上結(jié)果證實，SIRT1 可通過多種機制抑制炎癥反應(yīng)，有利于骨骼肌正常功能的維持。

3.2 SIRT1 調(diào)控骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 在高脂飲食、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏及病毒感染等生理或病理刺激下，會發(fā)生細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，即內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)折疊能力與細胞需求不平衡，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的錯誤折疊或未折疊，伴隨Ca2+平衡的紊亂［52］。骨骼肌細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激往往伴隨著肥胖、T2DM 等代謝病及肌營養(yǎng)不良、肌炎等肌肉相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展。

SIRT1 可以抑制骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。IL-15 是骨骼肌細胞中高表達的一種細胞因子，在IL-15過表達的小鼠骨骼肌中，SIRT1轉(zhuǎn)錄水平明顯上升［53］。另一項研究顯示，IL-15 蛋白表達上調(diào)后，骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激緩解［54］，說明SIRT1 可能與骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)。Sun等［55］報道，在高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠骨骼肌胰島素抵抗模型與棕櫚酸處理的C2C12肌管細胞胰島素抵抗模型中，SIRT1均可通過激活肌漿網(wǎng)鈣泵蛋白來改善細胞Ca2+平衡，從而抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)。目前，SIRT1 調(diào)控骨骼肌內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的研究較少，還需進行更多體內(nèi)外實驗來驗證該作用，并闡明相關(guān)機制。

3.3 SIRT1 調(diào)控骨骼肌萎縮 在多種慢性疾病、衰老及神經(jīng)損傷期間肌肉長期不活動等狀態(tài)下會發(fā)生骨骼肌萎縮，即骨骼肌蛋白質(zhì)的加速降解，涉及泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome system，UPS）與自噬等多條蛋白質(zhì)水解途徑［56］。

SIRT1 可以抑制骨骼肌萎縮。Chalkiadaki 等［57］的研究顯示，不論是在基礎(chǔ)條件下，還是在禁食或切斷坐骨神經(jīng)誘導(dǎo)肌肉萎縮時，骨骼肌特異性SIRT1過表達小鼠較野生型小鼠的肌肉萎縮基因F box-1（muscle atrophy F-box，MAFbx）和肌肉特異性環(huán)指蛋白 1（muscle-specific RING finger protein 1，MuRF1）的轉(zhuǎn)錄水平升高，肌纖維橫截面積增大，且該作用依賴FOXO1 和FOXO3 的介導(dǎo)。超負荷誘導(dǎo)的骨骼肌肥大小鼠模型也證實，SIRT1 通過抑制FOXO1 蛋白表 達 來 下 調(diào) MuRF1 等 UPS 相 關(guān) 蛋 白 的 表 達［58］。MAFbx 和 MuRF1 是調(diào)控骨骼肌 UPS 的關(guān)鍵因子，其表達上調(diào)將導(dǎo)致蛋白質(zhì)泛素化進而被降解，這說明SIRT1 可通過抑制UPS 來阻礙骨骼肌萎縮進程。此外，SIRT1 抑制骨骼肌萎縮的作用還與自噬相關(guān)，SIRT1過表達引起禁食48 小時的小鼠脛骨前肌中自噬相關(guān)蛋白4b（autophagy related protein 4b，Atg4b）、γ 氨基丁酸受體相關(guān)蛋白樣1 和Bcl2/腺病毒E1B 相互作用蛋白3等自噬相關(guān)基因的mRNA水平下降，肌肉重量及肌纖維橫截面積同步增加［59］。Fry 等［60］也證實，脊椎橫斷模擬截癱大鼠較假手術(shù)大鼠比目魚肌中的SIRT1 蛋白表達降低37%，下游蛋白p53 乙酰化明顯增加，且自噬標(biāo)志基因Atg7和Beclin-1的轉(zhuǎn)錄水平升高，肌肉重量下降，提示SIRT1 通過調(diào)節(jié)p53活性來下調(diào)自噬水平，進而抑制骨骼肌萎縮。由此可知，SIRT1具有抑制多種動物模型骨骼肌萎縮的功能，可能成為多種相關(guān)疾病的治療靶點。

4 結(jié)語

活化后的SIRT1 可通過使下游底物蛋白去乙?；瘉碚{(diào)控多條信號通路，參與細胞中多個生理及病理過程。近年來，SIRT1對骨骼肌生理及病理過程的研究不斷深入，其對骨骼肌纖維類型轉(zhuǎn)換、線粒體生成和β 氧化、葡萄糖攝取等生理過程及炎癥、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、萎縮等病理過程的影響與機制逐漸明確，提示SIRT1 可作為骨骼肌相關(guān)疾病的防治靶點。但由于實驗?zāi)Ｐ?、干預(yù)SIRT1 表達的方法及檢測指標(biāo)的差異，現(xiàn)存研究結(jié)果仍存在不同見解，SIRT1 調(diào)控骨骼肌生理及病理過程的具體機制未完全闡明，未來還需進行更加嚴(yán)謹(jǐn)系統(tǒng)的研究。此外，SIRT1對骨骼肌的增殖分化、氧化應(yīng)激等其他生理及病理過程的調(diào)控作用也有待探索。