SIRT蛋白家族的那些事

关于Sirtuin蛋白家族 

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。哺乳动物Sirtuin可与p53、FOXO/PGC-1α、NF-κB、Ku70等蛋白相互作用调控着细胞应激反应、代谢、衰老和凋亡等过程。Sirtuin在临床医学与基础研究中具有重要意义。

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。大的结构域主要由Rossmann折叠构成；小的结构域含一个锌指结构。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的去乙酰化作用与ADP-核酸转移作用可能是去乙酰化过程中被添加到底物中去。另外，有些Sirtuin成员可能仅有ADP-核糖转移酶活性。

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（histone acetylase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，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(trichostatin A)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(silence information negulator2, 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同源蛋白质统称为Sir2相关酶类(Sirtuins)。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。

一直以来Sirtuin蛋白家族都是科学界的广泛关注焦点，尤其是SIRT1这一成员，有人甚至将其编码基因称为“长寿基因”。很多护肤品公司宣称，抗衰老产品内添加的白藜芦醇能激活SIRT1，在2008年葛兰素史克公司还花了七亿多美元购买了专注于SIRT1药物开发的一家生物技术公司。与此同时SIRT家族的其他成员也越来越受到科学家的重视。

下面为近一年来最新的SIRT蛋白家族研究进展~~

1SIRT6维持人干细胞新机制

2016年1月15日，中科院生物物理所、北京大学及中科院动物所合作，在Cell Research杂志发表了题为“SIRT6 safeguards human mesenchymal stem cells from oxidative stress by coactivating NRF2”的研究论文。该研究首次揭示在人间充质干细胞中，H3K9并非内源性SIRT6的有效底物，相反，SIRT6通过其特异的H3K56去乙酰化酶活性发挥对NRF2靶基因的转录激活作用，首次揭示了SIRT6协同转录因子NRF2，共同激活抗氧化基因的表达，参与人类干细胞稳态维持的新机制。此外，该项研究首次揭示了SIRT6具有“抗氧化”的生物学活性，这对于深入理解SIRT6对衰老和寿命的调控及探索衰老相关疾病的干预具有重要的意义，为衰老和衰老相关疾病的研究和干预提供了新的潜在靶点和思路，为人类SIRT6的生物学功能研究提供了新视角。

图：SIRT6作为NRF2的辅助激活因子调节人间充质干细胞的氧化还原稳态（Pan et al. Cell Res. 2016）。

2SIRT5调节胞质和线粒体蛋白丙二酰化

最近，加州大学与杭州景杰生物科技有限公司在权威的生命科学期刊Molecular Cell上发表一篇题为”SIRT5 Regulates both Cytosolic and Mitochondrial ProteinMalonylation with Glycolysis as a Major Target”的文章, 揭示了SIRT5是赖氨酸丙二酰化的全局性调控因子，并通过糖酵解途径来调节能量循环。此外，SIRT5还被证明能够抑制糖酵解途径的负反馈作用，这一负反馈作用是由malonyl-CoA来调节的，而malonyl-CoA又是赖氨酸丙二酰化修饰的丙二酰基供体。不久前发表的”Lysine malonylation iselevated in type 2 diabetic mouse models and enriched in metabolic associatedproteins”中也曾提到，2型糖尿病及前驱糖尿病中malonyl-CoA水平有显著上调，其生物功能可能间接影响赖氨酸丙二酰化修饰的生物学意义。

3SIRT3蛋白质或可抵制肥胖炎症

美国国家卫生研究所的科学家发现了一种可治疗肥胖引起的炎症的化学分子。研究发现肥胖者饮食过多（过多的卡路里摄入）会引发炎症，这可能会增加2型糖尿病 风险。该科学研究团队发现，一种叫做SIRT3的蛋白质可以抵制这种炎症的发生，而且可以潜在地预防或者治疗肥胖引起的一些炎症疾病。

4揭示白藜芦醇促进去乙酰化酶SIRT1酶活性的机制

美国Genes & Development 杂志发表了中国科学院生物物理研究所关于白藜芦醇促进去乙酰化酶SIRT1酶活性作用机制的最新研究进展，标题为Structural basis for allosteric, substrate-dependent stimulation of SIRT1 activity by resveratrol。该研究解析了SIRT1“全酶”(包括N端调节区域、催化核心结构域及C端调节区域)与三个白藜芦醇小分子以及AMC荧光标记的p53小肽三元复合物的晶体结构，并且通过突变体实验、结合实验和活性实验确定了三个白藜芦醇小分子的重要性及作用机制。对整个激活过程最为重要的两个白藜芦醇小分子一方面与底物p53小肽的AMC荧光环相互作用，另一方面与SIRT1的N端调节区域相互作用，从而使蛋白与底物之间的结合更为紧密。然而对于没有AMC荧光修饰的天然小肽，白藜芦醇则不能促进SIRT1的去乙酰化酶活性。

这项工作阐述了白藜芦醇依赖于荧光修饰的底物和SIRT1的N端结构域来促进SIRT1酶活性的分子机理，为该研究领域一直以来的争论提供了一个明确的答案，对进一步研究SIRT1酶活性调节以及开发新的SIRT1激动剂具有重要意义。