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SIRT1 与眼科疾病的研究进展

基金项目: 黑龙江省自然科学基金项目(No. D201254)
发表时间:2015-02-05
作者单位:(150001)中国黑龙江省哈尔滨市,哈尔滨医科大学第一附属医院眼科医院
作者简介:徐可可,在读硕士研究生,研究方向:白内障、青光眼。
通讯作者:李志坚,主任医师,硕士研究生导师,研究方向:白内障、青光眼.

摘要

沉默信息调节因子相关酶 1( sirtuin type1,SIRT1) 是一种 细胞代谢辅酶 NAD +依赖的芋类组蛋白去乙酰化酶,通过 转录调控,参与基因转录、能量代谢以及细胞衰老过程的 调节,具有延长生物寿命和延缓多种年龄相关性疾病发展 的作用,在抗衰老研究领域备受关注。 近年的研究显示 SIRT1 在眼科多种疾病的发病机制中占有重要的地位,尤 其是眼表疾病、青光眼、白内障、葡萄膜炎以及眼底病等, 针对 SIRT1 活性的促进可能成为眼科新型药物的治疗靶 点。 本文将对 SIRT1 与眼科疾病的研究报道进行综述。

 

引言

SIRT1 是一种细胞代谢辅酶 NAD +依赖的芋类组蛋白 去乙酰化酶,具有延长低等生物寿命和延缓多种年龄相关 性疾病发展的作用,在抗衰老研究领域备受关注[1-4] 。 SIRT1 在眼部组织的大多细胞核和细胞质中表达,包括有 角膜、虹膜、晶状体和视网膜等,SIRT1 的表达在眼科多种 疾病的发生、发展及转归中占有重要的角色,如白内障、葡 萄膜炎、视神经病变以及视网膜退行性疾病[5] 。 近年来有 关 SIRT1 与眼科疾病的研究报道也逐渐增多,针对 SIRT1 活性的促进可能成为眼科新型药物的治疗靶点。

1 SIRTS 家族的概述

沉默信息调节因子相关酶类( SIRTs)是 NAD +依赖的 去乙酰化酶,从细菌到人类广泛分布,是一类在进化中高 度保守的蛋白质家族,通过去乙酰化组蛋白和非组蛋白, 在细胞的生存、凋亡、肿瘤的发生发展、代谢性疾病以及抗 衰老等方面扮演着非常重要的角色。 最初在酵母中被发 现鉴定并命名为沉默信息调节因子 2 相关酶类( Sir2)。 目前在人类已经发现 7 个 Sir2 的同源物蛋白,分别命名为 SIRT1-SIRT7,每个蛋白都有不同的细胞靶标和细胞定 位。 SIRT1,SIRT2,SIRT3,SIRT5 具有组蛋白去乙酰化酶 活性,而 SIRT4,SIRT6,SIRT7 则不具备这种酶活性。 其中 SIRT1 是家族中研究最为深入的一员,研究表明在衰老与 年龄相关性疾病中扮演着重要角色[1-4,6] 。 故本文主要介 绍 SIRT1 与眼科相关疾病的研究,及其作为潜在治疗靶标 的意义。

2 SIRT1 眼部的分布及功能

Jaliffa 等[7]在成年鼠的角膜、晶状体、葡萄膜、睫状体 和视网膜发现了 SIRT1 的表达。 在鼠的角膜组织里, SIRT1 主要定位于角膜上皮的细胞核和细胞质,角膜基质 细胞和内皮细胞的细胞核中;在睫状体中,主要定位于睫 状突细胞的细胞核中;在晶状体中主要定位于上皮细胞及 成纤维细胞中;在视网膜中主要定位于色素上皮层的细胞 核中,同时也发现在外核层、内核层及神经节细胞层有 SIRT1 的表达。 Zheng 等[8]发现 SIRT1 在人的晶状体上皮 细胞中有表达。 也有相关研究表明 SIRT1 在人的角膜和 视网膜中有表达[9,10] 。

SIRT1 以组蛋白和非组蛋白为底物发挥着一系列的 生理作用。 SIRT1 可去乙酰化 H1 组蛋白 26 位点赖氨酸、 H3 组蛋白 9 位点赖氨酸以及 H4 组蛋白 16 位点赖氨酸, 而抑制癌基因转录和翻译从而导致细胞衰老凋亡[11] 。 SIRT1 也能通过脱乙酰基作用调节非组蛋白 P53、核因子-资B (NF-剀B)和叉头转录因子( FOXOs) 等转录因子的活性, 在延长寿命、抵抗氧化应激、代谢疾病等活动中发挥重要 作用[6,12] 。 正常情况下 P53 处于休眠状态,当细胞处于 DNA 损伤等应激条件下时,p53 N 末端的多个位点磷酸 化,C 末端的多个赖氨酸位点乙酰化,此时 P53 处于活化 状态,刺激下游多种靶基因转录,行使其诱导细胞凋亡功 能,SIRT1 对 P53 的去乙酰化作用可以抑制细胞的凋亡。 NF-剀B 作为一种重要的炎性调控分子,在免疫反应的早 期和炎症反应各阶段的许多分子都受其调控。 Yeung 等[13]研究发现,SIRT1 通过去乙酰化 NF-剀B 的 p65 亚基 第 310 位的赖氨酸残基,从而抑制其表达。 转录因子 FOXOs 家族成员是和生物的寿命、代谢、发育、细胞周期 停滞、凋亡、应激反应以及胰岛素下游基因转录等细胞进 程有关的转录辅激活因子。 已证实人类有四个同源基因, 分别为 FOXO1,FOXO2,FOXO3,FOXO4,SIRT1 在不同条 件下可上调或下调 FOXOs 的活性,从而调节细胞增殖及 细胞凋亡的动态平衡。

3 SIRT1 与眼科疾病

3. 1 SIRT1 与角膜疾病

角膜疾病是眼科疾病中最常见 的致盲眼病之一。 角膜上皮是抵御病原微生物侵袭角膜 的第一道屏障,上皮遭受损伤后,无论是外界的还是内源 性的,极容易发生感染性角膜炎。 史大领[14] 通过研究鼠 发现 SIRT1 主要集中表达于角膜上皮层,并通过对比自发 性糖尿病小鼠模型和正常同类型的小鼠模型,发现 SIRT1 在糖尿病小鼠的角膜上皮细胞中表达显著减少。 提示 SIRT1 可能参与糖尿病角膜病变,其表达的减少可能是导 致角膜上皮细胞功能障碍的原因之一。 Wang 等[15] 在损 伤角膜上皮的小鼠结膜下注射 SIRT1 重组腺病毒,可以使 小鼠局部组织过量表达 SIRT1 蛋白,发现其可以促进角膜 上皮的愈合,过量表达 SIRT1 时,乙酰化 P53 下降。 并证 实了 SIRT1 通过抑制 P53 乙酰化调控 IGFBP3 / IGF-1R/ AKT 通路,进而促进角膜上皮修复,对糖尿病角膜病变有 保护作用。 可见 SIRT1 的高表达可以提高角膜上皮层的 防御能力,对未来角膜疾病的防治及治疗提供了一种新型 的靶点。

3. 2 SIRT1 与白内障

年龄相关性白内障(ARC)又称老 年性白内障,是在中老年开始的晶状体混浊,目前已成为 首位致盲眼病,世界范围内约半数的盲是由其导致的。 目 前已公认氧化损伤是白内障发生的始动环节,而这一过程 的病理学基础,主要表现在晶状体上皮细胞( LECs) 的凋 亡。 Zheng 等[8]发现 SIRT1 在人的 LECs 中表达,随着年 龄的增长其表达量减少,并且发现年龄在 50 ~ 70 岁患有 ARC 的患者较同年龄段未患 ARC 的患者,SIRT1 的表达 反应性上调。 在氧化损伤的环境下,通过增强 SIRT1 在 LECs 的表达,可以对 LECs 的凋亡起到抑制作用,并且呈 剂量依赖性。 同时证实了 P53 通路是氧化应激条件下 SIRT1 发挥保护功能的重要下游通路。 SIRT1 通过去乙酰 化 P53 后减少 P53 介导的转录激活,从而保护 LECs 免于 凋亡。 可见通过促进 SIRT1 的表达可以在一定程度上抑 制 ARC 的发展。

3. 3 SIRT1 与青光眼

青光眼是以特征性慢性进行性视 神经萎缩并伴有视野缺损为共同特征的一组疾病,其视神 经萎缩及视野缺损的改变是不可逆的,其中主要的危险因 素是病理性升高的眼压。 目前青光眼的治疗原则仍以降 低眼内压为主,延缓视网膜神经节细胞的丢失,治疗手段 有药物治疗、激光治疗及手术治疗。 但常用药物副作用及 并发症很多,手术疗法的术后效果也不甚理想。 有研究报 道称,小梁网内皮细胞酷似血管内皮细胞,当氧化应激时, 小梁网在氧化损伤的情况下可以直接改变细胞外基质成 分, 诱 发 眼 压 升 高, 从 而 导 致 青 光 眼 的 发 生[16,17] 。 而 SIRT1 与氧化应激的中间复合物密切相关。 任朋亮等[18] 通过研究 SIRT1 与青光眼小梁网细胞(GTM)DNA 双链损 伤修复能力与细胞衰老的关系,证实了 SIRT1 表达活性的 下调可能是诱发青光眼的因素之一。 SIRT1 的天然激动 剂白藜芦醇(Resveratrol,Res)能显著增强正常的小梁网细 胞( HTM) 中 SIRT1 的表达活性,上调的 SIRT1 能促进 HTM 细胞 DNA 双链损伤修复的能力,维持细胞基因组的 稳定性,进而减缓细胞的衰老。 可见 SIRT1 在青光眼的发 生中起着一定的作用。

郑恬[19] 采集青光眼滤过手术患 者,在术中切除的球筋膜组织,通过体外培养该细胞,发现 SIRT1 的天然激动剂 Res 在人眼 TENON 囊成纤维细胞 中,能抑制成纤维细胞的增殖,并且这种效应是呈浓度- 时间依赖性。 这就为 Res 在未来治疗青光眼滤过手术后 的滤过泡瘢痕化,堵塞滤过通道导致手术失败提供了理论 基础,但该作用是否是通过增强 SIRT1 在成纤维细胞中的 表达,来抑制该细胞的增殖还有待进一步的研究。

近年 来,线粒体功能障碍在青光眼所引起的视网膜神经节细胞 的丢失发病机制引起越来越多的关注,Chen 等[20] 通过对 视网膜神经节细胞 RGC-5 的研究发现,SIRT1 的天然激 动剂白藜芦醇可以稳定线粒体的膜电位,下调半胱氨酸天 冬氨酸蛋白酶-3(caspase-3),抑制细胞色素 C 的释放,来 抑制细胞的凋亡。 上调的 SIRT1 通过促进 PGC-1琢 从胞 浆进核以及下游转录因子的表达,来减弱 RGC-5 的凋亡。 可以得出在线粒体水平,通过促进 SIRT1 的表达来为延缓 青光眼所带来的视网膜视神经节细胞的丢失提供可能性。

3. 4 SIRT1 与眼底疾病

3. 4. 1 SIRT1 与糖尿病视网膜疾病 糖尿病视网膜病变 (diabetic retinopathy,DR)是糖尿病最常见、最严重的微血 管病变之一,为发达国家工作年龄人群中致盲率最高的疾 病。 DR 的发病基础是视网膜血管微循环障碍,其最早出 现的病理变化是周细胞缺失,其基本病理改变是血-视网 膜屏障破坏及新生血管形成,而周细胞的丢失与细胞凋亡 密切相关。 Luo 等[21] 发现 SIRT1 能使促凋亡因子 p53 蛋 白的 lys382 去乙酰化,抑制 p53 与靶 DNA 顺式作用原件 结合,减少由 p53 诱导的氧化应激反应及 DNA 损伤导致 的细胞凋亡,从而使视网膜细胞的存活率升高。 SIRT1 的 过量表达可以逆转辐射诱导的 p53 乙酰化,并且降低 p53 靶蛋白 p21 的水平,有降低大鼠视网膜周细胞凋亡及延长 视网膜细胞寿命的可能。 Mortuza 等[22] 通过对糖尿病视 网膜病变的研究发现,高糖培养的人类视网膜微血管内皮 细胞(human retinal microvascular ECs,HRECs) SIRT1 的表 达明显下降,通过促进 SIRT1 的表达,可以在一定水平上 减弱 HRECs 的凋亡程度,从而减轻 DR 所引起的微循环 障碍。 张笃贞等[23] 研究发现高糖状态下大鼠视网膜中 SIRT1 mRNA 的表达明显减少,p53 蛋白及 mRNA 水平的表达均明显增多,表明在 DR 早期 SIRT1,p53 的平衡状态 已受到破坏,其表达量的变化进一步诱导了 DR 病情的发 展,同时通过早期应用 SIRT1 的天然激动剂 Res 可提高 SIRT1 酶的活性,改善和延缓 DR 的发展。 Jing 等认为,口 服 Res 即能起到保护视网膜的作用,通过抑制 VEGF 的表 达及视网膜内皮细胞新生血管的活性,来减少视网膜新生 血管性损伤的发生[24] 。 而刘姝林[25]研究发现 DR 患者纤 维血管膜中 SIRT1 阳性率高于非 DR 对照组,提示 SIRT1 可能与纤维血管膜形成有一定关系。

3. 4. 2 SIRT1 与 视 神 经 疾 病 创 伤 性 视 神 经 损 伤 (traumatic optic neuropathy,TON) 容易继发于颅脑损伤患 者中,预后较差,是颅脑外伤致残率较高的重要原因之一。 目前 TON 的临床救治尚无统一的治疗规范,视神经损伤 和再生的研究是当今医学界研究的热点和难点之一。 神 经元死亡、神经损伤和退行性变是神经系统疾病的常见现 象,均与神经元细胞脂代谢紊乱密切相关。 SIRT1 在进化 中高度保守,对调节脂代谢关键基因起着至关重要的作 用[26] 。 张燕等[27]通过研究大鼠视神经损伤模型发现,损 伤模型大鼠的视网膜神经节细胞( retinal ganglion cell, RGCs)的存活数量以及视神经胆固醇含量均明显减少;同 时 SIRT1 的 mRNA 和蛋白表达水平均下降,并呈时间依赖 关系。 应用 SIRT1 的激动剂 Res 治疗组的视神经胆固醇 含量以及 SIRT1 的 mRNA 和蛋白表达水平,以及 RGCs 存 活数量均明显回升。 证实了 Res 通过上调 SIRT1 的表达, 可进一步促进神经元细胞的胆固醇合成,以及视网膜神经 节细胞的损伤后修复过程。 可见 SIRT1 在视神经损伤后 修复过程中起着至关重要的作用,为视神经损伤后的修复 提供了一个新的治疗靶点。

3. 4. 3 SIRT1 与视网膜光损伤疾病

视网膜是接受光能、 产生视觉的重要组织结构,光的刺激是其产生视觉的重要 基础,如果光强度或光照时间等超过了视网膜的承受力, 会造成视网膜损伤。 光损伤主要表现在视网膜色素上皮 ( retinal pigment epithelial,RPE )细胞和光感受器细胞等 的损伤,该病理过程与年龄相关性黄斑变性及视网膜色素 变性有许多相似之处,因此对视网膜光损伤的深入研究有 着重要的临床和理论价值。 Kubota 等[28] 通过对光损伤的 BALB/ c 鼠的视网膜研究发现,SIRT1 在光损伤视网膜组 织中表达下调,视网膜外核层细胞大量凋亡,外核层明显 变薄,视网膜电图(electroretinography,ERG)的 a 波和 b 波 的振幅下降,而白藜芦醇可以通过促进 SIRT1 的表达,抑 制激活蛋白-1(activator protein-1,AP-1)的活化,从而抑 制光损伤所导致的一系列视网膜变性及退化,以此来改善 视网膜的功能障碍。 这一研究发现为 SIRT1 的天然激动 剂白藜芦醇治疗一些视网膜退行性疾病提供了理论依据。

3. 5 SIRT1 与葡萄膜疾病 葡萄膜炎是一种易反复发作 的自身免疫性眼科疾病,多发于青壮年,由于其发病及复 发机制尚不完全清楚,故其预防无从着手,治疗效果也很 不理 想。 目 前 有 研 究 表 明, 核 转 录 因 子 资B ( neclear transcription factor-kappa B,NF-资B)与葡萄膜炎的炎症反 应有密切的关系,抑制 NF-资B 的活化可能成为治疗葡萄 膜炎新的作用靶点[29] 。 Kubato 等[30] 通过对内毒素诱导 的葡萄膜炎( EIU) 鼠模型的观察发现,Res 能通过提高 SIRT1 的表达和抗氧化剂的作用,来抑制 NF-资B 的活化, 进而抑制炎症因子,诸如细胞间黏附因子-1( intercellular cell adhesion molecule-1 ,ICAM-1)及单核细胞趋化蛋白-1 (monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)的表达,从而抑制 葡萄膜炎所引起的炎症反应对眼部正常结构和组织的破 化。 作为 SIRT1 的靶激动剂 Res 可能成为治疗葡萄膜炎 的一新型药物。

4 SIRT1 表达的调控

SIRT1 在组织或者是细胞水平的表达量的变化,对一 些眼科疾病的发生转归起着重要的作用。 因此在一定水 平上促进 SIRT1 的表达,可能成为治疗眼科相关疾病的新 的靶标。 白藜芦醇是一种在葡萄酒中发现的多酚类化合 物,是目前发现的天然植物成分中作用最强的 SIRT1 的激 动剂,在微摩尔水平即对 SIRT1 的活性具有明显的刺激作 用。

目前认 为 其 激 活 SIRT1 的 机 制 为:

( 1 ) 可 能 作 为 SIRT1 的变构效应因子,通过改变底物和酶的亲和性来发 挥作用;

(2)可上调 SIRT1 mRNA 的转录和表达。 另有一 些新 型 的 小 分 子 作 为 SIRT1 的 激 动 剂 被 发 现, 有 SRT1720,SRT2183 以及 SRT1460,并且发现其激动作用 比白藜芦醇的要高达 1000 倍[31,32] 。 近年来有研究表明 MicroRNA(miRNA) 能从转录后水平调控 SIRT1 的表达, miRNA 是一组广泛存在于真核生物中的、短小的、不编码 蛋白质的单链 RNA。 有研究表明 miRNA-138,miRNA- 181a,miRNA-181b 可直接抑制 SIRT1 的表达,促进细胞 的凋亡[33] 。 Mortuza 等[22] 通过对糖尿病视网膜病变的研 究发现,高糖培养的人类视网膜微血管内皮细胞( human retinal microvascular ECs,HRECs) miRNA – 195 的表达上 调,而 SIRT1 的表达明显下降。 同时通过对 HRECs 转染 miRNA-195 的拮抗剂可以促进 SIRT1 的表达,证实了 miRNA-195 可以下调 SIRT1 的表达。 Laura 等[34]发现,在 小鼠胚胎干细胞早期通过沉默 miRNA – 9 可明显升高 SIRT1 的水平。 因此可以推断出在基因水平通过敲除或 者沉默与 SIRT1 的相关的 miRNA 的表达,可以提高 SIRT1 的表达,以此来治疗由于 SIRT1 表达下调所致的一系列眼 科疾病。

5 总结及展望

众多研究表明,SIRT1 对多种眼科疾病具有保护作 用,但其在眼科疾病中的具体机制及治疗价值依然有很多 问题等待解决。 在治疗方面,将来的临床治疗需要高效、 高特异性的 SIRT1 激动剂,而且目前的研究多集中在实验 动物模型,是否在灵长类及人类的眼科疾病中发挥同样的 保护作用还需进一步的研究。

原文下载:http://ies.ijo.cn/cn_publish/2015/5/201505015.pdf