沉默信息调节因子3及其在活性氧簇介导的生殖系统疾病中的作用

的作用

黄巧瑶

【摘 要】Sirt3,a member of the sirtuin family of type Ⅲ histone

deacetylases (HDACs) dependented on nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+),was located in the mitochondrial matrix of mammalian cells.By deacetylating the most of mitochondrial proteins,sirt3 plays an important role in mitochondria.The deacetylation by sirt3 affects the quantity of reactive oxygen species (ROS),from transcription factors to metabolic enzymes,such as hypoxia-inducible factor (HIF-1),p53,peroxisome proliferator-activated receptor γcoactivator 1et (PGC-1α) and other factors;antioxidant enzymes catalase (CAT),amino acid dehydrogenase (GDH),catalase and superoxide dismutase 1 (SOD1) and other metabolic enzymes.Just based on above mechanism,sirt3 participates in the

pathogenesis or pathophysiology of the decreased potential of embryonic development,premature ovarian failure,ovarian tumor and other

reproductive diseases.This review summarizes the biological characteristics of sirt3,the molecular mechanism of sirt3 in regulatiog ROS,and the effect of sirt3 in the ROS-mediated reproductive diseases.%沉默信息调节因子3 (sirt3)是定位于哺乳动物线粒体基质、依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)的Ⅲ型组蛋白去乙酰化酶(HDACs)sirtuin家族成员之一,通过去乙酰化组蛋白发挥作用,并且完成线粒体中大部分蛋白质的去乙酰化.sirt3去乙酰化从转录因子到代谢酶类等底物[如缺氧诱导因子1(HIF-1)、p53、过氧化物酶体增殖物激活受体y共激活因

子1α(PGC-1α)等因子,抗氧化酶过氧化氢酶(CAT)、谷氨酸脱氢酶(GDH)、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶1(SOD1)等代谢酶类],影响活性氧簇(ROS)水平,导致胚胎发育潜能下降、卵巢功能衰退、卵巢肿瘤等生殖系统疾病的发生.总结sirt3的生物学特性、sirt3ROS水平的相关分子机制,进而为sirt3在ROS介导的生殖系统疾病的研究提供新思路.

【期刊名称】《国际生殖健康/计划生育杂志》 【年(卷),期】2017(036)004 【总页数】5页(P318-322)

【关键词】沉默信息调节因子3;活性氧;女(雌)性泌尿生殖系统疾病 【作 者】黄巧瑶

【作者单位】524001 广东省湛江市,广东医科大学 【正文语种】中 文

机体内活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）的产生及清除处于动态平衡对各系统功能的正常运行十分重要，ROS参与机体内细胞及组织损伤、肿瘤、衰老等生理及病理过程[1-4]。已有大量研究表明胚胎发育潜能、卵巢功能衰退、卵巢肿瘤等生殖系统疾病的发生与ROS介导的氧化应激有关[5-6]。近年来，大量研究聚焦于沉默信息调节因子3（sirtuin3，sirt3），研究表明sirt3对ROS在机体内的稳态发挥重要作用，通过去乙酰化线粒体内的大部分蛋白质，ROS的产生及清除过程，机体生理及病理过程[2]。本文综述sirt3在ROS产生及清除的底物及相关分子通路，进而为sirt3在ROS介导的生殖系统疾病的研究提供新思路。

1.1 sirt3的定位与结构人类sirt3位于11号染色体短臂1区5号带的第5号亚带（11p15.5）上，其序列跨度为21 kb。sirt3在蛋白质水平以2种不同的形式存在，即经剪切后的短链28 ku（由142个氨基酸组成，主要定位于线粒体基质内）及长链44 ku（由257个氨基酸组成，定位于细胞核、细胞质和线粒体基质中）[7-8]。sirtuin家族有7个成员，即sirt1～sirt7，分布在细胞核、细胞质和线粒体中，文献显示sirt6、sirt7位于细胞核，sirt1、sirt2位于细胞核和细胞质，sirt4、sirt5位于线粒体[7]。目前大多数学者支持sirt3不仅位于线粒体中，Nakamura等[9]研究显示sirt3大部分位于线粒体，小部分位于细胞核内。随着酵母中沉默信息调节因子（silent information regulator 2，sir2）与ROS介导的相关疾病研究的深入，哺乳动物中与sir2基因高度同源的sirtuin家族日益受到关注，组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）的sirtuin家族具有体内ROS的水平，参与机体内的生理及病理过程，导致细胞、组织、器官的功能性及器质性改变，如衰老[10]、肿瘤[7]等。

1.2 sirt3的作用sirt3是依赖NAD+的Ⅲ型HDACs，研究发现线粒体内的大部分蛋白由sirt3完成去乙酰化，去乙酰化是蛋白质翻译后修饰（蛋白质功能的关键）的方式之一。随着蛋白质组学的发展，发现小家鼠63%定位于线粒体的蛋白质具有赖氨酸乙酰化位点，人类基因中有11 000多个乙酰化位点[11]。Jin等[12]报道的人类sirt3第1组晶体结构发现sirt3有2个结构域，乙酰辅酶A合成酶（acetyl-CoA synthetase 2，AceCS2）的乙酰化赖氨酸插入2个结构域的裂隙中，诱导构象发生变化，使其产生有活性的去乙酰化结合域，然后sirt3-AceCS2肽复合物与NAD+结合，消耗NAD+发生去乙酰化并生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）。研究发现定位于细胞核的sirt3长链（44 ku）必须经过蛋白水解加工后才具备去乙酰化活性，后来Scher等[13]发现定位于细胞核的sirt3的长链（44 ku）和只定位于线粒体基质的短链（28 ku）形式均可以在体外去乙酰

化组蛋白H4的赖氨酸16（H4-K16）。

1.3 sirt3的表达sirt3 mRNA在机体多个组织（包括脑、肺、肝、卵巢、子宫等）和胚胎中被检测到[14-19]。近年来，对sirt3的研究不断深入，作为可调节ROS稳态的关键因素，其去乙酰化活性和表达水平高低与代谢应激和饮食有密切联系。Hebert等[20]应用定量质谱法探测给予不同饮食的小鼠肝线粒体中乙酰基蛋白组，发现sirt3去乙酰化与不发生营养不良的热量（caloric restriction，CR）存在联系。CR可以抑制ROS的产生，石良艳等[21]研究发现CR后小鼠卵巢的sirt3 mRNA表达上调，增强抗氧化能力和抑制ROS产生，CR后sirt3 mRNA表达变化还见于机体不同的组织中，如心肌、骨骼肌等。Zhang等[18]发现高脂饮食的肥胖小鼠卵母细胞中的sirt3活性及表达水平减少。除上述因素外，高糖、饥饿、温度变化、运动同样可以影响sirt3的表达[22]。

ROS是线粒体呼吸作用产生的代谢副产物，研究表明ROS对生殖系统疾病具有双重作用，生理情况下的ROS可以控制卵泡的发育和凋亡以刺激排卵、促进卵母细胞体外成熟和早期胚胎的发育，可以促进精子的发生、成熟及受精等过程[4]。而生物体内ROS产生与清除失衡导致ROS蓄积，过高水平的ROS会导致卵母细胞成熟障碍和早期胚胎发育的不利影响（如生成胚胎碎片）[23]，影响精子质量（如精子DNA损伤等）[5-6]，导致卵巢组织损伤，进而导致卵巢储备能力下降[24]，ROS促进炎症的发生[25]，与肿瘤的发生、发展和转移有关[2-3]。研究表明sirt3对ROS在机体内的稳态发挥重要作用，通过去乙酰化线粒体内的部分酶和转录因子，ROS的产生及清除过程，生殖系统疾病的生理及病理过程[18，24，26]。

2.1 sirt3与胚胎发育有报道ROS诱导的氧化应激对植入前胚胎的发育有不利影响，sirt3去乙酰化的保护机制对ROS过度产生有重要作用。Kawamura等[27]研究发现体外培养（IVC）和体外受精（IVF）时，敲除sirt3基因的小鼠胚胎ROS产生

增多，导致p53的激活和下游基因的变化，进而导致发育停滞。肿瘤抑制蛋白p53是氧化还原活性转录因子，其稳定性和活性受到乙酰化的翻译后修饰。p53定位于线粒体中，sirt3可能去乙酰化p53，在sirt3缺陷的胚胎中，乙酰化的p53可在胚胎中积累。该研究表明sirtuin抑制剂（NAM，sirtinol和BML-210）会显著增加细胞内ROS水平和降低囊胚形成，推测在小鼠中，sirt3在植入前胚胎IVC期间对应激条件起保护作用。Kwak等[28]研究发现sirt3能作为植入前猪胚胎（尤其是生发泡期至囊胚期）发育能力的标记，用sirtuin抑制剂（NAM和sirtinol）后，猪孤雌激活和体细胞核转移的囊胚sirt3 mRNA表达和发育中胚胎的必需基因（POU5F1基因和Cdx2基因）表达降低，表明sirt3可能在植入前的猪胚胎发育中通过调节胚胎的必需基因表达而发挥重要作用。

2.2 sirt3与卵巢储备能力随着年龄增加，机体内ROS水平升高，当机体不能及时清除过多的ROS时，会导致卵巢组织损伤，进而导致卵巢储备能力下降。卵巢储备能力下降表现为卵子质量下降和卵泡数量减少，继续发展为卵巢功能衰竭，引起机体一系列内分泌紊乱的疾病[24，29]。石良艳等[21]研究发现CR后小鼠卵巢的sirt3 mRNA和抗氧化酶过氧化氢酶（CAT）mRNA表达上调，缺氧诱导因子1（HIF-1）表达下调，sirt3通过下调HIF-1表达来抑制卵巢ROS的产生，调节CAT mRNA表达来增强抗氧化能力，进而使小鼠的卵泡闭锁减少，卵巢储备功能改善。Zhang等[30]研究发现环磷酰胺（cyclophosvnamide，CTX）诱导的卵巢早衰小鼠和老年小鼠的sirt3表达水平均下降，sirt3的表达与原始卵泡的数量呈正相关，由此推断sirt3是卵巢衰老的指标。颗粒细胞和卵丘细胞的代谢与卵子质量关系密切，卵子的营养主要以丙酮酸为主，这依赖于卵丘细胞和颗粒细胞将葡萄糖转化为丙酮酸。Pacella-Ince等[24]研究发现在卵巢储备功能降低或者高龄的妇女中，卵丘细胞和颗粒细胞的sirt3表达减少，这种变化可能是由于sirt3去乙酰化谷氨酸脱氢酶（GDH）后，改变了线粒体代谢功能，影响能量代谢，最终导致卵

子质量的变化。Fu等[19]研究发现在人类颗粒细胞中，sirt3基因敲除使ROS水平升高，COV434细胞株和人类颗粒细胞中H2O2可诱导sirt3 mRNA、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD1）的mRNA水平上调。此外，sirt3的消耗会导致卵泡生成和黄体化相关分子的表达下降，从而导致孕酮分泌减少，sirt3可能作为类似于SOD1和过氧化氢酶的抗氧化剂在卵巢颗粒细胞黄体化和卵泡生成中起作用。sirt3通过去乙酰化SOD影响ROS水平，也可诱导肥胖小鼠的卵母细胞氧化应激和减数缺陷，导致不孕[18]。

2.3 sirt3与卵巢肿瘤卵巢肿瘤是女性生殖系统疾病研究中的重要部分，Bcl-2抗凋亡蛋白是重要的癌症治疗靶点，但它们在癌细胞代谢中的作用仍不清楚，有研究推断sirt3在Bcl-2抑制剂通过调节代谢和凋亡在人卵巢癌的抗肿瘤作用中有重要作用[15]。

2.4 sirt3与其他生殖系统疾病过高水平的ROS促进炎症介质的激活，炎症通常与早产有关，并且在开始子宫收缩中具有驱动作用。研究发现在炎症介质促进早产的过程中，sirt3也参与其中。白细胞释放的促炎细胞因子白细胞介素1β（IL-1β）和肿瘤坏死因子（TNF）降低sirt3表达，导致ROS增加，其后可以激活人类妊娠组织中促炎转录因子核因子κB1（NF-κB1）及其靶基因，导致早产发生[25]。Rato等[26]研究发现高能量饮食诱导的糖尿病前期的大鼠模型中睾丸过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）和sirt3水平均降低，推断糖尿病前期可通过抑制PGC-1α/sirt3轴来增加氧化应激来破坏睾丸线粒体功能。 sirt3影响ROS的水平主要通过去乙酰化相关底物影响ROS的产生与清除过程（见图1）[14，16，18，25-26，31-32]，虽然在生殖系统的研究还较少，但sirt3去乙酰化的保护作用在机体ROS介导的心血管、神经、运动等系统疾病得到证实，这些分子机制的阐明可以让我们在ROS介导的生殖系统疾病的研究中得到启发，研究ROS介导的生殖系统疾病中sirt3的作用机制。

3.1 sirt3与FoxO3FoxO3转录因子是叉形头转录因子的O亚型，可以介导抗应激、发育、凋亡等多种基因的表达。sirt3与FoxO3的相互作用在心血管、神经组织等已得到广泛研究。Tseng等[33]研究发现在血管内皮细胞（ECs）中，缺氧可以诱导sirt3去乙酰化FoxO3的K271和K290位点，使依赖FoxO3的抗氧化酶SOD2、过氧化物还原酶3（Prx3）和Prx5、硫氧还蛋白2（Trx2）表达上调，降低ROS水平，最终使缺氧时的ROS毒性减弱，增强ECs的抗氧化能力。小胶质细胞是神经系统产生ROS的主要来源，其慢性活化可能引起与氧化应激相关的神经系统衰老性疾病。通过sirt3敲除和过表达模型发现，sirt3可通过激活FoxO3上调SOD，降低ROS水平，提高小胶质细胞抗氧化应激能力[31]。sirt3与FoxO3在卵巢、子宫内膜等组织均有表达[34-35]，提示在生殖系统中也有可能存在sirt3与FoxO3的相互作用，ROS水平，影响其生理及病理过程。 3.2 sirt3与呼吸链复合体线粒体呼吸链是生物体内ROS产生的重要位点，呼吸链复合体缺陷会导致体内ROS增多，导致氧化损伤。线粒体存在于机体各组织细胞内。研究发现sirt3可以调节呼吸链中ROS的产生，解除过高水平ROS导致的毒性作用。Jing等[36]用抗乙酰赖氨酸抗体免疫沉淀sirt3野生型和sirt3敲除的肌肉线粒体裂解物，发现参与电子转运链的几种蛋白质（复合体Ⅰ39 ku的亚基NDUFA9、复合物Ⅲ的核心Ⅰ亚基和复合物Ⅴ的ATP酶α亚基）在sirt3敲除的肌肉中被高度乙酰化，推断这些蛋白质也可能是sirt3的直接靶标，参与ROS水平的调节，导致疾病的发生。

不孕不育、卵巢储备能力下降、卵巢肿瘤等生殖系统疾病的诊治仍是生殖医学和妇产科学的难题。而ROS与这些疾病密切相关，去乙酰化酶sirt3作为调节ROS的一个重要靶点，通过调节ROS的生成及相关的清除酶，抑制ROS的病理性蓄积，以改变机体的抗氧化应激能力和其他器质性改变，如肿瘤的发生、转移和心肌肥厚等。虽然sirt3在生殖系统中的研究较少，但在阐明其他系统的sirt3去乙酰化的

底物及相关分子通路的基础上，sirt3也有望成为ROS介导的生殖系统疾病研究的新靶点，为卵巢储备能力下降、卵子及胚胎发育问题的研究提供了新思路，有可能降低辅助生殖技术中卵子及胚胎的损失率。

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