SIRT1调控细胞衰老在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展

刘元顺 应希旺 李亚清* 周宏斌 顾超

SIRT1调控细胞衰老在慢性阻塞性肺疾病中的研究进展

刘元顺 应希旺 李亚清* 周宏斌 顾超

慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种常见的以持续气流受限为特征的可以预防和治疗的疾病，气流受限进行性发展，与气道和肺脏对有毒颗粒或气体的慢性炎性反应增强有关。预计在2020年，COPD将成为世界上第三个最常见的死亡原因，第五位的疾病负担［1］，我国不同城市之间COPD的患病率为5%~8%［2］。COPD已经成为发达国家和发展中国家主要的社会和医疗负担。COPD的疾病负担日益增加部分原因是由于世界人口的老龄化和持续暴露于含危险因素的环境中。香烟烟雾是本病最重要的危险因素。COPD的发病机制尚不清楚，目前认为其发病机制主要涉及以下方面：炎症反应，氧化/抗氧化失衡，蛋白酶/抗蛋白酶失衡，凋亡/抗凋亡作用，端粒缩短，自噬，细胞衰老，遗传倾向。然而，目前的治疗方法不能有效地阻止肺功能的逐渐恶化以及持续的气道和肺部炎症的发生［3］。越来越多的证据表明COPD患者中肺脏衰老明显加速，细胞衰老在COPD发病中起重要作用［4］，沉默信息调节因子2相关酶1（silent information regulator2-related enzymes 1，Sirtuin l，SIRTl）介导的细胞衰老参与COPD发生发展［5］，因此深刻理解SIRT1调控细胞衰老在COPD中的作用并重视对其的研究和应用，以确定新的生物标志物和治疗靶点。

1 细胞衰老的定义、生物学特性和机制

细胞衰老是一个累积损伤相关的内稳态进行性下降的过程，发生在生殖过程完成之后，增加了疾病和死亡的风险。细胞衰老导致细胞形态和功能发生一系列改变，包括细胞增殖活性的永久性丧失，称为复制性衰老。形态上细胞体积增大［6］，形状扁平，高尔基体变形，内质网减少，出现不正常分叶核，不规则空泡状线粒体，色素等物质沉着，细胞膜脂过氧化。功能上细胞衰老是不可逆的生长停滞，表达衰老相关的β-半乳糖苷酶（senescence-associated β-galactosidase，SA-β-gal）［7］和肿瘤抑制因子p16INK4a。衰老的细胞大量分泌生长因子、细胞因子、蛋白酶和其他蛋白质，呈现衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP），核灶包含DDR蛋白（DNA-SCARS/TIF）和衰老相关异染色质聚集灶（senescence-associated heterochromatin foci，SAHF）［8］。

细胞衰老的分子机制是多因素的，包括DNA损伤的累积效应［9］和修复功能受损［10］，核DNA的表观遗传修饰［11］，氧自由基的过度产生和蛋白质损伤［12］，端粒缩短［13］。

DNA损伤的累积效应被认为是细胞衰老的一个重要机制，该理论的基础是细胞基因持续暴露于内源性和外源性的损伤性介质。这些损伤性介质包括氧自由基（reactive oxygen species，ROS）、一氧化氮代谢物、脂质过氧化产物、还原糖、烷化剂。如果细胞的防御修复系统受损不能对抗这些持续性的基因损伤，DNA的复制、转录功能会受到严重影响，激活细胞周期检查点，尤其是p53/p21/pRb系统，最终导致暂时性或永久性细胞周期阻滞（复制性衰老）［14］。

近年来，表观遗传学是衰老表型的一个主要影响因素［15］。广义上，表观遗传学是基因型和表型之间的桥梁，指非DNA序列变化引起的表型或基因表达发生可遗传的变化的一种现象［16］。最近的研究表明特异转录因子结合位点发生的DNA甲基化改变和重组与复制性衰老有关［17］。广泛的核改变包括染色质重塑作为细胞衰老的整体步骤［18］。结构异染色质松弛和卫星DNA转录表明表观遗传影响染色体完整性，而表观基因组的改变引起细胞衰老［19］。此外，广泛的组蛋白去乙酰化酶抑制剂对于细胞衰老的发生发挥重要的表观遗传作用。氧化性修饰蛋白质的积累是细胞衰老的特点。蛋白质氧化性损伤分为主链和侧链的氧化［20］，由活性氧（超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD），过氧化氢和羟基自由基）和活性氮（一氧化氮和过氧亚硝基阴离子）引起。最近的研究表明ROS通过p21诱导DNA损伤灶介导细胞衰老［21］。

人类细胞有限增殖，部分原因是染色体末端端粒的丧失。端粒长度是细胞复制能力的敏感预测指标［22］。端粒消耗与细胞衰老有关［23］。DNA聚合酶在端粒是单向的，不能合成新的DNA链，此外，大部分细胞不表达具有维持端粒序列长度的端粒酶，随着细胞有丝分裂，一旦端粒缩短至临界长度，引发持久的DNA损伤反应（DNA damage response，DDR），包括p53的活化，诱导细胞周期阻滞和复制性衰老。

2 Ⅱ型肺泡上皮细胞（typeⅡalveolar epithelial cells，AECⅡ）

肺泡上皮细胞主要由Ⅰ型肺泡上皮细胞（typeⅠalveolar epithelial cells，AECⅠ）和AECⅡ组成。AECⅡ约占肺实质细胞总数的16%，但仅覆盖肺泡总面积的5%；AECⅠ数量仅为AECⅡ的一半，却覆盖着肺泡总面积的95%。AECⅡ是AECⅠ的祖细胞。AECⅡ不仅可通过有丝分裂补充自身数量，还可分化为AECⅠ、合成和分泌肺泡表面活性物质、维持肺泡内外液体平衡等［24］。因此，AECⅡ数量与功能稳定对于维持肺泡的正常结构和功能均具有重要意义。Li等［25］研究表明：香烟烟雾诱导的肺气肿大鼠肺泡腔扩大，单位面积平均肺泡数减少，AECⅡ凋亡水平增加；羊水间充质干细胞（rat amniotic fluid-derived mesenchymal stromalcells，rAF-MSCs）移植至肺气肿大鼠肺内后定向分化为AECⅡ、其表面活性蛋白C（surfactant protein C，SPC）表达及单位面积平均肺泡数增加。因此，干细胞移植，修复损伤的肺组织、使丢失的AECⅡ再生将来可能成为治疗COPD的一种新方法。

3 3SIRT1在COPD发生发展中的作用

sirtuins是Ⅲ型组蛋白去乙酰化酶，其家族成员包括SIRT1-7，其中SIRT1与酵母沉默信息调节因子2（silentinformation regulator 2，Sir2）同源性最高［26］。Sir2是一种NAD+依赖性蛋白去乙酰化酶，可延长酵母、线虫及果蝇等多种生物的寿命。SIRT1则被称为人类长寿基因。SIRT1不仅对H1、H3、H4组蛋白去乙酰化，同时还可对p53、叉头框蛋白O（forkhead box protein O，FOXO）等多种非组蛋白进行去乙酰化，在基因转录、细胞衰老及能量代谢中起着重要作用［27］。有研究表明：COPD患者及吸烟者外周肺组织细胞核内SIRT1水平显著降低［28］；SIRT1水平下降促进COPD患者内皮祖细胞衰老及功能异常［5］。且COPD患者肺组织SIRT1水平的下降使吸烟诱导的组织金属蛋白酶抑制剂（tissue inhibitor of metalloproteinase，TIMP）-1乙酰化作用增强，导致TIMP-1/MMP-9平衡失调，促进肺组织损伤［29］。因此SIRT1参与COPD进展过程，但其在COPD中调控细胞衰老的作用仍需进一步研究。

4 lncRNA介导的SIRT1信号网络调控细胞衰老的研究现状

长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）是真核生物中一类长度>200个核苷酸、无长阅读框架、但多具有mRNA结构特征的RNA［30］。近年来发现lncRNA在多个水平调控基因表达，在胚胎发育、细胞衰老等过程中起着重要调控作用［31-32］。迄今为止，直接参与调控SIRT1表达的lncRNA的神秘面纱仍未揭晓。2013年Abdelmohsen等首次报道：在增殖期人胚肺二倍体成纤维细胞（WI-38HDFs）中，SAL-RNA2（Sescence-associated lncRNA2，XLOC-025931）和SAL-RNA3（XLOC-025918）呈低表达，SAL-RNA1（XLOC-023166）呈高表达；在衰老的WI-38HDFs中SALRNA1呈低表达，SAL-RNA2和SAL-RNA3呈高表达，同时SIRT1表达水平显著下降，p21和p53蛋白表达升高。且降低SAL-RNA1水平可增加WI-38HDFs衰老性状，而SAβgal的活性及p53的表达水平显著增加［33］。然而SAL-RNA1是否在SIRT1信号网络介导的细胞衰老中起到关键性调控作用仍不清楚，SAL-RNA1在AECⅡ衰老中的作用亦需进一步研究。

5 讨论

COPD居全球死亡原因的第4位。小气道阻塞、肺弹性组织降解、肺泡结构破坏和丢失及气腔扩大是COPD患者的特征性病理表现，同时也是肺功能进行性下降的关键因素。目前仍无一种药物能改善COPD患者肺功能长期下降的趋势。而细胞衰老在COPD患者中加速，并促进COPD进展。过早细胞衰老会显著影响肺部祖细胞功能，使其失去组织修复功能，导致干细胞耗竭、肺组织损伤。SIRT1调节氧化应激，慢性炎症，是细胞衰老、早衰［34］、COPD［35-36］发生和发展的重要反应。因此，深入研究SIRT1调控AECⅡ衰老在COPD中的作用，可揭示促进COPD发展的机制，为COPD治疗提供新的药物靶点。

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国家自然科学基金资助项目（81470241）

310053 浙江中医药大学（刘元顺 应希旺）

310014浙江省人民医院（李亚清 周宏斌）

314000浙江省嘉兴市第一医院（顾超）

*通信作者