朱 桐 薛原野 李欣桐 郝方丹 周艳芳

组蛋白是真核细胞染色质的主要结构蛋白，组蛋白乙酰化/去乙酰化是基因表达调控的表观遗传机制，由组蛋白乙酰化转移酶(histone acetylases,HAT)和组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)动态调控。HDACs按特异性功能分为4类:Ⅰ类HDACs包括HDAC1、HDAC2、HDAC3和HDAC8；Ⅱ类HDACs包括HDAC4、HDAC5、HDAC6、HDAC7、HDAC9和HDAC10；Ⅲ类HDACs又称沉默信息调节因子2(silent information regulator 2, Sir2)-相关酶类(Sir2-related enzymes, Sirtuins)；Ⅳ类HDACs主要是HDAC11。Sirtuins是一类高度保守、依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide，NAD)的Ⅲ类HDACs。Sirtuins与Sir2同源，Sir2最初在酵母中被发现，且被证明可以延长酵母的寿命。哺乳动物的Sirtuins有7种亚型：SIRT1～SIRT7，每种亚型都含有一个保守的NAD结合域和核心催化结构域，每一种亚型都有特殊的亚细胞定位和功能。与Sirtuins家族的其他成员不同，SIRT7主要定位于核仁中，是该家族中被研究报道最少的，近年发现SIRT7不仅参与核糖体RNA(rRNA)的转录与修饰、细胞代谢、细胞应激以及DNA损伤修复等，并且作为致癌或者抑癌基因参与肿瘤细胞的增殖分化、侵袭转移和凋亡等。SIRT7在大多数癌症细胞中表达上调，包括结直肠癌、胃癌、乳腺癌、膀胱癌、卵巢癌、宫颈癌和肝细胞癌等。近期研究也发现SIRT7参与了细胞衰老进程。本文从DNA损伤、线粒体功能障碍、氧化应激、表观遗传修饰4方面简述SIRT7与细胞衰老的关系。

1 SIRT7的结构及定位

SIRT7是Sirtuins家族中唯一定位于核仁的蛋白，近期研究发现，SIRT7也存在于成纤维细胞的胞浆中。SIRT7是位于17号染色体长臂25区3带(17q25.3)亚端粒区域的单拷贝基因，基因组序列跨越6.2 kb区域，分别与人类SIRT1和酵母Sir2相似度为39%和21%。SIRT7基因编码10个外显子和9个内含子，经过剪接成长度为1.7 kb的信使RNA(messenger RNA, mRNA)，可翻译为400个氨基酸的蛋白，蛋白分子质量约为44.9 kDa，等电点为9.8。SIRT7通过其氨基酸序列中两个定位信号实现其核仁定位：一个位于61-75氨基酸之间的核定位信号(nuclear localization signal,NLS)和一个位于392-400氨基酸之间的c端核仁定位信号(nucleolus localization signal,NoLS)。

2 SIRT7的催化活性

SIRT7的去乙酰化酶活性在Sirtuins家族中相对较弱，NAD依赖的催化域位于第90和第331氨基酸之间。SIRT7是肿瘤细胞中一种高度特异性的组蛋白H3去乙酰化酶，作用于赖氨酸残基18位点上，SIRT7与一组特定的基因靶点的启动子结合，能使H3K18Ac去乙酰化并促进转录抑制。还有研究证实SIRT7通过与核小体结合对组蛋白H3K36/K37去乙酰化，并提示这种修饰有助于异染色质沉默和基因组稳定。SIRT7基因敲除小鼠中p53基因的382位赖氨酸残基乙酰化水平增高，同时p53蛋白表达也增高，提示SIRT7可使p53去乙酰化。同时，在肝癌细胞中，SIRT7与p53相互作用，并在K320和K373位点介导p53去乙酰化。

除了去乙酰化酶活性，SIRT7也是一种NAD依赖的组蛋白去琥珀酰化酶，以DNA修复酶(Poly ADP-ribose Polymerase,PARP)依赖的方式被招募到DNA双链断裂(double strand break ,DSB)中，并催化其中组蛋白H3K122的脱琥珀酸化，从而促进染色质缩合和DSB修复。此外，SIRT7还具有去丁酰化、去丙酰化、去脂酰化和戊二酰化等多种酶活性。

3 SIRT7与细胞衰老

衰老是一种不可逆的长期细胞周期阻滞形式，由过度的细胞内或细胞外压力或损伤引起。细胞周期阻滞的目的是限制受损细胞的增殖，消除累积的有害因素，并阻止潜在的恶性细胞转化。由于激活了不可逆的增殖停滞，细胞衰老被视为防止肿瘤发生的有力保障。衰老的特点是生理完整性丧失，更易感染疾病，也更易引起死亡。细胞衰老可由不同刺激诱导，常见原因主要有DNA损伤、氧化应激、化疗、线粒体功能障碍、癌基因异常、表观遗传和旁分泌诱导等。此外，细胞多次分裂后增殖能力下降，最终导致细胞总数的下降，也可引起复制性衰老。

3.1 SIRT7与DNA损伤介导的细胞衰老 核糖体DNA(ribosomal DNA,rDNA)不稳定性增加是人类常见的衰老相关表型。人体SIRT7主要位于核仁，rDNA基因丰富，可通过维持rDNA基因簇的异染色质沉默和基因组的稳定性来拮抗细胞衰老。从机制上讲，SIRT7 是染色质SWI/SNF相关基质关联肌动蛋白依赖性调节因子亚家族A成员5(简称Smarca5)与 rDNA序列结合所必需的，Smarca5是核仁重塑复合物(nucleolar remodeling complex,NoRC)的一个组成部分，SIRT7可能是一种稳定Smarca5蛋白的支架。研究发现SIRT7缺陷细胞表现出复制压力增加和DNA修复受损。SIRT7以PARP依赖的方式招募到DNA损伤位点调节H3K18Ac的水平，H3K18Ac反过来影响损伤反应因子p53结合蛋白1(p53-blinding protein 1,53BP1)对DSB的募集，从而影响非同源末端连接(Non-homologous End Joining,NHEJ)的效率。在基因组损伤过程中，SIRT7通过减弱应激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase,SAPK)的活化发挥保护作用。最近，Bi等发现SIRT7作为异染质稳定剂可以拮抗人骨髓间充质干细胞(human bone mesenchymal stem cells，hMSCs)的衰老。SIRT7与核层蛋白和异染色质蛋白形成复合物，从而维持核周异染色质的抑制状态。SIRT7的缺失导致异染色质丢失、长散布元件1(long interspersed element 1,LINE1)的去抑制，并通过cGAS-STING途径激活天然免疫信号。SIRT7基因缺陷的骨髓MSC具有较短的复制寿命和加速衰老的表型，包括生长速度减慢、衰老相关β半乳糖苷酶(senescence-associatedβ-galactosidase,SA-β-GAL)阳性细胞百分比升高及衰老标志物表达增高、活性氧(reactive oxygen species,ROS)分泌增高。这些与衰老相关的细胞缺陷可以通过过度表达异染色质蛋白或使用LINE1靶向逆转录酶抑制剂来逆转。但是SIRT7如何与MSC中的异染色质结构蛋白相互作用仍有待研究。

3.2 SIRT7与线粒体功能障碍介导的细胞衰老 Wiley等报道称，线粒体功能障碍也会导致衰老。线粒体功能障碍可产生O和启动细胞凋亡的蛋白质导致细胞损伤，线粒体膜电位的去极化是线粒体功能障碍的标志。Ryu等发现SIRT7是线粒体稳态的重要调节因子，小鼠SIRT7缺乏导致多系统线粒体功能障碍，表现为血乳酸水平升高、运动能力降低、心脏功能障碍、肝脏微泡脂肪变性和年龄相关性听力损失。进一步研究发现，SIRT7介导核内编码线粒体基因的主要调节因子GA结合蛋白(GA binding protein,GABP)β1的去乙酰化，从而促进GABPα复合物的形成和GABPα/GABPβ四聚体的转录激活来维持线粒体功能，提示增强SIRT7基因表达可能是纠正线粒体功能障碍进而延缓衰老的有效策略。在老年造血干细胞(hematopoietic stem cells,HSCs)中SIRT7表达降低，SIRT7上调可提高造血干细胞的再生能力。SIRT7与核呼吸因子(nuclear respiratory factor1，NRF1)相互作用参与线粒体未折叠蛋白反应(unfolded protein response in mitochondria, UPR)，调节细胞的能量代谢和增殖。SIRT7抑制NRF1活性以减少线粒体翻译机制的表达，缓解了线粒体蛋白折叠应激(mitochondrial protein folding stress，PFS)，确保HSCs功能的维持；而SIRT7失活则导致HSCs静息减少，PFS增加，再生能力降低。

3.3 SIRT7与氧化应激介导的细胞衰老 细胞代谢的氧化产物或已知的氧化剂(如过氧化氢)都可能导致衰老。虽然氧化剂部分通过DNA损伤发挥作用，但其他细胞成分和过程也会受到影响。研究发现SIRT7可抑制缺氧诱导因子(hypoxia-inducible factor，HIF)1和2转录因子的活性，降低其蛋白表达水平，调节细胞对缺氧应激的适应能力，并且与其去乙酰化酶活性无关，但其具体机制还有待确定。Vakhrusheva等发现SIRT7可以增强小鼠心肌细胞抗氧化应激能力，预防凋亡和炎症性心肌病。SIRT7缺陷的原代心肌细胞基础凋亡增加200%，对氧化应激和遗传毒性应激的抵抗力显着降低，提示SIRT7在心脏应激反应和细胞死亡的调节中起重要作用。Lewinska等还发现, 血管平滑肌细胞在姜黄素诱导氧化损伤时表现出SIRT7下调和p53稳定性增加。稳定的p53基因可以刺激其靶蛋白p21，最终导致细胞周期停滞。

3.4 SIRT7与表观遗传修饰介导的细胞衰老 已知的衰老特征包括表观遗传学改变和线粒体功能障碍，这两个变化都会受到去乙酰化过程的影响。SIRT7在不同细胞类型中的多方面活性表明，SIRT7作为调节蛋白质去乙酰化的分子开关发挥作用，从而在调节衰老和永生的不同细胞命运中起到细胞控制作用。Karim等发现SIRT7在端粒维持中发挥作用：通过去乙酰化作用正向调节睾丸孤核受体4(testicular orphan receptor 4,TR4)的蛋白水平，而TR4被证明有利于端粒延长。而SIRT7调控GABP复合物的形成和活化进而影响HSCs衰老进程也是通过其去乙酰化GABPβ1实现的。同样SIRT7通过去乙酰化核仁磷蛋白(nucleophosmin,NPM1)在衰老过程中发挥重要作用。还有研究发现SIRT7可能与三肽基肽酶Ⅱ(tri-peptidyl peptidase II，TPPⅡ)相互作用调节衰老，但其作用机制目前尚不清楚。衰老诱导细胞中过表达SIRT7后，衰老标记物p53和p21的蛋白表达下降，这可能与SIRT7调节脂肪和蛋白质代谢有关。SIRT7参与调控内质网应激和其他代谢途径都有可能对衰老的进程有一定影响，但其具体机制还需要深入探究。

SIRT7参与RNA聚合酶的转录、rRNA转录和修饰、病毒感染、细胞代谢、细胞应激以及维持基因组稳定性等多种生理过程，进而维持细胞稳态。与SIRT7功能的多样性相比，人类对SIRT7在细胞衰老进程中的分子基础和途径知之甚少。深入探究SIRT7的下游通路与细胞衰老过程的相互作用机制，对提高干细胞的移植效率，乃至肿瘤及其他疾病的防治都有重要意义。