李林，韓薇

? 綜述 ?

應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白Sestrin的研究進(jìn)展

李林1，韓薇1

Sestrin（Sesn）屬于Sesn家族的抗氧化蛋白，在暴露于應(yīng)激的細(xì)胞中堆積，可以增強(qiáng)腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK），并抑制哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）的激活[1]，能夠清除自由基。Sesn進(jìn)化上高度保守，普遍存在于整個(gè)動(dòng)物界，然而在植物或真菌并沒有發(fā)現(xiàn)Sesn同源基因。多數(shù)脊椎動(dòng)物包括哺乳動(dòng)物表達(dá)三種Sesn （Sesn1-3），而多數(shù)無脊椎動(dòng)物只含有一種Sesn基因，在酵母菌尚未發(fā)現(xiàn)Sesn基因。哺乳動(dòng)物Sesn是由三個(gè)獨(dú)立的基因位點(diǎn)Sesn1-3編碼。

1 Sestrin的抗衰老作用

營(yíng)養(yǎng)過剩、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失衡、活性氧（ROS）的積累，都可以加重細(xì)胞的損傷，促進(jìn)老化。激活A(yù)MPK、抑制哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1（mTORC1）、刺激自噬通路，均顯示對(duì)延長(zhǎng)壽命和長(zhǎng)期保健有益[2]。實(shí)際上，Sesn缺失的果蠅和小鼠模型證明，Sesn的活性對(duì)防止年齡和肥胖相關(guān)的病理生理改變是必不可少的。在果蠅dSesn失活導(dǎo)致AMPK的慢性抑制和mTORC1的活化，導(dǎo)致新陳代謝異常，心臟方面，出現(xiàn)心律失常、心臟擴(kuò)張，最終導(dǎo)致與年齡相關(guān)的心臟功能的下降，骨骼肌線粒體病理改變，最終呈現(xiàn)有缺陷的肌原纖維[1]。來自Sesn2和Sesn3敲除小鼠品系，也支持Sesn在年齡相關(guān)的代謝紊亂的抑制調(diào)節(jié)中的作用[3]。事實(shí)上在缺血損傷時(shí)，Alex Morrison等研究者[4]沒有發(fā)現(xiàn)野生型和Sesn2敲除小鼠之間的心臟表型的顯著變化，可能是由于還有其他兩個(gè)Sesn基因（Sesn1，Sesn3），對(duì)保持心臟基礎(chǔ)完整性有補(bǔ)償作用。Sesn2敲除的心臟經(jīng)歷缺血隨后再灌注顯示，與野生型心臟相比，前者心肌梗死面積加大、收縮功能受損更為嚴(yán)重。因此Sesn2本質(zhì)上對(duì)心臟是保護(hù)性的。與野生型蠕蟲相比，Sesn突變?nèi)湎x壽命更短，Sesn的過表達(dá)可以延長(zhǎng)壽命，cSesn對(duì)調(diào)節(jié)蠕蟲壽命和防止年齡相關(guān)的肌肉退行性改變及其重要[5]。作為抗氧化、抗衰老蛋白，Sesn2與ROS的生成有關(guān)，主要通過對(duì)mTOR的負(fù)調(diào)節(jié)來發(fā)揮作用[6]，Sesn2激活自噬抑制mTOR，是減弱年齡相關(guān)的病理生理機(jī)制[7]。

2 Setrin的抗氧化應(yīng)激機(jī)制

人們一直在研究關(guān)于Sesn是如何行使這些抗氧化應(yīng)激保護(hù)機(jī)體的復(fù)雜機(jī)制，最近新的發(fā)現(xiàn)包括對(duì)Sesn的抗氧化活性[8,9]的理解的加深，認(rèn)識(shí)Sesn是一種氨基酸感應(yīng)器[10,11]，確定Sesn的3D分子結(jié)構(gòu)[9]，3D結(jié)構(gòu)揭示了Sesn的三個(gè)功能位點(diǎn)及這三者的功能：mTOR調(diào)節(jié)部位，ROS抑制部位和亮氨酸結(jié)合部位。

2.1 Sestrin作為過氧化物還原酶（Prx） 哺乳動(dòng)物Prx家族由六個(gè)成員組成，催化作用包括將半胱氨酸（Cys）-SH鍵氧化成Cys-SOH鍵，隨后形成S-S鍵，S-S鍵可在硫氧還蛋白（Trx）系統(tǒng)作用下變?yōu)镃ys-SH[12]。氧化發(fā)生時(shí)，Prxs被過度氧化成半胱氨酸亞磺酸（cysteine sulfinic acids，Cys-SO2H）而失活。Prxs的氧化形式即Cys-SO2H可被由Trx組成的特殊亞硫酰還原酶系統(tǒng)還原而恢復(fù)其活性[13]。Sesns可以調(diào)節(jié)癌細(xì)胞系、巨噬細(xì)胞[14]和神經(jīng)元中的Prx再生。Sesn可以恢復(fù)氧化的Prxs（Cys-SO2H）的活性，Sesn在過氧化的Prxs還原中起輔助作用。由此可見，Sesn2是Cys-SO2H的還原酶，Sesn有助于Prx的循環(huán)回收，研究猜測(cè)Sesns可能通過維持Prxs活性抑制ROS積累，從而減少氧化物對(duì)細(xì)胞損傷。然而另一項(xiàng)研究反駁了這一假設(shè)：純化的Sesn對(duì)Prx沒有表現(xiàn)出任何固有的Cys-SO2H還原酶活性[15]。秀麗隱桿線蟲的研究進(jìn)一步證明Sestrin并不是遺傳上回收過度氧化的Prx所需要的[16]，Woo HA等[15]的研究暗示Sesn不是半胱氨酸亞磺酸還原酶?，F(xiàn)廣泛認(rèn)為Sesn不是Prx的唯一亞磺酸還原酶[17]。

Sesn與烷基過氧化物酶D（AhpD）序列相似，AhpD是烷基-氫過氧化物還原酶的組分，是結(jié)核分枝桿菌中的一種抗氧化蛋白，降解ROS[18]。AhpD具有兩種氧化還原功能：降解烷基過氧化物酶C（AhpC）的半胱氨酸二硫鍵（Cys-S-S-Cys），也就是負(fù)責(zé)AhpC的循環(huán)再生[19]。Cys125對(duì)應(yīng)于AhpD中兩種催化半胱氨酸中的一種，Sesn中Cys125的突變（SesnCS），喪失了Sesn抗氧化應(yīng)激的功能[18]。基于這種相似性功能，研究者認(rèn)為Sesn是Prx的還原酶。目前尚不能確定Sesn是Cys-SO2H還原酶還是Prx的還原酶，確定的是Sesn的誘導(dǎo)可以促進(jìn)過度氧化的Prx的循環(huán)吸收[14]，保護(hù)細(xì)胞免受ROS累積的危害[20]。

2.2 Sestrin作為自噬調(diào)節(jié)器 自噬是線粒體處理受損脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、細(xì)胞器等的過程，可維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，并減弱損傷細(xì)胞的進(jìn)一步增殖，助于細(xì)胞的抗氧化[21,22]。線粒體自噬，是機(jī)體氧化還原穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵，因?yàn)閾p傷的線粒體積累導(dǎo)致ROS產(chǎn)生過多，可導(dǎo)致代謝改變和一些疾病等[23]。Sesn可以通過激活A(yù)MPK和抑制mTORC1來上調(diào)自噬。mTOR是一種關(guān)鍵的自噬調(diào)節(jié)因子，缺氧、營(yíng)養(yǎng)失衡、ROS的積累均可激活其自噬調(diào)節(jié)作用[24]。環(huán)境刺激誘導(dǎo)的線粒體功能障礙，通過Sesn誘導(dǎo)線粒體自噬來消除應(yīng)激損害。果蠅遺傳研究也支持Sesn介導(dǎo)自噬，因?yàn)镾esn的失活導(dǎo)致自噬受損，導(dǎo)致?lián)p傷的線粒體的累積和隨后的骨骼肌中ROS的升高，Sesn缺陷秀麗隱桿線蟲也證明了此觀點(diǎn)。自噬受損的生物模型也證明了衰老加速。Sesn失活時(shí)，激活A(yù)MPK或抑制mTORC1可以恢復(fù)線粒體穩(wěn)態(tài)；SesnCS仍然可以調(diào)節(jié)AMPK/mTORC1信號(hào)及線粒體穩(wěn)態(tài)[25]。這些表明Sesn依賴于AMPK/mTORC1通路調(diào)節(jié)自噬。

Sesn的線粒體調(diào)節(jié)功能對(duì)于細(xì)胞穩(wěn)態(tài)極其重要，Sesn還通過另外的機(jī)制對(duì)氧化還原起作用。首先，在幾種非肌肉細(xì)胞中，SesnCS在抑制ROS積累方面不如野生型Sesn有效。第二，Sesn生理?xiàng)l件下抑制ROS，最大限度降低線粒體損傷，包括神經(jīng)元突觸刺激，增殖衰老，巨噬細(xì)胞過氧化物信號(hào)[14]，棕色脂肪細(xì)胞產(chǎn)熱和腎臟多巴胺信號(hào)。因此，Sesn介導(dǎo)的氧化還原生理機(jī)制，不能局限的認(rèn)為是對(duì)線粒體和自噬的調(diào)控，還涉及額外的機(jī)制。

2.3 Sestrin作為Nrf2調(diào)節(jié)器 Nrf2是一種轉(zhuǎn)錄因子蛋白，上調(diào)抗氧化基因，包括Prx，Srx[8]，谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶（GST）和Trx的表達(dá)。在正常環(huán)境中kelch樣ECH相關(guān)蛋白1（Keap1）跟Nrf2結(jié)合，降解其靶蛋白酶體。Keap1降解由幾個(gè)半胱氨酸殘基的氧化[26]或通過自噬適配器p62/基因組-1 （SQSTM1）[27]來介導(dǎo)。p62是一種蛋白質(zhì)，在自噬缺陷的細(xì)胞，通過破壞Keap1-Nrf2相互作用而激活Nrf2。

Sesn2與Keap1、SQSTM1以及自噬啟動(dòng)子Unc-51樣激酶1（unc-51-like kinase 1，ULK1[28]）結(jié)合在一起。Sesn2促進(jìn)ULK1誘導(dǎo)的SQSTM1的磷酸化，促進(jìn)Keap1的降解和隨后的Nrf2的激活，誘導(dǎo)抗氧化基因表達(dá)，可見Sesn對(duì)Nrf2是正反饋調(diào)節(jié)。該途徑可以解釋Sesn2通過激活Nrf2、Keap1促進(jìn)p62依賴的自噬而發(fā)揮抗氧化作用，Sesn2-Keap1-Nrf2通路對(duì)肝細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)應(yīng)激引起氧化損傷也有防御保護(hù)作用。有趣的是Sesn2和SQSTM1，它們有助于降解Keap1，是Nrf2的直接轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)[29]。因此，Nrf2依賴性誘導(dǎo)的Sesn2和SQSTM1可以產(chǎn)生一個(gè)正反饋回路，保證最大激活Nrf2的抗氧化應(yīng)激活性。

2.4 Sestrin作為一種過氧化物酶 X線晶體學(xué)測(cè)定人Sesn2 （hSesn2）結(jié)構(gòu)可獲得對(duì)其抗氧化功能的新理解。結(jié)構(gòu)顯示hSesn2含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)上相似但功能不同的兩個(gè)偽對(duì)稱球狀子域，N-末端結(jié)構(gòu)域（Sesn-A）和C末端結(jié)構(gòu)域（Sesn-C）。兩個(gè)亞結(jié)構(gòu)域與屬于烷基過氧化物酶家族的一種蛋白質(zhì)具有顯著的結(jié)構(gòu)同源性。Sesn-A通過其螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋氧化還原酶基序行使烷基氫過氧化物還原酶作用，Sesn-C修飾了該基序以適應(yīng)隨后的mTORC1的抑制。Sesn-C的mTORC1抑制和自噬激活可以通過間接促進(jìn)Nrf2的活性來改變細(xì)胞氧化還原功能。通過這兩個(gè)獨(dú)立的子域，Sesn可以單獨(dú)的抑制ROS和mTORC1。Sean-A結(jié)構(gòu)域含有一個(gè)半胱氨酸（Cys 125），hSesn2通過單催化Cys 125還原烷基氫過氧化物基團(tuán)，Cys 125在催化循環(huán)期間被可逆地亞磺?；?。hSesn2的3D結(jié)構(gòu)和既往生化研究表明其具有過氧化物酶活性，雖然許多研究表明，hSesn2是ROS[30,31]的抑制因子，但是對(duì)于hSesn2是否具有氧化還原酶活性存在巨大爭(zhēng)議，而且hSesn2的生理ROS底物仍需鑒定。

3 展望

雖然Sesn2-Keap1-Nrf2通路給Sesn2的抗氧化作用令人信服的解釋，仍然存在問題需要重視：Sesn2是否與Keap1一起以氧化還原敏感的方式調(diào)節(jié)Nrf2活性；Sesn調(diào)節(jié)AMPK 和mTORC1信號(hào)是否也有助于Keap1和Nrf2的自噬調(diào)節(jié)。另外，Sesn的氧化還原底物還有待進(jìn)一步研究。隨著人們對(duì)Sesn研究的深入，Sesn抗衰老的生化機(jī)制的神秘面紗也被逐步揭曉?？紤]到Sesn在調(diào)節(jié)代謝平衡、抗癌、抗衰老及對(duì)心臟功能影響等方面的重要生理功能，未來研究應(yīng)進(jìn)一步研究Sesn的生化功能，利用Sesn的功能特點(diǎn)及其作用靶點(diǎn)，從而開發(fā)一個(gè)新的抗衰老藥物、新的抗腫瘤藥物、新的治療心衰藥物是有可能的。

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本文編輯：阮燕萍

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