陳波，李志杰

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院醫(yī)學(xué)研究中心，遼寧省環(huán)境與代謝疾病動(dòng)物模型研究與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110004）

所有多細(xì)胞生物都經(jīng)歷著身體功能和生理功能的逐漸衰退，這一過(guò)程稱為衰老。人類衰老與許多疾?。á蛐吞悄虿?，癌癥，慢性炎癥，肌肉減少癥、阿爾茨海默病等形式的神經(jīng)退行性疾病等）密切相關(guān)。衰老的細(xì)胞和組織普遍特征是氧化應(yīng)激和氧化修飾蛋白及蛋白聚集物累積，這可能是衰老相關(guān)疾病背后的驅(qū)動(dòng)力。因此，衰老可以看作是氧化應(yīng)激緩慢、漸進(jìn)的增加過(guò)程，而應(yīng)激反應(yīng)在衰老過(guò)程中被激活，從而影響這一過(guò)程。

研究［1］表明，機(jī)體可以通過(guò)增強(qiáng)腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）激活和抑制雷帕霉素復(fù)合物1靶點(diǎn)（target of rapamycin complex 1，TORC1）來(lái)控制或減弱年齡相關(guān)性疾病。Sestrins（Sesns）作為一種基因編碼的蛋白質(zhì)，在受到各種環(huán)境刺激（DNA損傷、氧化應(yīng)激和缺氧）時(shí)細(xì)胞中的表達(dá)出現(xiàn)上調(diào)。

基于Sesns與TORC1之間的交互作用，Sesns能夠調(diào)節(jié)衰老和與年齡相關(guān)的疾病過(guò)程［2］。Sesns的抗衰老功能在整個(gè)動(dòng)物界都是進(jìn)化保守的。本文就Sesns在衰老中的調(diào)控作用進(jìn)行綜述。

1 Sesns概述

Sesns是一類高度保守的應(yīng)激反應(yīng)蛋白家族，由P53和叉頭轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)轉(zhuǎn)錄調(diào)控，在體內(nèi)表現(xiàn)出氧化還原酶活性，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激［3-4］。當(dāng)細(xì)胞處于缺氧、DNA損傷及氧化應(yīng)激等狀態(tài)時(shí)，Sesns表達(dá)水平上調(diào)［5］。

大多數(shù)動(dòng)物均存在Sesns基因，無(wú)脊椎動(dòng)物基因組只包含1個(gè)Sesn基因，而哺乳動(dòng)物和其他脊椎動(dòng)物包含3個(gè)高度同源的基因（Sesn1、Sesn2和Sesn3），編 碼Sesn1、Sesn2和Sesn3蛋 白［6］。Sesn1是 在 篩 選P53應(yīng)答基因時(shí)發(fā)現(xiàn)的，又稱為“P53-activated gene number 26（PA26）”，并歸于GADD（growth arrest and DNA damage）誘導(dǎo)的基因家族［7，8］。Sesn2又稱為“hypoxiainduced gene number 95（Hi95）”，是通過(guò)微陣列方法分離出，作為缺氧誘導(dǎo)的人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞的基因［9］。由于Sesn1和Sesn2具有相似性，在此基礎(chǔ)上通過(guò)序列分析發(fā)現(xiàn)了Sesn3［10］。

目前，已知Sesn2是只有1個(gè)轉(zhuǎn)錄本編碼的60×103蛋白產(chǎn)物，而Sesn1基因被轉(zhuǎn)錄成3個(gè)不同的mRNA，這些mRNA具有不同的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)，因此編碼3個(gè)分子量為48×103、55×103和68×103的蛋白產(chǎn)物［9］。同樣，Sesn3基因被轉(zhuǎn)錄成2個(gè)交替剪接的mRNA亞型，它們編碼分子量為44×103和53×103蛋白產(chǎn)物［11］。Sesn1（55×103）、Sesn2（60×103）和Sesn3（53×103）蛋白亞型的序列和功能相似性表明，這些蛋白可能具有冗余的生化功能，不同Sesns成員的可用性可能由組織和（或）刺激特定方式的不同機(jī)制控制［3］。

研究［12］發(fā)現(xiàn)，3種Sesns基因在小鼠胚胎發(fā)生的所有階段和大多數(shù)成年組織中有不同水平表達(dá)。Sesn1主要在骨骼肌、心臟、大腦和肝臟組織中表達(dá)；Sesn2主要在腎臟、肝臟、肺和白細(xì)胞中表達(dá)；Sesn3主要在骨骼肌、腎臟、大腦和小腸中表達(dá)。此外，黑腹果蠅的Sesns表達(dá)在幼蟲期非常低，但在成體組織中卻很高［13］。

2 Sesns表達(dá)的調(diào)控

為了應(yīng)對(duì)各種各樣的損傷，細(xì)胞需不斷調(diào)整代謝水平（促進(jìn)損傷修復(fù)、停止合成代謝過(guò)程和刺激分解代謝反應(yīng)等［14］）來(lái)防止受損大分子的累積，同時(shí)為不同的修復(fù)過(guò)程節(jié)約資源［9］。Sesns表達(dá)是應(yīng)激誘導(dǎo)的，因此它參與細(xì)胞或組織水平的多種代謝途徑［15-16］。了解Sesns在不同生理和病理環(huán)境下的表達(dá)調(diào)控至關(guān)重要。

2.1 缺氧

缺氧是最嚴(yán)重的代謝損傷之一。最初，Sesn2是在人類神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中作為一種缺氧激活的基因被分離出來(lái)［9］。在許多人類癌細(xì)胞系中，缺氧模擬上調(diào)了Sesn1和Sesn2的表達(dá)［17］。雖然Sesn1激活嚴(yán)格依賴于P53，但Sesn2在缺氧時(shí)的轉(zhuǎn)錄激活與P53無(wú)關(guān)，在小鼠上皮氣管細(xì)胞中，Sesn2的轉(zhuǎn)錄激活依賴于缺氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）［17］。然而，在許多其他類型細(xì)胞中，Sesn2缺氧誘導(dǎo)與HIF-1無(wú)關(guān)，表現(xiàn)出與其他HIF-1靶基因不同的表達(dá)動(dòng)力學(xué)。在大多數(shù)情況下，Sesn2的轉(zhuǎn)錄不是由缺氧本身引起的，而是由長(zhǎng)時(shí)間缺氧條件下導(dǎo)致能量剝奪引起的。許多降低細(xì)胞ATP濃度的化合物［2-脫氧葡萄糖（糖酵解抑制劑）和二甲雙胍（線粒體呼吸抑制劑）］可以通過(guò)某種機(jī)制誘導(dǎo)Sesn2表達(dá)［18］。此外，一種生活在南極洲的昆蟲（Belgica）通過(guò)上調(diào)Sesns的表達(dá)以應(yīng)對(duì)干旱，這被認(rèn)為是該物種在南極寒冷氣候下生存的關(guān)鍵［19］。

2.2 DNA損傷

長(zhǎng)期暴露于基因毒性應(yīng)激中會(huì)加速衰老，并導(dǎo)致基因突變，破壞正常的DNA損傷反應(yīng)，人類的過(guò)早衰老與干擾DNA損傷修復(fù)有關(guān)［20］。研究證實(shí)，基因毒性應(yīng)激可以抑制蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的合成，而這些協(xié)同反應(yīng)對(duì)于生存是必不可少的，降低大分子生物合成的能量消耗可以轉(zhuǎn)移稀缺資源用于修復(fù)受損DNA［21］。

Sesns作為DNA損傷誘導(dǎo)蛋白，在這過(guò)程中可能發(fā)揮重要作用［22］。哺乳動(dòng)物Sesn1和Sesn2都是由P53激活引起的DNA損傷誘導(dǎo)的，而黑腹果蠅的Sesns表達(dá)也是由輻射引起的DNA損傷誘導(dǎo)的［9］。Sesns通過(guò)增加AMPK的活性來(lái)降低TORC1活性［23］。TORC1的活性降低抑制了合成代謝途徑（蛋白和脂質(zhì)合成［24］）。

在基因毒性應(yīng)激條件下，減少TORC1依賴的合成代謝，可能對(duì)減少新蛋白和膜合成以及利用由此節(jié)省下來(lái)的能量促進(jìn)DNA修復(fù)非常重要。因此，與損傷相關(guān)Sesns誘導(dǎo)可能會(huì)使DNA損傷的有害影響降到最低，而DNA損傷會(huì)加速衰老，加速各種與過(guò)早衰老相關(guān)的病理過(guò)程。

隨著年齡的增長(zhǎng)，DNA損傷累積可能導(dǎo)致癌癥，這是全球死亡的原因之一［20］。因此，Sesns誘導(dǎo)應(yīng)答DNA損傷可能有助于P53在許多腫瘤中執(zhí)行抑制功能［9］。除了抑制細(xì)胞增殖和通過(guò)DNA過(guò)度損傷促進(jìn)細(xì)胞死亡外，最近有研究［25］發(fā)現(xiàn)P53抑制TORC1和細(xì)胞生長(zhǎng)。此外，Sesns可以抑制部分癌細(xì)胞生長(zhǎng)，而Sesn2丟失使永生化細(xì)胞更容易發(fā)生癌變［23］。

在人類各種癌癥中，Sesns1（6q21）和Sesns2（1p35）的位點(diǎn)經(jīng)常發(fā)生缺失，這表明Sesns在腫瘤進(jìn)展中發(fā)生丟失，并提示Sesns對(duì)TORC1依賴性抑制對(duì)于抑制由受損DNA引起的腫瘤發(fā)生至關(guān)重要［26］。

2.3 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激造成活性氧（reactive oxygen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）之間代謝失衡，細(xì)胞對(duì)ROS、RNS和其他反應(yīng)性代謝中間體的解毒能力受損。Sesns家族成員盡管誘導(dǎo)機(jī)制不同，但都是由氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的［27-28］。

Sesn1由過(guò)氧化氫以P53依賴的方式誘導(dǎo)，而Sesn2誘導(dǎo)僅部分依賴于P53。在神經(jīng)元中，Sesn2由N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）誘導(dǎo)，該受體激活以CCAAT/增強(qiáng)子結(jié)合蛋白-β（CCAAT/enhancer binding protein-β，c/EBPβ）依賴的方式刺激ROS的產(chǎn)生。研究［29］表明，氧化應(yīng)激通過(guò)激活核因子E2相關(guān)因子2（Nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2）和氨基末端激酶/激活蛋白-1（c-Jun N-terminal kinase-activator protein-1，JNK-AP-1）信號(hào)軸誘導(dǎo)Sesn2。而c/EBPb、Nrf2和AP-1的結(jié)合位點(diǎn)均存在于Sesn2啟動(dòng)子區(qū)［30］。Sesn3受到氧化應(yīng)激誘導(dǎo)后通過(guò)叉頭框轉(zhuǎn)錄因O（forkhead box O，F(xiàn)oxO）激活。同樣，黑腹果蠅的Sesns表達(dá)受JNK-dFoxO信號(hào)軸調(diào)控，以應(yīng)答果蠅雷帕霉素復(fù)合物1（drosophila target of rapamycin complex 1，dTORC1）誘導(dǎo)的慢性氧化應(yīng)激［13］。

3 Sesns調(diào)控雷帕霉素機(jī)械靶點(diǎn)（mechanistic target of rapamycin，mTOR）信號(hào)網(wǎng)絡(luò)

Sesns獨(dú)立調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)，也參與了應(yīng)力依賴性哺乳動(dòng)物mTOR的調(diào)節(jié)。mTOR存在于哺乳動(dòng)物雷帕霉素復(fù)合物1機(jī)械靶點(diǎn)（mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1）和哺乳動(dòng)物雷帕霉素復(fù)合物2機(jī)械靶點(diǎn)（mechanistic target of rapamycin complex 2，mTORC2）中。Sesns通 過(guò) 抑 制Rheb和RagA/B來(lái)抑制mTORC1，這兩種鳥苷三磷酸酶對(duì)mTORC1激活至關(guān)重要。AMPK-結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物2（tuberous sclerosis complex 2，TSC2）通路介導(dǎo)Sesns對(duì)Rheb的影響，而GATOR1-GATOR2復(fù)合物則調(diào)控Sesns對(duì)RagA/B的影響。雖然Sesns強(qiáng)烈抑制mTORC1，但它可以通過(guò)幾個(gè)獨(dú)立的機(jī)制激活mTORC2。

3.1 Sesns作為AMPK調(diào)節(jié)器

有研究［23］指出Sesns介導(dǎo)的mTORC1調(diào)控依賴于AMPK。Sesns參與TSC1：TSC2復(fù)合物的調(diào)節(jié)，通過(guò)AMPK介導(dǎo)的磷酸化促進(jìn)了TSC2活化。此外，Sesns激活增加了AMPK在Thr172位點(diǎn)的磷酸化，這是AMPK活化的標(biāo)志［23］。由于TSC2是Rheb的鳥苷三磷酸酶活化蛋白（GTPase-activating protein，GAP），Sesns依賴的TSC2活化使Rheb和mTORC1失活。有研究［23］通過(guò)shRNA介導(dǎo)對(duì)AMPK和TSC2的抑制減弱了Sesns對(duì)mTORC1的抑制作用。此外，Sesns對(duì)于DNA的損傷誘導(dǎo)抑制mTORC1至關(guān)重要，而mTORC1的抑制也依賴于AMPK和TSC2的激活［31］。

研究［32］結(jié)果顯示，Sesns誘導(dǎo)對(duì)AMPK的激活作用，在不同的細(xì)胞環(huán)境中對(duì)mTORC1進(jìn)行調(diào)控。果蠅的遺傳學(xué)研究［33］表明，Sesns可通過(guò)AMPK-TSC2軸控制組織生長(zhǎng)和衰減年齡相關(guān)病理過(guò)程。在研究Sesn2缺陷的小鼠中發(fā)現(xiàn)，包括胰島素抵抗和脂肪性肝炎在內(nèi)的代謝表型被AMPK的藥理作用強(qiáng)烈抑制，進(jìn)一步支持了AMPK是Sesns控制代謝穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵下游靶點(diǎn)的觀點(diǎn)［34］。

3.2 Sesns作為mTORC2調(diào)節(jié)器

Sesns對(duì)mTORC1信號(hào)通路發(fā)揮抑制作用，但它能上調(diào)體外培養(yǎng)的細(xì)胞以及小鼠和果蠅組織中依賴mTORC2的AKT磷酸化水平［35］。由于mTORC1和S6K信號(hào)的慢性激活會(huì)導(dǎo)致胰島素抵抗，因此Sesns介導(dǎo)的mTORC2-AKT的激活可能依賴于Sesns對(duì)mTORC1的抑制作用［36］。然而，Sesns誘導(dǎo)TSC1：TSC2復(fù)合物的激活可以通過(guò)獨(dú)立于mTORC1的機(jī)制促進(jìn)mTORC2的上調(diào)［37］。

近年來(lái)，Sesn2和Sesn3通過(guò)調(diào)控包括Rictor在內(nèi)的亞基與mTORC2發(fā)生物理結(jié)合，直接促進(jìn)了mTORC2的催化活性。因此，Sesns可能通過(guò)多種機(jī)制上調(diào)mTORC2-AKT信號(hào)通路。Sesns上調(diào)AKT活性可能對(duì)防止胰島素抵抗和延緩糖尿病進(jìn)展具有重要作用［35］。今后的研究應(yīng)該定位于明確Sesns介導(dǎo)AKT上調(diào)的分子機(jī)制，同時(shí)需明確多種信號(hào)通路的相關(guān)作用。

4 Sesns與衰老

mTORC1失調(diào)和AMPK信號(hào)的失活與ROS生成增加和消耗減少相關(guān)［38］，這都與衰老的特征（代謝穩(wěn)態(tài)和蛋白穩(wěn)態(tài)喪失，肌肉功能降低［39］）密切相關(guān)，Sesns是關(guān)鍵調(diào)控因子，參與了老化過(guò)程［40］。

在秀麗隱桿線蟲中，Sesn1基因突變體表現(xiàn)為ROS累積、肌細(xì)胞異常和壽命縮短［41］。與此同時(shí)，功能獲得突變體通過(guò)降低肌肉ROS來(lái)延長(zhǎng)壽命。Sesns缺陷的果蠅和小鼠模型證明，內(nèi)源性Sesns的激活是預(yù)防不同年齡和肥胖相關(guān)疾病所必需的。而果蠅Sesn（drosophila sestrin，dSesn）失活導(dǎo)致AMPK的抑制和mTORC1的活化，進(jìn)而引起脂肪堆積、血糖升高、骨骼肌和心肌退化［13］。然而，在小鼠中Sesn2功能喪失突變體表現(xiàn)出正常衰老過(guò)程，這可能反映了無(wú)脊椎動(dòng)物與哺乳動(dòng)物衰老具有不同和多因素的機(jī)制［42］。

研究［36］顯示Sesns的水平受衰老調(diào)節(jié)，與中青年男性比較，老年男性Sesns蛋白數(shù)量減少更加顯著，這也提示Sesns在調(diào)控衰老中的重要性。

近年來(lái)，對(duì)Sesns的生物化學(xué)作用機(jī)制方面取得重大進(jìn)展。Sesns作為一種多功能蛋白可以單獨(dú)控制多種抗衰老功能（降低ROS和調(diào)節(jié)mTOR的功能），最近研究［43］確定的人類Sesn2（human Sesn2，hSesn2）晶體結(jié)構(gòu)揭示了負(fù)責(zé)這些功能的2個(gè)子域（Sesn-A和Sesn-C）。此外，結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的誘變產(chǎn)生了一系列的點(diǎn)突變，這些點(diǎn)突變削弱了Sesns氧化還原控制或mTORC1調(diào)節(jié)功能，這為在不同生理環(huán)境下對(duì)Sesns功能進(jìn)行分子解剖提供了基本工具［44］。

Sesns在調(diào)節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)和年齡相關(guān)性病變中具有重要作用，進(jìn)一步研究Sesns的生物化學(xué)功能，進(jìn)而揭示Sesns在調(diào)控衰老中的作用機(jī)制，將為開發(fā)新型抗衰老藥物提供新的思路。