全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 18 卷 第 2期
2006年 4月
Vol. 18, No. 2
Apr., 2006
去乙酰化酶 Sirtuin 研究进展
蔡群芳，周 鹏*
(中国热带农业科学院热带生物技术研究所热带作物生物技术国家重点实验室，海口 571101)
摘　要：依赖于 NAD+ 的去乙酰化酶 Sirtuin 对细胞的存活、衰老、凋亡等生理活动的调节起到十分重
要的作用。Sirtuin 系统中的 ySir2 和 SIRT1 就目前来说是研究得较为透彻的两个成员。ySir2 参与了酵
母的交配型基因沉默、端粒的沉默、rDNA 重复序列的沉默以及细胞寿命等生理功能。人类 SIRT1 在
细胞存活与代谢等过程中也起到调节作用。本文对 Si rtuin 的结构、作用机制、底物特异性、影响因
子及其功能作了综述。
关键词：组蛋白去乙酰化酶；N A D；沉默信息调节因子；SI R T1
中图分类号：Q512.7; Q55 文献标识码：A
The research development of deacetylase (Sirtuin)
CAI Qun-Fang, ZHOU Peng*
(State Key Biotechnology Laboratory for Tropical Crops, Institute of
Bioscience and Biotechnology, CATAS, Haikou 571101,China)
Abstract: The silent information regulator protein(Sir2) and its homologs(collectively known as Sirtuins) ，
NAD+-dependent deacetylase enzymes, play an important role in physiological regulation, such as the survival，
aging and apoptosis of cell. ySir2 is a member of the Sirtuin family, and the studies show it acts on the silencing
of mating-type loci, telomeric DNA regions, ribosomal DNA repetition sequence and cellular aging. Another
member, human SIRT1 also plays a part in regulation of cell survival and metabolism. In this review, we summarize
the structure of Sirtuin and its function on gene silencing, metabolism and aging , and also discuss its molecular
mechanism, substrate specificity, influence factor.
Key words: histone deacetylase; NAD; silent information regulator; SIRT1
文章编号 ：1004-0374(2006)02-0133-05
组蛋白的可逆共价修饰调节是基因表达调控的
重要方式之一。目前已知的共价修饰调节作用有六
种修饰方式：磷酸化 /去磷酸化、乙酰化 /去乙酰化、
腺苷酰化 /去腺苷酰化、尿苷酰化 /去尿苷酰化、甲
基化 / 去甲基化、氧化(S-S)/ 还原 (2SH)。而首次
证实组蛋白乙酰化/去乙酰化与转录活性密切相关的
是十几年前发现的常染色质进行活跃转录的核心组
蛋白是高度乙酰化的，而进行不活跃转录的核心组
蛋白是低乙酰化的，经进一步研究表明：细胞通过
对核心组蛋白进行可逆共价修饰来调节其N端尾部
的乙酰化水平来调控转录的起始[1~2]。
随着对组蛋白在基因表达调控中所起的可逆共
价修饰的深入研究，人们认识到乙酰化 / 去乙酰化
是众多共价修饰中最重要的一种[3]。这种共价修饰
主要由组蛋白乙酰化酶(histone acetylase, HAT)和组
蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)来分别
催化乙酰化作用和去乙酰化作用，从而在生命活动
的调控转录中发挥作用。而依赖于 NAD+ 蛋白去乙
酰化酶在各种生命活动中都起着十分重要的作用。
众多研究表明：Sirtuin具有依赖于NAD的组蛋白去
收稿日期：2005-12-14；修回日期：2006-01-12
作者简介：蔡群芳(1981 —)，女，硕士研究生；周 鹏(1963 —)，男，博士，研究员，博士生导师，* 通讯作者。
134 生命科学 第18卷
乙酰化酶活性。Sirtuin 的主要活性是将组蛋白去乙
酰化，NAD+ 作为反应底物，产生烟酰胺和O- 乙酰
基 -ADP 核糖，后者作为一种信号因子，携带从组
蛋白上脱下来的乙酰基[4]。
自从20世纪70年代研究者首次在酵母中发现两
种组蛋白去乙酰化酶(HAD 和 RPD3)以来，组蛋白
乙酰化 / 去乙酰化作用系统的研究迅速发展起来[5]。
目前已有许多种类的具有不同功能的组蛋白去乙酰
化酶从不同物种中鉴定出来。根据它们与酵母
HDAC 的同源性高低可归为三大类。与酵母 RPD3
相关的组蛋白去乙酰化酶归为Ⅰ类。与酵母 HDA1
相关的组蛋白去乙酰化酶归为Ⅱ类。Ⅰ、Ⅱ两类的
酶活性受到共同的抑制剂 ( 如制毛癣素 A 、
trichostatin A、TPX、n- 丁酸等)所抑制[6]。后来，
一类新的组蛋白去乙酰化酶 Sir2 (silent information
regulator 2)被发现，这类酶主要位于细胞的核仁
内，酶活性特别高，从细菌到人类都是高度保守
的，对前两类酶的共抑制剂并不敏感，但是可被烟
酰胺(nicotinamide)、sirtinol、splitomicin 等所抑制，
因此这类酶及其相关蛋白统一命名为 Sirtuin，并归
为Ⅲ类 HDAC[7~10]。
1　Sirtuin的结构
许多研究都从不同角度表揭示了 Sirtuin 的结
构。特别是近来通过 X- 射线观察其与底物的作用，
更加清楚地揭示了 Sirtuin 的结构。
第一个通过 NAD+ 作用的乙酰化底物与 Sirtuin
连接所形成的三元酶复合物，经过X-衍射观察到烟
酰胺高度保守的 C 端袋状部位与乙酰基肽结合后发
生构象重排，从而证实了酶的活性位点及其催化功
能[11]。在此基础上深入研究得到：Sirtuin 的催化核
心由NAD+结合域和小亚结构域组成，NAD+结合域
由 Rossmann 折叠构成，小亚结构域由一个螺旋构
件和一个锌结合(zinc-binding)构件组成。大小结构
域之间形成了一个大沟，为 NAD + 提供了结合位
点 ， 乙酰化肽在这个裂缝里结合形成酶 — 底物的
β- 折叠结构而发生催化反应[12]。
2　作用机制
在 Sirtuin结构研究的基础上，用 2- 脱氧 -2氟
基 -NAD+作为一个替代共底物，用快速猝灭流程的
研究方法使其作用机制逐渐得到阐明[7]。如图 1 所
示 [13]。
第一步为起始阶段：需要 NAD + 和乙酰化底
物。用动力学研究的方法表明，首先是 NAD+ 的烟
酰胺核糖基键断裂，乙酰化底物的乙酰基团的羰基
氧攻击其断裂处，形成酶的三元复合物[14]。
第二步为过渡阶段：酶的三元复合物去乙酰
化，裂解释放出烟酰胺和 1- 氧代烷基酰胺中间物
(1-O-alkylamidate intermediate)，启动 1- 氧代烷基酰
胺中间物的 2-OH 去质子化，发生亲核攻击，即将
组氨酸残基的H键连接到烟酰胺核糖的3 OH上，继
而形成 1-2 环状中间物[4]。
第三步为结束阶段：这是一个催化阶段。与
过渡阶段同样的组氨酸残基，不发生亲核攻击，仅
作为一般的氨基酸，在一分子水的作用下，使赖氨
酸的离去基团发生质子化作用，除去赖氨酸的 ε- 氨
基，使 1-2环状中间物形成 2-O- 乙酰基 -ADP核糖
(2-O-acetyl-ADP-ribose，2-OAADPr)和去乙酰化产
物，在生理平衡的条件下，2-O- 乙酰基 -ADP 核糖
可以可逆地转换成 3-O- 乙酰基 -ADP 核糖[15]。
3　底物特异性
通过可以得到的肽连接结构显示：Sirtuins 表
现出主要是通过底物的肽骨架结构来连接的，但是
缺乏一种基本的侧链识别过程，故Sirtuins家族中的
乙酰肽连接特异性仍不清楚。与此一致的是 SIRT1
也没有底物特异性。然而稳态动力学分析(用各种
不同的单体乙酰组蛋白肽作为底物)表明：如果缺
乏辅助蛋白，在一个给定的氨基酸序列里，乙酰基
团的定位相同，ySir2、HST2、SIRT2 等就会表现
出不同的催化效率[8]。
4　影响因子
4.1　抑制剂　在Sirtuin作用过程中存在一些抑制作
用的物质，如烟酰胺、sirtinol、splitomicin 等，但
就目前来说研究得较为透彻的是烟酰胺的抑制作
用。
烟酰胺由 Sir2 去乙酰化作用直接获得，是 Sir2
有效的生理抑制剂[ 7]。尽管烟酰胺结合在变构部
位，但是近来的研究表明：烟酰胺的抑制作用主要
是由于缩合了高能量的酶，它通过ADP核糖与乙酰
基赖氨酸介导的可逆反应重新形成 NAD+。因此，
烟酰胺是去乙酰化作用的非竞争性抑制剂。另有研
究表明：与单个烟酰胺结合袋状部位一致，自由的
烟酰胺结合位点 C 和烟酰胺结合位点相同。经过体
外实验表明：烟酰胺在浓度为 10~150 uM 时对 Sir2
有很好的限制作用，在酵母体内，烟酰胺有效地降低
了基因沉默，增强了 rDNA 重组，加速了衰老，并
135第2期 蔡群芳，等：去乙酰化酶 Sir tu in 研究进展
且模拟了ySir2 (yeast Sir2) 的基因缺失突变作用[16~17]。
splitomicin是一种可有效阻止Sir2所有沉默功能
的化合物，并且只对 Sir2 起作用，同时它还具有
促进人细胞对DNA损伤区的光修复，医学家们据此
推测有另一潜在临床作用为激活沉默的肿瘤抑制基
因来对抗肿瘤的生长[18]。
Araki等[19]在研究长寿蛋白缓解神经退行性疾病
时，当给细胞一定剂量的 sirtinol(一种能抑制Sir2蛋
白活性的药物)时，神经细胞轴突表现出的保护性
作用就消失，即使在神经细胞受损的前几个小时将
额外的 NAD 加入到细胞中，其结果也是一样的。
4 .2　激活剂　由植物产生的多酚类小分子物质，
如白藜芦醇(resveratrol，Res)、漆树黄酮(fistein)、
紫铆因(butein)等有较强的抗氧化、抗自由基的作
用，主要通过激活组蛋白去乙酰化酶的活性来延长
细胞的寿命[20]。
图1　去乙酰化酶Sir2家族的催化机制[13]
Res 是一种自然产生的多酚类化学物质，广泛
存在于一些植物中，如葡萄、浆果和花生，它是
一种含有芪类结构的非黄酮多酚类化合物，具有重
要的生物学作用。由葡萄或葡萄酒中产生的 Res 通
过降低乙酰化底物的Km值可以对ySir2起到最高的
激活活性，使其的寿命延长 70% [18]。而 Res 在与
SIRT1结合时构象发生变化，调节 p53-AMC的相豆
素基因，从而增加细胞的存活，延长人的寿命[8]。
我们的饮食中 Res 的主要来源是红酒，而在不
限制热量的人类饮食中增添红酒肯定会让人发胖。
这让我们看到多酚对Sirtuins的作用是一个新的研究
路线，它可能与某些年龄有关的疾病(如阿尔茨海默
病)有关系[21]。
在研究烟酰胺作用机制的基础上，学者们推测
有一种小分子复合物与自由烟酰胺竞争结合部位，
虽然还不能看见该反应，但是可以肯定小分子复合
136 生命科学 第18卷
物影响了整个去乙酰化过程的速率。后来经 Sauve
等证实烟酰胺的同源物异烟酰胺(isonicotinamide)具
有小分子复合物的全部特征，因此，异烟酰胺也可
以作为 Sirtuin 的激活剂[19]。
5　Sirtuin的功能
近来几年来，大量的研究集中于 Sirtuin在细胞
生理功能上的研究。最早主要是通过来自于细菌鼠
伤寒(沙门氏)杆菌的维生素B12辅酶的生物合成途径
的研究来认识其功能的。随后通过与酵母 ySir2 同
源性最高的人 SIRT1 的研究，从而对组蛋白的乙酰
化/去乙酰化系统在生命活动调控中的作用认识更加
清楚，包括基因沉默、与寿命的关系以及在代谢中
的作用等。
5.1　基因沉默　早期许多研究揭示了酵母中Sir2与
其他蛋白质结合成的复合物在基因沉默中所起的作
用，如 Sir2 与 Sir3、 Sir4 组成的复合物，使酵母
端粒以及沉默交配型基因座的同宗配合左边
(homothallic left，HML)和同宗配合右边(homothallic
right，HMR)的染色质沉默[22~24]; 而与 Net1、Cdc14
形成的复合物，参与 rDNA 重复序列的沉默[25~26]。
SIRT1 可以通过与 NcoR(nuclear r eceptor co-
repressor)和视黄醇以及甲状腺激素受体沉默中介蛋
白(silencing mediator of retinoid and thyroid hormone
receptor，SMRT)相互作用，抑制过氧化物酶体增
殖物激活受体 γ (PPARγ)的作用[27]。而 Sir2 的同源
物 Sir3 和 Sir4，是组蛋白尾部连接蛋白，与组蛋白
H3 和 H4 的互作在染色质结构的沉默中起到十分重
要的作用[28]，其中 Sir3 位于细胞核内，通过与低
乙酰化的组蛋白 H3 和 H4 的氨基尾部作用，阻止
DNA 的转录、复制和重组；Sir4 与组蛋白的尾部
相互作用，可以使沉默染色质更加稳定。
5.2　与寿命之间的关系　研究人员在若干年前就已
经知道 Sir2 基因能够延长酵母、线虫、果蝇的寿
命。而最近Sinclair的研究小组发现能够延长寿命的
4 种 Sir2 基因，并提出整个 Sir2 家族基因都参与了
控制寿命的过程[29]。同时他们在研究环境压力和长
寿之间的遗传学关系时发现：在低盐、加热、极
端卡路里限制的条件下，一种叫做 PNC1 的酵母长
寿关键调节因子可以不断刺激 Sir2 活性，甚至调节
整个 Sir2 基因家族，这就意味着人类 PNC1 因子可
以预防癌症、心脏病、糖尿病等衰老疾病。另外，
Araki 等[19]证明在小鼠神经细胞中，SIRT1 蛋白(属
于Sir2蛋白家族)能延缓神经细胞轴突的降解，而这
种降解往往发生于接触了化学药物或者从细胞体上
断离的神经细胞轴突。这就为治疗许多神经退行性
疾病(包括帕金森病、阿尔茨海默病、肌萎缩侧索
硬化、各种神经病和多重硬化症)的新疗法打开了
大门 [ 2 1 ]。
但是，最近洛杉矶南加州大学的 Valter Longo
和同事们指出，如果检测酵母细胞存活的时间，那
么 Sir2 限制了酵母的寿命。该研究小组还发现 Sir2
基因在长寿型酵母突变体中过量表达，会加速它们
的死亡。最后，该小组指出在缺少 Sir2 的酵母当
中，DNA 突变的频率降低，但抗胁迫基因(stress-
resistance gene)变得更为活跃[30]。
所以，有关Sir2能延长寿命的说法正在受到严
重的挑战，Sir2 究竟在生命活动中扮演什么角色有
待进一步研究。
5.3　代谢作用　在Sirtuin与基因沉默和细胞寿命之
间关系的研究基础上，学者们开始了其对各种酶的
翻译后调控的研究。
短链脂肪乙酰辅酶 A 合成酶(acetyl-coenzyme
synthetases，Acs)是第一个发现的在 Sir2 的去乙酰
化作用调控下的酶，单独的乙酰化作用可以有效的
阻断 Acs 的腺苷化作用[31]。丙酰辅酶 A(propionyl-
coenzyme)由 prpE 编码，而 Sir2 对合成酶 prpE 有调
节作用，因而丙酰辅酶 A 合成酶(propionyl-coen-
zyme synthetases，Pcs)也受到了 Sir2 的调节作用。
AMP形成途径中的所有酶的催化作用都依赖于Sir2
蛋白的乙酰化 / 去乙酰化作用系统，其乙酰化作用
又必须依赖于蛋白乙酰转移酶和 Sirtuin乙酰化酶的
连接作用，但是因为乙酰转移酶并未得到分离，其
作用位点也不清楚，因此，AMP 形成途径中的其
他酶的活性是否受 Sir2 调控还有待研究。
另外，趋化性(Chemotaxis)虽然不是代谢调控
过程，但是只有在趋化性的情况下细胞才能正常吸
收营养物质以及躲避毒性物质[32]。通过大肠杆菌反
应调节蛋白CheY的实验说明：Acs失去活性后，细
胞将大大降低对趋化性刺激素的敏感性，然而这仍
不能说明趋化性是否是直接受控于 Sirtuin系统的作
用，这需要更深入的研究。
6　展望
Sirtuin是一类作用于组蛋白的去乙酰化酶，目
前只是对其中的ySir2和SIRT1的作用机制研究得较
为透彻，但仍需进一步完善。想要更深刻的了解
Sirtuin 在不同物种中的作用，特别是应用于人类的
137第2期 蔡群芳，等：去乙酰化酶 Sir tu in 研究进展
长寿和衰老的调节，需要对 Sirtuin系统中其他成员
及其功能作更深入的研究。SIRT1 的活化作用增加
可以抑制神经细胞自我破坏的过程，通过使用能增
加 Sir2 蛋白活性的药物来研究它们预防癌症的潜
能，同时也希望研究出如何利用 Sirtuin的机制预防
癌症，而实际应用于临床上。
[参　考　文　献]
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