Sirt3-KO 基因敲除小鼠

Sirt3（Sirtuin 3）是一种线粒体内发现的NAD+-依赖性脱乙酰酶，它在维持细胞能量代谢和氧化还原平衡方面发挥着重要作用。Sirt3通过脱乙酰化线粒体蛋白来调节多种生物学过程，包括细胞代谢、氧化应激反应、炎症和细胞凋亡。Sirt3在多种生理和病理过程中都发挥着重要作用，包括衰老、癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等。

研究发现，Sirt3在衰老过程中发挥着重要作用。在衰老的人骨髓间充质干细胞（hMSCs）中，Sirt3的表达水平下调。使用CRISPR/Cas9技术敲低Sirt3基因会导致hMSCs的核完整性受损、异染色质丢失和衰老加速。进一步分析表明，Sirt3与核膜蛋白和异染色质相关蛋白相互作用。Sirt3的缺乏导致基因组核层相关结构域（LADs）从核层分离，增加染色质可及性，并导致异常重复序列的转录。重新引入Sirt3可以挽救紊乱的异染色质和衰老表型[1]。

Sirt3还在调节巨噬细胞极化中发挥重要作用。研究发现，SENP1-Sirt3信号通路在巨噬细胞M2极化过程中控制谷氨酰胺分解，导致α-酮戊二酸（αKG）积累。αKG的积累通过谷氨酰胺分解促进了巨噬细胞的M2极化。SENP1-Sirt3轴通过脱乙酰化线粒体内的谷氨酸脱氢酶1（GLUD1）并增加其活性来促进αKG的产生，从而导致巨噬细胞的M2极化。因此，SENP1-Sirt3信号通路在通过谷氨酰胺分解促进M2极化中起着关键作用[2]。

Sirt3还与糖尿病心肌病的发生发展密切相关。研究发现，在糖尿病心肌细胞中，线粒体AGO2（Argonaute2）水平降低。过表达线粒体AGO2可以减轻糖尿病诱导的心脏功能障碍。AGO2招募线粒体翻译延伸因子TUFM，激活电子传递链亚基的翻译，并减少活性氧。AGO2的丙二酰化是一种翻译后修饰，它减少了AGO2进入糖尿病心肌病中线粒体的过程。AGO2的丙二酰化受细胞质定位的SIRT3短亚型调节，SIRT3具有以前未知的去丙二酰化功能。这些发现揭示了SIRT3-AGO2-CYTB轴将糖毒性连接到心脏电子传递链失衡，为开发针对糖尿病心肌病的线粒体靶向治疗提供了新的机制见解和基础[3]。

Sirt3还与胆囊癌的发生发展相关。研究发现，胆囊癌患者中Sirt3的表达水平低于邻近的正常组织。此外，这些患者中Sirt3表达水平的降低与总生存期较差相关。在胆囊癌细胞系中敲低Sirt3基因导致线粒体呼吸和能量代谢增加，但抑制了氧化应激。沉默Sirt3基因还抑制了AKT依赖性铁死亡，这是一种铁依赖性和脂质过氧化物介导的细胞死亡。阻断sh-SIRT3细胞中的AKT活性诱导了ACSL4表达，从而促进铁死亡，并抑制了上皮-间质转化（EMT）标记物和侵袭活性。相反，过表达Sirt3导致线粒体代谢和EMT发生相反的效果。最后，将sh-SIRT3细胞移植到裸鼠中导致肿瘤快速生长和更大的肿瘤，这些肿瘤表达的E-钙粘蛋白和脂质过氧化产物4-羟基壬烯醛（4-HNE）低于对照组肿瘤。这些研究结果表明，SIRT3通过诱导AKT依赖性铁死亡和阻断EMT来抑制AKT依赖性线粒体代谢，从而导致肿瘤抑制[4]。

Sirt3还在调节炎症小体的激活中发挥作用。研究发现，SIRT3缺乏导致体外和体内NLRC4炎症小体激活和细胞焦亡显著受损。此外，SIRT3通过促进更多的ASC斑点形成和ASC寡聚化来促进NLRC4炎症小体的组装。然而，SIRT3对于NLRP3和AIM2炎症小体的激活是非必需的。此外，SIRT3与NLRC4相互作用并脱乙酰化它，从而促进其激活。最后，研究者证明NLRC4在Lys71或Lys272位点的脱乙酰化可以促进其激活。这些研究表明，SIRT3介导的NLRC4脱乙酰化对于NLRC4的激活至关重要，NLRC4的乙酰化开关可能有助于清除鼠伤寒沙门菌感染[5]。

Sirt3还在调节铁死亡中发挥作用。研究发现，SIRT3表达在GBM组织中高于正常脑组织，并且在RSL3诱导的GBM细胞铁死亡过程中SIRT3蛋白表达上调。抑制SIRT3表达和活性在GBM细胞中增加了GBM细胞对RSL3诱导的铁死亡的敏感性，无论是在体外还是体内。机制上，SIRT3的抑制导致线粒体中铁和活性氧积累，从而触发自噬。RNA测序分析显示，在GBM细胞中敲低SIRT3后，自噬途径上调，SLC7A11下调，SLC7A11是一种通过细胞内谷胱甘肽（GSH）合成来促进铁死亡的细胞内胱氨酸摄取的关键拮抗剂。在SIRT3敲低的GBM细胞中强制表达SLC7A11恢复了细胞内胱氨酸摄取，从而部分恢复了RSL3处理后的细胞活力。此外，在GBM细胞中，SIRT3通过ATF4调节SLC7A11转录。这些研究结果表明，SIRT3在保护GBM免受铁死亡方面发挥着重要作用，并为GBM治疗提供了一种潜在的组合方法，即同时靶向SIRT3并诱导铁死亡[6]。

Sirt3还在调节线粒体NAD+水平中发挥作用。研究发现，禁食上调了肝SIRT3活性，这需要线粒体NAD+。那么，在禁食期间，为了维持增强的SIRT3活性，将更多的NAD+转运到线粒体的机制是什么呢？SLC25A51是一种新发现的线粒体NAD+转运蛋白。研究者测试了假设，即在禁食期间，SLC25A51表达的增加对于增强线粒体NAD+摄取以维持SIRT3活性是必需的。因为禁食-进食周期和昼夜节律紧密相连，他们进一步测试了假设，即SLC25A51是一个昼夜节律调节的基因。他们检测了禁食小鼠肝脏中Slc25a51的表达，并在野生型小鼠和肝脏特异性删除时钟基因BMAL1（LKO）的小鼠中检测了其昼夜节律。他们使用shRNA介导的敲低在肝细胞和小鼠肝脏中抑制Slc25a51表达，然后检测了线粒体NAD+水平、SIRT3活性和SIRT3靶蛋白（IDH2和ACADL）的乙酰化水平。他们使用Seahorse分析检测了减少Slc25a51表达后肝细胞的线粒体氧气消耗率。他们发现禁食诱导了肝细胞Slc25a51的表达，其表达显示出昼夜节律样模式，在LKO小鼠中被打乱。减少肝细胞中Slc25a51的表达降低了线粒体NAD+水平和SIRT3活性，表现为SIRT3靶蛋白的乙酰化增加。Slc25a51敲低减少了完整肝细胞的氧气消耗率。在肝脏中减少Slc25a51表达的小鼠表现出肝脏线粒体NAD+水平降低、肝脂肪变性和高甘油三酯血症。SLC25A51是一个禁食诱导的基因，对于维持肝SIRT3功能是必需的[7]。

Sirt3还在卵巢衰老中发挥作用。研究发现，sirt3表达在卵巢中随着年龄的增长而下降，但在睾丸中不受影响。通过CRISPR/Cas9介导的基因组编辑产生了Sirt3基因敲除小鼠。研究者观察到，Sirt3的缺失加速了卵巢衰老，表现为后代数量减少、卵泡储备和卵母细胞标记物（Bmp15和Gdf9）减少，以及衰老和炎症相关基因（p16、p21、Il-1α和Il-1β）的表达增加。Sirt3缺乏导致衰老卵母细胞中活性氧积累和纺锤体组装紊乱，伴随线粒体功能障碍（线粒体分布不均、线粒体膜电位降低以及线粒体DNA含量减少）。同时，Sirt3基因敲除小鼠的卵巢中，受损的线粒体功能表现为线粒体呼吸复合物减少，以及线粒体融合（OPA1、MFN2）和分裂（DRP1、FIS1）蛋白水平降低。有趣的是，Sirt3基因敲除的雄性小鼠在睾丸组织学、血清睾酮水平、精原细胞增殖和分化以及减数分裂I期精母细胞方面没有变化。Sirt3基因敲除的睾丸中，超氧化物、线粒体膜电位以及线粒体编码基因的表达没有改变。总的来说，这些结果表明，SIRT3在维持衰老小鼠卵巢卵泡储备和卵母细胞质量方面发挥着重要作用，表明其在控制卵巢衰老中的重要作用[8]。

Sirt3还在调节T细胞记忆发展中发挥作用。研究发现，SENP1通过Sirt3脱SUMO化促进T细胞记忆发展。SENP1-Sirt3信号通路增强了Sirt3的脱乙酰酶活性，促进了OXPHOS和线粒体融合。机制上，SENP1激活了T细胞线粒体中Sirt3的脱乙酰酶活性，导致线粒体金属蛋白酶YME1L1的乙酰化减少。因此，YME1L1的脱乙酰化抑制了其对OPA1的切割活性，从而促进线粒体融合，这导致T细胞存活并促进T细胞记忆发展。研究者还发现，糖酵解中间体果糖-1,6-二磷酸（FBP）作为一种负调节因子，抑制了AMPK介导的SENP1-Sirt3轴的激活，并减少了记忆发展。此外，葡萄糖限制减少了FBP的产生，并在T细胞记忆发展期间激活了AMPK。这些数据表明，葡萄糖限制激活了AMPK和随后的SENP1-Sirt3信号通路，以促进T细胞记忆发展[9]。

综上所述，Sirt3是一种重要的线粒体内脱乙酰酶，参与调节多种生物学过程，包括细胞代谢、氧化应激反应、炎症、细胞凋亡、衰老、癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等。Sirt3在多种生理和病理过程中发挥着重要作用，包括衰老、癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等。Sirt3的研究有助于深入理解线粒体脱乙酰酶的生物学功能和疾病发生机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略。