第18卷第6期 2O11年11月 VO1.18 NO.6 N O V.2 0 1 1 去乙酰化酶的功能及其在体育科学中的应用 李方晖 ,曹伟 ,赵军 2,刘承宜 ,郝选明 (1.华南师范大学激光运动医学实验室和民族健康与体质研究中心,广东广州2.暨南大学体育部,广东广州摘 510006; 510630) 要:Sirtuins(SIRTs)是依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅酶(nicotinamide adenine dinucleo. tide,NAD )的去乙酰化酶。除了对染色质组蛋白赖氨酸残基去乙酰化实现对基因的表观遗传修饰 外,SIRT1可以调节多种关键转录调节因子及辅因子活性。SIRTs所介导的生理过程包括控制氧化 应激响应、能量内稳态控制和运动代谢适应等。体育活动对代谢性疾病的预防或对衰老的延缓可 能与SIRTs活性密切相关。多种运动训练方式和补充SIRTs小分子活性物质都能提高骨骼肌、脂 肪、心肌和脑等脏器的SIRTs活性,提升机体抗疲劳及能量代谢适应的能力。SIRTs可能是表征 功能内稳态的潜在标志物。 关键词:运动生物化学;去乙酰化酶;运动训练;功能内稳态;综述 文献标识码:A 文章编号:1006—7116(2011)06.0138.07 中图分类号:G804.7 Functions of sirtuins and their applications in sports science LI Fang-hui ,CAO Wei ,ZHAO Jtm 2,LIU Cheng.yi ,HAO Xuan.ming (1.Laboratory ofLaser Sports Medicine and Research Center ofN ̄ional Constitution and Health, South China Normal University,Guangzhou 510006,China; 2.Department ofPhysical Education,Jinan University,Guangzhou 5 10630,China) Abstract:Sirtuins(SIRTs)are nicotinamide adenine dinucleotide(NAD )dependent deacetylases.Besides realizing epigenetic modiicatifon on genes via the deacetylation of lysine residues in chromatin histones,SIRT1 can regulate the activiy of severalt critical transcription regulating factors and cofactors.Physiological processes mediated by SIRTs include oxidative stress response control,energy homeostasis control and exercise metabolism adaptation. Physical exercises preventing metabolic diseases or delaying aging may be closely related to SIRTs activity.Various ways of sports training and supplementing SIRTs activating small molecule active substances can enhance the SIRTs activity of such organs as skeletal muscle,fat,cardiac muscle and brain,and boost he fattigue resistance and energy metabolism adaptation capacities of the body.SIRTs may be potential biomarkers that characterize functional ho— meostasis. Key words:sports biochemisty;sirrtuin;sports raitning;functional homeostasis;overview 尽管人类个体的寿命逐渐延长,人类寿命的延长 仍然是一个热点话题。大量研究表明,热量(calorie adenine dinueleotide,NAD )的去乙酰化酶(sirtuins, SIRTs)与酵母Sir2蛋白同源。最近的研究表明,SIRTs restriction,CR)可以延长酵母、蠕虫、啮齿动物和非人 类灵长类动物等物种的寿命 。酵母、秀丽隐杆线虫和 所介导的过程包括转录沉默、染色体稳定、细胞周期 进展、细胞凋亡、自我吞噬、代谢、生长抑制、炎症 和应激响应 。体育运动可以通过提高SIRTs活性抗衰 老和预防代谢性疾病和心脏病 。运动性疲劳及运动 果蝇中Sir2过表达可以通过与CR类似的过程延长寿 命。依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅酶(nicotinamide 收稿日期:2011-O1一O7 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60878061);广东省自然科学基金资助项目(9151063101000059)。 作者简介:李方晖(1983一),男,博士研究生,研究方向:内稳态理论和光生物调节作用。通讯作者:刘承宜教授。 第6期 李方晖等:去乙酰化酶的功能及其在体育科学中的应用 l39 性免疫抑制也可能与骨骼肌和免疫细胞SIRTs活性下 调有关。运动代谢适应也与SIRTs密切相关。本文从 内稳态 的角度综述SIRTs的基本功能及其在体育科 学中的应用。 1 SIRTs基因家族的功能及系统进化关系 SIRTs是去乙酰化酶的第3家族,包括SIRT1至 SIRT7 7个成员。它们含有共同的由275个氨基酸构成 的保守核心催化区。每个成员具有不同的生理功能和 亚细胞定位 。SIRT1、SIRT6和SIRT7是核蛋白,SIRT6 和SIRT7分别位于异染色体区域和核仁内,SIRT6去 乙酰化缺氧诱导因子,控制糖酵解等相关基因表达 。 此外,SIRT6也可去乙酰化组蛋白H3第9位赖氨酸, 通过抑制核转录因子nuclear ranscription factor—K B, NF—K B)转录活性而延长小鼠寿命 。SIRT7可以去乙 酰化激活RNA聚合酶I,增加细胞rRNA生物合成及 促进细胞增殖 。 SIRT1主要位于常染色体区域,SIRTs 7个成员中 SIRT1构象与Sir2最为相似。人类的SIRT1蛋白由500 个氨基酸残基组成,其中第363位的组氨酸是去乙酰 化活性的必需基团。除了能将组蛋白H1第26位、H3 第9位、H4第l6位赖氨酸去乙酰化,SIRT1也可去 乙酰化调节多种转录因子活性,包括p53、自噬相关 蛋白atg5/7/8、热休克因子1、NF—K B、叉头转录因 子家族(the forkhead box O family,FoxO)和过氧化物酶 体增殖物激活受体 辅激活子(peroxisome prolifera— tor—activated receptor一 coactivator,PGC)一1alpha【 。 SIRT3、SIRT4和SIRT5主要定位于线粒体基质中。 SIRT3去乙酰化长链乙酰辅酶A脱氢酶在稳定线粒体 基因完整性和能量内稳态发挥重要作用 “ 。SIRT5通 过上调氨基甲酰磷酸合成酶活性控制尿素循环 。在 SIRTs家族中,SIRT4是唯一不具有去乙酰化酶活性的 蛋白酶。研究发现,SIRT4通过其二磷酸腺苷核糖基 转移酶活性下调谷氨酸脱氢酶活性,抑制胰岛细胞的 胰岛素分泌 。 SIRT2位于细胞胞浆中,可通过对OL微管蛋白去 乙酰化修饰影响其解聚。细胞期间,核膜破裂, SIRT2也可以去乙酰化组蛋白H4和其靶基因一一 Fox03at 。最新研究也发现,抑制SIRT2活性可下调 固醇的生物合成,对亨廷顿病的细胞及无脊椎动物模型 起到保护作用旧。业已发现,SIRTs家族任何成员的基因 缺失将不同程度的影响小鼠生理功能,缩短小鼠寿 。 2 SlRTs表征功能内稳态 功能内稳态(function—speciifc homeostasis,FSH)是 维持功能充分稳定发挥的负反馈机制 。FSH的品质 包括功能的复杂和功能发挥的稳定性。运动员的主要 FsH为项目内稳态(sport—speciifc homeostasis,SpSH), 运动成绩表征了功能的复杂性,不同时间不同地点的 比赛成绩的变异系数则表征了功能发挥的稳定性。 蛋白质的乙酰化具有很高的功能特异性。Wang Q 等 发现小鼠和人的肝脏的蛋白质乙酰化相似,但与 白血病细胞显著不同。人体不同脏器不同功能中 SIRT1的作用也是不一样的” 。小猪和成年猪不同脏 器的SIRT1水平不一样 。研究表明,SIRTs是FSH 品质最贴切标志物,存在FSH特异的SIRTs活性 fFSH—speciifc SIRT activities,FSSAs) ”,例如,SIRT1 的FSSA为FSSA1。人胚胎干细胞增殖潜能、迁移潜 能和氧化应激胁迫抗性强于诱导多潜能干细胞来源的 血管内皮细胞,而后者强于正常成人血管内皮细胞, 这3种细胞FSH品质的关键是由FSSA1活性决定的 。 这也从细胞水平上论证FSH所维持的功能的充分发挥 有其相匹配的FSSAs,高活性的FSSAs代表着更高品 质的FSH,即胚胎干细胞增殖内稳态、迁移内稳态、 氧化抗氧化内稳态的品质最高,诱导多潜能干细胞来 源的血管内皮细胞次之,正常成人血管内皮细胞最低。 FSSAs作为FSH品质标志物可以表征健康水平。 中性粒细胞可以通过呼吸爆发介导的吞噬杀菌,也可 以通过自杀产生的细胞外杀菌网络(neutrophil ex— tracellular traps,NETs)介导更为高效的杀菌方式 。 SIRT2可以促进微管解聚。我们实验室研究了运动员 外周中性粒细胞产生NETs的能力,发现运动员具有 较高FSSA2活性,因此运动员产生NETs的能力比普 通人强 。Costford等 的研究揭示了体育运动提升 FSH品质与SIRTs直接相关,健康的受试者较之肥胖 和糖尿病者具有更高的SIRTs活性,而运动员则最高。 因此,运动员具有FSH的品质更高。 FSSAs作为FSH品质的标志物可以表征运动水 平。我们实验室用代谢组学研究方法分析了不同水平 游泳运动员的尿液组分发现,决赛组和获奖组晨尿中 的甲基烟硷含量分别高于非决赛组和非获奖组,尿液 中高水平甲基烟硷意味着NAD 与NADH的高比值, 因此,间接表明优秀运动员FSSA1较高 。当然,FSSAs 是否可以表征运动水平还需不同项目、不同水平运动 员的更为直接证据。 3 SlRTs在运动训练中的意义 运动训练的内稳态理论将运动训练分为超常训练 (extraordinary training,ET)和常规训练(ordinary training, OT) 。与SpSH对应的FSSAs为SpSH特异的SIRTs 140 体育学刊 第18卷 活性(SpSH—speciifc SIRT activities,SpSSAs)。OT维持 SpSH、SpSSA1保持不变。ET通过运动强度的提高打 破现有SpSH1,建立新的更高品质的SpSH2,提高了 SpSSA1,属于成功应激。生理生化上ET表现为延迟 性肌肉酸痛和运动性疲劳;细胞上ET表现为骨骼肌 肌纤维增生和类型转化;分子上ET表现为肌卫星细 胞激活、分化,线粒体生物合成相关因子表达增加和 SpSSA1的增加。不同运动项目的不同运动员的运动水 平千差万别,即具有不同品质的各种SpSH,因此每个 运动员的OT和ET也不同,为每个运动员提供最实效 的科学训练处方是运动训练领域的一大难点。 长久以来,运动生理学界认为PGC—la在运动诱 导骨骼肌建立的代谢适应性机制中扮演关键角色。近 来,Leick等 研究认为,PGC—la在运动训练诱导的 适应性基因表达中并不是不可或缺的,可能有其它因 子比PGC—la更为关键。Suwa等 的研究进一步揭示 了SIRT1对不同强度运动对骨骼肌刺激的响应更为敏 感。他们发现大鼠急性耐力运动(电动跑步机,20 m/min,18.5%incline,45 min)后2 h提高了比目鱼肌 SIRT1的表达,而两周低强度组(20 m/min,18.5%in— cline,90 min/d)和高强度组(30 m/min,18.5%incline, 60 min/d) ̄J1]练都可以提高大鼠比目鱼肌SIRT1的表 达,但只有高强度训练可以提高跖肌SIRT1的表达, 而两种强度的训练对PGC—la表达都没有影响。因此, 对于比目鱼肌来说,急性耐力运动与2周的低强度和 高强度训练效果相似,但对于跖肌来说,只有2周高 强度才能算是ET。 Hokafi等人 研究了耐力训练和姿势性收缩对大 鼠骨骼肌SIRT3及NAMPT表达的影响。他们发现, 急性耐力运动(电动跑步机,2O m/min,60 min/d,4周) 分别增加比目鱼肌和跖肌SIRT3蛋白49%和41%的表 达,4周自愿转轮运动增加跖肌及三头肌SIRT3表达 的66%和95%,但上述的运动方式对NAMPT表达都 没有影响;姿势性收缩对于维持姿势肌高水平的 SIRT3更为有利。 GuM等 。J研究了慢性电刺激对大鼠骨骼肌线粒体 生物合成与SIRT1活性的关系,刺激强度(1周,12 Hz, 50 ms)使骨骼肌单位蛋白含的SIRT1活性显著上调, 且与线粒体生物合成正相关。随后,他们又研究了6 周高强度间歇训练(High—intensity interval training, HIT)(approximately I h of 40 min intervals.V02…=90%, 2 min rest,3 d/周)对人股外侧肌SIRT1活性的影响, 训练后4 d得到了相似的结果 ”。他们认为,虽然HIT 强度大、单次训练时间及周期短,但无论是运动训练 还是健康促进作用,与传统的耐力训练相比,HIT都 是较为实效的运动训练策略。Little等人 也通过低量、 更高强度HIT实现了用传统耐力训练诱导的骨骼肌代 谢适应性变化,与Gurd实验室研究一致,SIRT1活 性增加是决定HIT是否打破原有SpSH的关键。因此, SIRTs有可能为运动方式和强度的选择提供一定理论 支持。 4体育运动抗衰老效应与S I RTs的关系 酵母衰老引起Sir2水平下降 ,动物或人体的衰 老也会引起SIRTs水平下降。OT维持SIRTs,ET提高 SIRTs。无论是OT还是ET,都会对衰老产生抵抗作 用。 耐力运动可以抗衰老 。 。长期缺乏运动及衰老过 程导致胰岛素敏感性下降、线粒体功能紊乱、DNA氧 化损伤。Lanza等 将研究对象分为不运动的青年组 (1 8~30岁)、耐力运动青年组(1 8~30岁)和老年组(59~76 岁),分别研究了久坐与耐力训练的差异。研究发现, 衰老引起久坐SIRT3表达下降,但耐力训练都可以引 起青年人和老年人的SIRT3表达升高,进而提高骨骼 肌胰岛素敏感性和线粒体功能。Palacios等 研究也发 现,运动训练增加小鼠骨骼肌SIRT3表达。他们揭示 耐力训练至少可以通过提高线粒体SIRT3的表达延缓 衰老。 运动训练抗衰老效应也与SIRT1相关” 。Pauli等 人 。研究了急性运动(1.5 h游泳)对衰老相关的胰岛素 抵抗影响,结果发现急性运动降低骨骼肌c—Jun氨基 末端激酶磷酸化水平和酪氨酸磷酸酶一lB表达,同时 也增加胰岛素受体磷酸化水平,这一过程依赖SIRT1 表达。衰老产生的氧化应激导致大鼠心肌和脂肪细胞 氧化损伤,运动训练可通过增加SIRT1活性抵御衰老 引起的心肌细胞MnSOD、过氧化物酶和GADD45a等 抗氧化酶表达下降” 。 脂联素是一种抗糖尿病的脂肪因子,通过与骨骼 肌上的脂联素受体结合调节骨骼肌的胰岛素敏感性, 运动训练能上调脂联素及其受体表达 ”。。1wabu等 研究发现,SIRT1是脂联素信号途径的下游,脂联素 上调骨骼肌线粒体功能、数目和氧化应激脱毒性酶都 依赖SIRT1表达。 NAD 是SIRT1催化活性底物,细胞内NAD 含量 高表征SIRT1高活性,而尼克酰胺磷酸核糖转移酶 (nicotinamide ph0sph0ribosyltrans I_ase,NAMPT)是 NAD 生物合成的限速酶,NAMPT表达丰度和SIRTs 活性成正相关。由于在体检测NAD 较难实现,因此, 也有学者检测NAMPT表达,问接反映骨骼肌细胞内 NAD 水平。Costford等 嗵过横断面分析法同时也发 第6期 李方晖等:去乙酰化酶的功能及其在体育科学中的应用 141 现,NAMPT跟骨骼肌线粒体数目( 21=0.28,P<0.011、 最大摄氧量(蹦2)=0.63,P<0.0001)、ATP最大合成 (尉2)=0.37,P=0.002)密切相关,运动员骨骼肌中 NAMPT蛋白含量比普通人、肥胖者、糖尿病患者高 (P<0.05)。3周耐力训练可以提高久坐者骨骼肌中的 NAMPT蛋白含量的1.27倍,Koltai等人 的工作也同 样证实了经常性的运动训练能上调SIRT1的活性。因 此,体育运动抗衰老效应可能通过SIRTs实现的。 5运动性免疫抑制与SlRTs的关系 长久以来,运动生理学家研究运动应激对免疫功 能影响时发现,适度训练(moderate exercise training, MET)能有效地调节免疫系统对病毒、细菌、肿瘤细胞 和自身免疫的应答,而剧烈训练strenuous exercise,SE) 将引起过度应激效应,并且通过交感神经或糖皮质激 素等对免疫功能有抑制效应 。 Marfe等 ”研究了马拉松对业余跑步者外周淋巴 细胞的影响,研究发现sE能上调多种抗氧化蛋白基 因及应激因子的表达,如SIRT1、热休克蛋白 70(heat shock protein 70,HSP70)和FOXO3a;但也下调 了SIRT3和SIRT4的表达。Ferrer等人 也研究了最 大吸氧量的75%~80%的强度游泳1 h对人免疫细胞的 影响,发现sE后中性粒细胞和淋巴细胞的抗氧化酶 活性及抗凋亡蛋白表达显著下降,同时研究也发现 SIRT3表达下调。这些研究表明,SE引起的免疫内稳 态打破可能跟SIRT3更为相关。 体外实验表明,糖皮质激素能提高骨骼肌细胞内蛋 白的乙酰化水平,即降低了细胞的去乙酰化酶活瞄^【4 , 而sE干扰了免疫系统SIRTs活性是否与sE相关的糖 皮质激素水平升高有关还需深入研究。 白藜芦醇(resveratrol,RES)是SIRTs激活剂。刘艳 等 研究了RES对急性耐力训练小鼠红细胞的抗氧化 能力和免疫功能的影响,研究发现,RES具有保护耐 力训练小鼠红细胞的形态和功能的作用,SIRTs也可 能介导这一过程。 6体育运动维持脑稳态(bra i n homeostas i S, BH)与S I RT1的关系 BH对代谢速率和功率输出的协调能力以及对骨 骼肌纤维募集状况的调节能力是影响运动成绩的重要 因素。业已发现,体育运动能提高脑神经的突触可塑 性和认知功能 。Gomez—Pinilla等 。比较了运动和补 充二十二碳六烯酸(Docosahexaenoic acid,DHA)对大鼠 下丘脑和海马SIRT1表达的影响,结果发现,与补充 DHA相似,14 d的自愿转轮运动(voluntary wheel run— ning activity) ̄f_调下丘脑和海马SIRT1表达,从而提 高大脑的突触可塑性和认知功能。这说明运动训练除 了通过SIRTs提高骨骼肌代谢机能外,同时也提升了 BH的品质。 7 多酚类物质抗疲劳效应及与S I RTs的关系 RES、槲皮素、原花青素等多酚类物质都可以提 高SIRTs的活性。Murase等 发现,快速老化小鼠 (senescence—accelerated prone mice,SAMP1)的耐力会 在12个星期之内显著降低,但同时补充RES的SAMP1 的耐力则得以保持;SIRT1的特异性激活物SRT1720 也可以提高小鼠耐力水平 。 PGC—la在运动引起的骨骼肌代谢适应中具有重 要作用。SIRT1介导了PGC一1诱导的代谢适应 。在 运动或能量耗竭状态下,激活的PGC—la诱导线粒体生 物合成以及促进肌纤维类型从快肌向慢肌转化 ,这一 过程可以通过补充RES得以实现。研究发现,RES可 以激活SIRT1,后者导致了PGC—la乙酰化水平下降, 增加了PGC—la转录效率 ”。 大鼠喂食7 d的槲皮素(25 mg/kg) ̄提高小鼠比 目鱼肌及脑的SIRT1、PGC—la表达,同时促进线粒体 生物合成;与对照组相比,试验组小鼠最大耐力 (maximal endurance capacity)和自愿转轮运动能力也得 到了提高 。Nieman等 进一步研究了槲皮素对人的 抗疲劳效应,成年男性(A 26,年龄(2o.2±0.4)岁,VO。… (46.3±1.2)mL・kg- ・min。)补充2周槲皮素(1 000 mg/d) 显著提高12 min跑台试验成绩。他们的进一步研究发 现,与小鼠实验结果相似,槲皮素也能通过增加人类 骨骼肌的SIRT1表达,从而增加PGC—la转录潘l生, 后者促进了肌酸合成酶、细胞色素C氧化酶、mtDNA 合成 Venderley等 在一项国家运动员健康研究中调查 了9 242名跑步运动员,发现3.8%为素食者,其中289 人为奶素食者,62人为严格素食者。其中包括6次铁 人3项冠军大卫斯科特、健美冠军安德烈亚斯、法国 奥林匹克花样滑冰运动员苏里亚、保持20项世界纪录 长跑运动员帕夫鲁米等都是严格素食者。这说明素食 这种饮食方式非但没有导致运动员营养不平衡,反而 有可能提升运动员SpSH品质。由于素食者每天摄入 比杂食者更多的蔬菜、水果等植物,而人类摄取的多 酚类物质多来源于茶叶、蔬菜和水果等植物,上述讨 论的RES、槲皮素、原花青素等多酚类物质就大多提 取自葡萄籽、石榴、花生红衣中。因此,素食者较之 杂食者摄人的多酚类更多。 142 体育学刊 第l8卷 多酚类物质可以提高细胞的去乙酰化酶SIRTs活 性水平 ,这也表示素食者可能具有更高活性水平的 SIRTs,即更高品质的SpSH,但需要通过检测运动员 机体S|RTs活性来证实。由于肌肉活检对于运动员的 训练带来不便,而NAD 可以穿梭细胞膜,因此对运动 员血液及尿液进行核磁共振测试或高效液相分析,通 过检测NAD 水平,间接反映SIRTs活性水平;通过化 学发光特异性抗体的酶联免疫法也可以直接检测血细 胞内SIRTs活性,从而综合反映机体SIRTs活性水平。 参考文献: [1]Fontana L,Partridge L,Longo V D.Extending healthy life span—from yeast to humans[J].Science, 2010,328:321-326. 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