Sirt3基因敲除小鼠與非酒精性脂肪肝的簡介與技術

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Sirt3基因簡介
SIRT3基因，中文名為去乙�；�酶3，屬于Sirtuins家族，Sirtuins是進化上保守的NAD+依賴性脫乙酰酶家族，具有調控細胞增殖、DNA修復、線粒體能量穩(wěn)態(tài)和抗氧化活性等多種生理功能。哺乳動物Sirtuins家族共有7個成員（包括SIRT1-7），近期研究發(fā)現(xiàn)SIRT3在心血管和代謝疾病中發(fā)揮著重要作用。在分子機制層面上，SIRT3作為一種脫乙酰酶，主要定位在線粒體上，因此能夠調節(jié)大部分線粒體蛋白的賴氨酸乙�；�，它的激活是細胞調整能量代謝的一個重要傳感器，可調節(jié)線粒體ATP生成和對壓力的適應性反應。SIRT3基因位于人類11號染色體上，基因全長約21.9kb，共有10個外顯子，氨基酸數(shù)量為187個，由核編碼后形成一個包含N端線粒體靶向序列的無酶活蛋白，該序列導入線粒體后被切斷，留下一個酶活性的28kda的蛋白。近期研究表明，該基因調控線粒體的功能，與非酒精性脂肪性肝病（NAFLD)密切相關。

表1. SIRT3的基本信息

備注：標有√的意為賽業(yè)紅鼠資源庫有該種保存狀態(tài)的小鼠

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）
非酒精性脂肪性肝�。╪onalcoholic fatty liver disease，NAFLD）是指除外源酒精和其他明確的損肝因素所致的肝細胞內脂肪過度沉積為主要特征的臨床病理綜合征，與胰島素抵抗和遺傳易感性密切相關的獲得性代謝應激性肝損傷。NAFLD是一個總稱，包括一系列肝臟疾病，包括肝脂肪變性（NAFL）、單純性脂肪肝（SFL）、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）及其相關肝硬化，是肥胖和代謝綜合征的一種肝臟表現(xiàn)。
 

圖1. 來自NAFLD患者肝臟活檢的圖像展示了肝臟脂肪變性（空泡結構）、肝細胞氣球樣變性、小葉炎癥和細胞周圍纖維化的典型表現(xiàn)[1]

NAFLD的致病機理
多年來，人們提出了一種“二次打擊”（two-hit）理論來解釋非酒精性脂肪性肝的發(fā)病機制。該理論表明，僅在肝脂肪變性（NAFL）的情況下，非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的進一步發(fā)展需要來自其他誘因（例如氧化應激）的二次“打擊”；然而，這種觀點正逐漸被更新。促成非酒精性脂肪性肝炎發(fā)展的分子途徑有很多，并且并非所有患者的致病驅動因素都相同。因此，導致疾病的機制及其臨床表現(xiàn)都是高度異質的。

在定義NAFL和NASH的致病機制時，一個新興的研究理論認為是肝臟處理的主要代謝能量底物（碳水化合物和脂肪酸）的能力超負荷運轉了，導致肝臟內有毒脂質物質的過量積累。這些代謝產物會誘導肝細胞應激、損傷和死亡，導致肝臟纖維化和基因組損傷，易患肝硬化和肝細胞癌。因此，闡明肝細胞中脂肪酸的來源和去向對于理解NASH的代謝基礎至關重要。當脂肪酸供應過量或處理受損時，它們可能作為產生脂毒性物質的底物，引起內質網(wǎng)應激和肝細胞損傷。闡明導致脂毒性、內質網(wǎng)應激和細胞損傷的途徑可作為合理的治療靶點^[1]。
 

圖2. 游離脂肪酸是NASH發(fā)病機制的核心。源自脂肪組織中甘油三酯脂解作用的游離脂肪酸通過血液輸送到肝臟。脂肪酸在肝細胞中的兩個主要途徑是線粒體β-氧化和再酯化以形成甘油三酯。甘油三酯可以作為低密度脂蛋白進入血液或儲存在脂滴中。脂滴甘油三酯經(jīng)過調節(jié)的脂解作用，將脂肪酸釋放回肝細胞游離脂肪酸池。當通過β-氧化或甘油三酯的形成對脂肪酸的處理不堪重負時，脂肪酸會導致脂毒性物質的形成，從而導致內質網(wǎng)應激、氧化應激和炎癥小體激活。這些過程是NASH表型的原因，包括肝細胞損傷、炎癥、星狀細胞活化和過量細胞外基質的逐漸積累[1]。

SIRT3基因與NAFLD
越來越多的研究表明，伴隨代謝異常產生的線粒體功能障礙是Ⅱ型糖尿病、肥胖、NAFLD等代謝疾病的共同內在特征。因此，探究線粒體功能障礙對NAFLD的致病機理和潛在分子靶標成為目前研究人員探索的一個新的治療方向。

SIRT3在具有高氧化能力的大腦、心臟、腎臟、棕色脂肪組織和肝臟中高度表達，并且主要定位于線粒體基質中，通過可逆的蛋白乙�；�，在線粒體代謝中發(fā)揮重要作用，從而廣泛參與機體代謝、氧化應激和細胞存活等生物學過程。Sirt3小鼠的敲除模型已被廣泛用于闡明SIRT3在代謝中的生理作用。長期喂食高脂肪飲食的小鼠的Sirt3活性較低，線粒體功能受損，肝臟中蛋白質過度乙�；�^[2]。來自Sirt3缺陷小鼠的研究數(shù)據(jù)表明，在基礎正常條件下，處于高乙�；�形式的靶線粒體蛋白具有足夠的活性來實現(xiàn)代謝穩(wěn)態(tài)，然而，在氧化應激條件下，例如高脂肪飲食，機體代謝所需的SIRT3酶活無法充分增加以滿足因肥胖和脂肪性肝炎引起的代謝紊亂的需求，這些小鼠會表現(xiàn)出加速肥胖、胰島素抵抗和脂肪性肝炎等。在另一項對肌肉特異性Sirt3敲除小鼠的研究中，觀察到耗氧量增加、脂質利用增加^[3]。此外，高脂肪誘導全身性SIRT3敲除小鼠會加劇腸道微生物菌群失調，從而導致腸道通透性受損，這會促進NAFLD的發(fā)展^[4]。因此，需要進一步的研究來闡明Sirt3在不同組織中發(fā)揮的作用。

總的來說，這些研究表明SIRT3作為一種能感應機體代謝狀態(tài)的能量開關，通過調節(jié)線粒體蛋白的乙�；�水平，防止異常代謝情況下的線粒體應激和功能障礙，從而調控機體的代謝穩(wěn)態(tài)。以上這些結果表明，SIRT3可能是臨床治療NAFLD的潛在治療靶標。

Sirt3敲除小鼠模型
在C57BL/6小鼠中敲除Sirt3基因后得到的Sirt3敲除小鼠在高脂飲食（HFD）誘導下表現(xiàn)出肝臟沉積更多的脂質，肝臟變性程度更高，總體的NAFLD進程更嚴重^[5]。

圖3. SIRT3敲除小鼠表型數(shù)據(jù)[5]

小結
SIRT3通過調控線粒體功能參與全身性代謝穩(wěn)態(tài)，目前研究初步揭示SIRT3在肝臟脂代謝和NAFLD疾病發(fā)展過程中的作用，這可能是一個臨床治療NAFLD的潛在分子靶標。然而，目前還不清楚哪些特定組織在介導SIRT3的全身效應中起主導作用。在這方面，肝臟和肌肉特異性Sirt3基因敲除動物在高脂肪飲食后的代謝表型中存在較大差異。此外，與熱量限制相比，對于SIRT3在NAFLD等能量過剩條件（如高脂飲食、高碳水飲食）發(fā)揮調控作用的深入分子機制還知之甚少，這需要我們結合細胞分子水平和活體模型來進一步驗證。

參考文獻：
[1] S.L. Friedman, et al., Mechanisms of NAFLD development and therapeutic strategies, Nat Med, 24 (2018) 908-922.

[2] M. Choudhury, et al., Reduced mitochondrial function in obesity-associated fatty liver: SIRT3 takes on the fat, Aging (Albany NY), 3 (2011) 175-178.

[3] L. Lin, et al., Regulation of skeletal muscle oxidative capacity and muscle mass by SIRT3, PLoS One, 9 (2014) e85636.

[4] M.T. Chen, et al., SIRT3 Deficiency Promotes High-Fat Diet-Induced Nonalcoholic Fatty Liver Disease in Correlation with Impaired Intestinal Permeability through Gut Microbial Dysbiosis, Molecular Nutrition & Food Research, 63 (2019).

[5] S.T. Li, et al., Sirtuin 3 Acts As a Negative Regulator of Autophagy Dictating Hepatocyte Susceptibility to Lipotoxicity, Hepatology, 66 (2017) 936-952.