SIRT6通过调控色氨酸代谢平衡防止神经退行性病变相关的代谢失衡

《Nature Communications》：Histone deacetylase SIRT6 regulates tryptophan catabolism and prevents metabolite imbalance associated with neurodegeneration

本研究揭示了组蛋白去乙酰化酶SIRT6在调控色氨酸代谢中的关键作用。研究人员发现SIRT6缺失会导致色氨酸代谢向犬尿氨酸途径倾斜，产生神经毒性代谢物，同时减少血清素和褪黑素生成，从而破坏昼夜节律、影响睡眠质量并加速神经退行性变。重要的是，通过抑制TDO2可逆转这一病理过程。该研究为理解神经退行性疾病的发病机制提供了新视角，并为相关治疗策略开发提供了潜在靶点。

　　

随着全球人口老龄化加剧，神经退行性疾病的发病率持续攀升，成为严峻的公共卫生挑战。在这些疾病的发展过程中，色氨酸代谢紊乱被认为是一个关键因素。色氨酸作为必需氨基酸，在体内可通过不同代谢途径产生多种重要活性物质：一方面可转化为血清素和褪黑素，调节情绪和睡眠；另一方面则通过犬尿氨酸途径生成包括犬尿喹啉酸和喹啉酸在内的神经活性代谢物。研究表明，在衰老和神经退行性疾病患者中，色氨酸代谢平衡被打破，犬尿氨酸途径过度激活，导致神经毒性代谢物积累，同时血清素和褪黑素水平下降。然而，导致这一代谢失衡的根本原因至今未明。

近日发表在《Nature Communications》上的研究揭开了这一谜题的关键一环。由Shai Kaluski-Kopatch和Debra Toiber领导的研究团队发现，组蛋白去乙酰化酶SIRT6在维持色氨酸代谢平衡中扮演着核心角色。SIRT6是sirtuin家族成员，作为一种NAD⁺依赖性去乙酰化酶，在DNA修复、代谢调节和衰老过程中发挥重要作用。此前研究已发现SIRT6在老年人和阿尔茨海默病患者大脑中表达显著降低，但其在色氨酸代谢中的具体功能尚不清楚。

为了探究SIRT6在色氨酸代谢中的作用，研究团队运用了多种技术方法，包括细胞培养模型（小鼠胚胎干细胞、人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞、人宫颈癌HeLa细胞等）、基因敲除小鼠模型（大脑特异性SIRT6敲除小鼠）以及新建立的SIRT6敲除黑腹果蝇模型。研究人员通过代谢组学分析检测色氨酸及其代谢物水平，采用RNA测序和染色质免疫沉淀技术分析基因表达调控机制，并利用行为学实验评估神经功能变化。特别值得一提的是，研究还测试了TDO2（色氨酸2，3-双加氧酶）抑制剂对神经退行性表型的干预效果。

SIRT6缺失导致色氨酸代谢失衡

研究人员首先通过代谢组学分析发现，在SIRT6敲除的小鼠胚胎干细胞中，色氨酸及其犬尿氨酸途径代谢物（如犬尿喹啉酸和喹啉酸）水平显著升高。这一现象在多种人源细胞系中得到验证。值得注意的是，尽管喹啉酸是NAD⁺的前体物质，但SIRT6敲除细胞中的NAD⁺水平却反而降低，这与衰老过程中的现象类似。

SIRT6调控色氨酸代谢相关基因的转录

通过转录组学分析，研究团队发现SIRT6缺失导致色氨酸代谢关键酶基因表达发生显著改变。在大脑特异性SIRT6敲除小鼠中，犬尿氨酸途径的限速酶TDO2和IDO1/IDO2表达上调，而KMO表达下降。同时，褪黑素合成途径的限速酶AANAT和ASMT表达降低。染色质免疫沉淀实验证实SIRT6直接结合于TDO2、IDO1和AANAT等基因的启动子区域，表明SIRT6通过表观遗传机制直接调控这些关键酶的表达。

血清素和褪黑素生成受损在brS6KO小鼠中得到证实

研究人员发现SIRT6敲除小鼠血清中血清素水平降低。更引人注目的是，褪黑素的昼夜振荡节律在突变小鼠中严重紊乱：野生型小鼠显示正常的褪黑素波动，夜间水平升高；而brS6KO小鼠的褪黑素波动幅度显著减小，且在黑暗期没有正常升高。基因表达分析显示，AANAT基因的表达节律与褪黑素水平变化一致，在brS6KO小鼠中发生异常。

SIRT6缺失损害大脑生物钟功能

研究表明SIRT6缺失导致大脑生物钟相关基因表达紊乱。Per1和Per2 mRNA水平在brS6KO小鼠大脑中持续较高，而核心生物钟激活因子BMAL1和CLOCK在染色质中的富集减少。此外，色氨酸代谢相关基因（如Ido2、Tdo2和Ddc）的昼夜表达节律在突变小鼠中受损，表明SIRT6通过调控基因表达和代谢物生产双重机制影响大脑生物钟。

脑SIRT6敲除小鼠(brS6KO)昼夜节律行为异常

行为学监测显示，brS6KO小鼠在休息期（光照期）自发活动增加，睡眠片段更短，表明睡眠质量下降。在持续黑暗应激实验中，brS6KO小鼠的活动节律偏移更为明显，对昼夜节律紊乱的抵抗能力减弱。这些发现与衰老和神经退行性疾病中常见的睡眠障碍特征一致。

SIRT6敲除果蝇模型模拟神经退行性表型

为验证研究发现的普适性，团队建立了SIRT6敲除果蝇模型。该模型表现出类似神经退行的特征：攀爬能力受损、脑部空泡形成增加、DNA损伤标志物升高。代谢分析显示，色氨酸代谢变化与小鼠模型一致：色氨酸、犬尿喹啉酸和犬尿氨酸水平升高，而褪黑素水平降低。

TDO2抑制改善SIRT6敲除果蝇的攀爬能力

研究人员测试了TDO2抑制剂对SIRT6缺失引起的神经退行性表型的干预效果。发现TDO2抑制剂处理可显著改善SIRT6敲除果蝇的攀爬能力，并减少脑部空泡的平均大小。然而，褪黑素补充治疗未能改善行为缺陷，表明代谢失衡而非单纯的褪黑素缺乏是表型的主要原因。

TDO2抑制剂逆转SIRT6敲除果蝇神经退行相关转录组变化

单头RNA测序分析显示，TDO2抑制剂处理可逆转SIRT6敲除果蝇中与神经退行性疾病相关的通路富集，如蛋白质折叠、氧化应激等。同时，视觉系统相关通路基因表达上调，提示神经元健康状态改善。Western blot分析进一步证实，TDO2抑制剂处理减少了SIRT6敲除果蝇头部泛素化蛋白积累，但未能逆转凋亡标志物DRONC/DrICE的异常切割。

SIRT6缺失导致类神经退行性疾病转录谱

跨物种比较分析发现，SIRT6敲除果蝇的差异表达基因在人类神经退行性疾病（如帕金森病、肌萎缩侧索硬化等）相关通路中显著富集。值得注意的是，TDO2抑制剂处理大幅降低了这些疾病相关通路的富集程度，同时引发了与翻译、核糖体活性和氨基酸代谢相关的新通路变化。

研究结论与意义

本研究系统阐明了SIRT6在调控色氨酸代谢平衡中的核心作用。SIRT6通过直接调控关键代谢酶基因表达，维持色氨酸在犬尿氨酸途径与血清素-褪黑素途径间的平衡。SIRT6缺失导致代谢失衡，犬尿氨酸途径过度激活，神经毒性代谢物积累，同时血清素和褪黑素生成减少，进而引起昼夜节律紊乱、睡眠质量下降，最终加速神经退行性进程。

重要的是，研究证明通过药理抑制TDO2可部分逆转SIRT6缺失引起的神经退行性表型，这为神经退行性疾病的治疗提供了新策略。该研究不仅揭示了SIRT6在神经保护中的新功能，也为理解衰老及相关神经退行性疾病的发病机制提供了重要视角，为相关治疗策略开发奠定了理论基础。

研究的局限性在于基因敲除模型不能完全模拟衰老过程中的渐进性衰变，且细胞通路的高度互联性使得全面解析SIRT6缺失的生理效应变得复杂。未来需要在更多实验模型中验证这些发现，并进一步探索TDO2抑制剂的潜在治疗价值。