抗衰老蛋白Sirtuin调控中枢生物节律的机制研究

Circadian rhythm governs the vital processes of daily activities, metabolic requirements and energy expenditures in essentially all living organisms. Circadian disorder often associates with aging progression, and is considered to be a main cause for metabolic diseases, sleep disorders and neurodegenerative diseases. Despite the vast knowledge on core circadian gene functions and their regulatory roles, effective intervention for circadian disorders remains scarce. Based on our earlier finding of longevity-mediating SIRT1 in central circadian modulation, we propose to further investigate other nuclear Sirtuins for their potential roles in circadian regulation. We plan to examine the effects of SIRT6 and SIRT7 in circadian gene regulation in vitro and their impacts on suprachiasmatic nucleus (SCN) activity. We will also perform a series of circadian behavior analyses to justify Sirtuin function in vivo. The outcomes will elucidate the efficiencies of different Sirtuins in circadian regulation, and their capabilities to sustain rhythmic, functional central clock. We will also inspect aged animals for the SCN transcriptomes and post-translational modifications to reveal landmark changes in explaining age-related circadian decay. The results will further connect Sirtuin activities to the prevention of SCN degeneration, and perhaps are applicable to subsidiary circadian hypothalamic nuclei as well. The study will shed light on the nature of circadian decay, and may provide deeper understandings for circadian disorder thus in turn advocate perspective targets.

生物节律主导机体的日夜活动、代谢需求、能量分配等多个重要过程。节律紊乱常伴随衰老过程发生，并且是导致代谢疾病、睡眠障碍及神经退行性疾病的重要原因之一。虽然已有大量的研究阐明了生物节律核心基因的功能及其调节机制，然而干预节律紊乱的有效手段仍十分缺乏。本项目拟结合前期抗衰老蛋白SIRT1参与中枢节律调节的发现，进一步探讨其它细胞核内Sirtuin在节律调控中的作用。通过评估SIRT6及SIRT7对细胞生物钟活性的调节，对节律中枢活性的影响，并结合小鼠节律行为分析，本项目将系统研究不同Sirtuin对生物节律的影响效率，以及对中枢生物钟的维持作用。本工作也将分析老龄小鼠的视叉上核表达谱和蛋白修饰改变，寻找导致节律衰退的关键基因或蛋白变化，进一步了解Sirtuin在视叉上核及其他相关下丘脑核团衰退的关联。此研究结果将有助于了解生物节律的衰退过程，并为节律紊乱的临床治疗提供更深入的基础与潜在的靶点。

昼夜节律紊乱长期以来被认为是导致慢性代谢疾病、睡眠障碍、神经精神疾病和神经退行性疾病的主要危险因素。值得注意的是，所有与生物节律相关的疾病都和衰老过程中的生理功能下降有关，表明基于生物节律的干预在多个疾病领域具有前瞻性与适用性。尽管已有许多生物钟基因和其相应的靶向小分子被发现用于调节生物节律振幅和相位，但系统性地针对生物节律衰退设计干预方法仍然所知有限，尤其是在老年个体中的干预举措。我们早期发现长寿蛋白 SIRT1 在视交叉上核能维持昼夜节律振幅，指出了使用长寿蛋白作为促进生物节律振荡的可能性。本项目中我们研究了其他细胞核内的 Sirtuins 蛋白 SIRT6 与SIRT7，探索它们在生物节律调节中的功能与活性。我们发现SIRT6和SIRT7在细胞和组织中都协助维持生物钟节律基因表达的水平。Sirt6 和Sirt7 的敲除导致了PER2:：Luc的振幅降低，类似的下调还包含其它钟基因基因例如 Npas2 和 Bmal1。通过泛神经元 Nestin-Cre、前脑 CaMKII-Cre 和 SCN 特异性 NMS-Cre 等敲除 Sirt6 和 Sirt7 我们均观察到较短的节律周期表型，Sirt6 的敲除小鼠在较长的全暗饲养条件下表现出节律周期丧失。大脑中 Sirt6 的缺失也导致呼吸交换律异常和较短的慢波睡眠，这些表型异常都很好地模拟了与衰老相关的活性下降。有趣的是，SIRT6 和 SIRT7 都能与 BMAL1 相互作用，提示SIRT6 和 SIRT7 协助 BMAL1 执行生物钟的转录功能。SIRT6 和 SIRT7 的缺失导致脑内琥珀酸化水平升高，这也与老年脑组织的情况相一致，显示琥珀酸化作为一种新的老年相关的翻译后修饰标记物的可能性。综上所述，我们的结果提示 SIRT6 和SIRT7 在防止大脑老化和维持生物节律方面的可应用性。