线粒体去乙酰化酶SIRT3调控亚甲基四氢叶酸脱氢酶在亨廷顿疾病中的机制研究

The NAD+-dependent deacetylase Sirtuins family have emerged as critical regulators for aging and longevity in multiple model organisms. An amount of previous studies have investigated the function of SIRT1 and SIRT2 in neurodegerative diseases, but the major mitochondrial deacetylase SIRT3 has fewer reports about neurodegerative diseases, especially the function of SIRT3 in Huntington’s disease is unclear. Our preliminary data indicate that SIRT3 may deacetylate mitochondrial methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 2 (MTHFD2) and regulate its protein stability, therefore affecting the levels of NADPH and s-adenosylmethionine, which resulting to balance cellular oxidative status and epigenetic homeostasis. In this study we focus on the early degenerative processes during human brain senescence and will illuminate the mechanism of SIRT3 regulation MTHFD2 and mitochondrial functions in Huntington disease. The biological function of mitochondrial response to superoxidative stress and DNA methylation changes in molecule level and tissue level will be determined. We will characterize SIRT3 function in the degenerative processes of brain. This study will not only strengthen our knowledge of aging-related neurodegerative diseases, but also provides a new strategy for targeting SIRT3 to treat Huntington’s disease.

去乙酰化酶Sirtuins家族是一条与衰老的过程密切相关的通路。前期关于线粒体中的SIRT3在神经退行性疾病中的报道较少，尤其在亨廷顿疾病中的功能还不清楚。我们的初步数据提示SIRT3去乙酰化亚甲基四氢叶酸脱氢酶2（MTHFD2），调控MTHFD2的蛋白稳定性，从而影响产物NADPH的水平来调节reactive oxygen species(ROS)和下游的s-adenosylmethionine (SAM)的浓度，进而影响细胞的超氧水平和表观遗传稳态。本研究计划聚焦于人脑衰老向退行性变化演变的早期过程，探索在亨廷顿疾病中的SIRT3调控MTHFD2来影响线粒体功能的作用机制，揭示线粒体应对超氧应激和DNA甲基化在分子水平和组织细胞水平的变化特征，阐述SIRT3在人脑向退行性变化演变的调控机制。本研究不仅加强对衰老相关疾病发生的认识，还进一步为靶向SIRT3来治疗亨廷顿疾病提供新的策略。

Sirtuins是一类依赖于NAD+的高度保守的去乙酰化酶，目前发现Sirtuins家族在调控衰老疾病方面发挥积极而重要的作用。在本项目基金的资助下，我们发现一碳单位关键酶亚甲基四氢叶酸脱氢酶（MTHFD2）是线粒体主要去乙酰化酶SIRT3的下游底物，SIRT3与MTHFD2相互作用并去乙酰化MTHFD2，影响蛋白质稳定性，消耗了细胞内的NADPH，导致线粒体ROS水平的提高和serine/glycine水平的变化，从而引起细胞凋亡和增殖的变化（2020 Cell Death & Disease）。我们进一步发现小鼠亨廷顿疾病（HD）模型上检测到MTHFD2的高表达和SIRT3在HD小鼠细胞中低表达，在HD小鼠模型中，mHtt通过PGC-1抑制SIRT3的表达水平，因此提高MTHFD2的酶活和稳定性，并促进了MTHFD2所催化的反应的进行，消耗了细胞内的NADPH，导致线粒体ROS水平的提高和SAM水平的变化，从而引起表观遗传的变化，最终引起线粒体功能紊乱和神经元的退化（未发表）。在本项目基金的资助下，我们进一步研究发现去乙酰化酶SIRT2和乙酰基转移酶Tip60调节丝氨酸从头合成途径限速酶磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）的可逆乙酰化修饰，且乙酰化修饰调控PHGDH对葡萄糖缺乏进行响应，PHGDH的乙酰化修饰作为调节信号，抑制PHGDH和泛素连接酶RNF5的相互作用，从而促进了细胞中PHGDH蛋白的累积，为细胞中PHGDH的高表达提供了新的解释。RNF5可以通过泛素化促进PHGDH蛋白的降解，并降低细胞内的丝氨酸/甘氨酸水平。此研究揭示了SIRT2-PHGDH调控轴在细胞的抗氧化和增殖中的作用，为开发靶向SIRT2-PHGDH调控轴治疗细胞增殖的小分子药物提供理论基础（2020 Cell Reports）。