Sirtuin对接之谜：表观遗传激活未解之结

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为什么现在还没有确定Sirt1到6的分子对接位点及其相关的表观遗传激活因子


Sirt1到Sirt6（Sirtuins家族蛋白）作为一类依赖NAD+的去乙酰化酶，在表观遗传调控、代谢、衰老和疾病中扮演重要角色。尽管它们的研究已有数十年，但确定其精确的分子对接位点及其相关的表观遗传激活因子仍面临挑战，原因可以从以下几个方面分析：

1. 蛋白结构复杂性和多样性
Sirt1到Sirt6具有高度保守的NAD+结合域和催化域，但它们的N端和C端序列差异显著，导致底物特异性和结合位点各异。例如：

  • SIRT1和SIRT2可以在细胞核和细胞质间穿梭，底物范围广泛（包括组蛋白和非组蛋白）。
  • SIRT3-SIRT5主要定位于线粒体，功能偏向代谢调控。
  • SIRT6主要在细胞核，参与DNA修复和基因沉默。
这种结构和功能多样性使得每个Sirtuin的底物结合位点（分子对接位点）难以通过单一模型或实验方法全面解析。底物结合位点的精确定位需要高分辨率的结构生物学数据（如X射线晶体学或冷冻电镜），但不同Sirtuin与底物的复合物结构数据仍然有限。

2. 底物和激活因子的动态性
Sirtuins的活性不仅依赖于NAD+，还受到底物构象、细胞环境和共调控因子的影响。表观遗传激活因子（如小分子激活剂或蛋白质辅因子）与Sirtuins的相互作用通常是动态的，且高度依赖细胞状态（如氧化应激、能量水平）。例如：

  • Sirtuins的底物包括组蛋白（如H3K9ac、H3K56ac）和非组蛋白（如p53、PGC-1α），每种底物的结合模式可能不同。
  • SIRT1的活性可被白藜芦醇等小分子调控，但其结合位点和作用机制仍有争议。
  • SIRT6与DNA修复蛋白或转录因子的结合位点因底物不同而变化，增加了定位难度。Sirt6对长链脂肪酸酰化（如H3K9myr）的偏好性增加了对接位点预测的复杂度。
这些动态特性使得在体外实验中难以模拟体内真实结合场景，限制了对分子对接位点的精确测定。

天然激活剂（如白藜芦醇对Sirt1）或合成分子（如STACs）可能通过变构效应而非直接对接发挥作用，导致传统分子对接方法失效。

3. 实验技术的局限性
尽管高通量技术（如质谱、ChIP-seq）和计算模拟（如分子对接、分子动力学模拟）在Sirtuins研究中广泛应用，但仍存在以下瓶颈：

  • 分辨率不足：现有结构生物学技术在解析Sirtuins与复杂底物（如组蛋白或大分子复合物）结合时的动态构象变化时，常常受限于分辨率。
  • 底物筛选难度：Sirtuins的底物种类繁多（包括组蛋白、转录因子、代谢酶等），全面筛选并验证其结合位点需要大量实验验证。
  • 计算模型的局限：分子对接模拟依赖于已知的蛋白结构数据库，但Sirtuins的某些关键区域（如灵活的N/C端）结构尚未完全解析，导致预测结果不够准确。

4. 表观遗传调控的复杂性
表观遗传激活因子的定义和作用机制本身就很复杂。

Sirtuins常与其他调控因子（如Sirt1与DNMTs、Sirt6与NF-κB）形成复合物，其结合位点可能被掩盖或动态变化。

  • Sirt6与染色质重塑蛋白的互作可能通过间接接触而非经典对接。
  • Sirtuins自身的磷酸化、SUMO化等修饰可能改变其活性或结合能力，进一步增加研究难度。

Sirtuins通过去乙酰化、去酰化或其他修饰调控表观遗传状态，但这些修饰的靶点和效应因细胞类型、组织特异性和生理状态而异。例如：

  • SIRT1通过去乙酰化H3K9或p53调控基因表达，但其激活因子的作用可能因靶基因而异。
  • SIRT6与H3K9和H3K56的去乙酰化相关，影响DNA损伤修复，但其激活因子（如脂肪酸或特定代谢物）的结合位点尚未完全明确。
这种靶点和效应的多样性使得系统性研究激活因子及其与Sirtuins的对接位点变得异常困难。

5. 研究进展的不均衡
Sirtuins家族中，SIRT1由于其在衰老和代谢中的重要性，研究最为深入，其底物结合位点和激活因子（如白藜芦醇、SRT1720）已有较多报道。

而SIRT4-SIRT6的研究相对滞后，特别是SIRT4和SIRT5在非去乙酰化活性（如去酰化、去琥珀酰化）方面的独特功能，增加了确定其分子对接位点的复杂性。

6. 临床和应用研究的优先级
当前Sirtuins研究的一个重点是开发针对其活性的小分子激动剂或抑制剂，用于治疗癌症、神经退行性疾病或代谢紊乱。这导致部分基础研究（如精确对接位点的解析）被应用导向的研究所掩盖。例如，SIRT1和SIRT6的激活剂在临床前研究中显示出潜力，但这些化合物的结合位点和作用机制尚未完全阐明。

7、实验验证的困难

  • 体内外差异：体外确定的对接位点可能在细胞内因微环境（如NAD⁺水平、氧化应激）失去相关性。例如，Sirt1在低NAD⁺条件下可能改变其底物偏好。
  • 动态互作的捕获：如Sirt6与DNA损伤修复蛋白的瞬时结合需要单分子成像等新技术。

未来方向
尽管存在这些挑战，近年来的技术进步为解决这些问题提供了希望：

  • 冷冻电镜（Cryo-EM）：能够解析Sirtuins与底物或激活因子复合物的高分辨率结构。
  • 人工智能驱动的蛋白质建模：如AlphaFold，可以预测未解析的Sirtuins区域结构，辅助对接位点分析。
  • 多组学整合：结合ChIP-seq、质谱和代谢组学，系统筛选Sirtuins的底物和激活因子。
  • 高通量筛选：加速发现新型小分子激活剂，并通过结构-活性关系研究明确其结合位点。
关键是改变传统对症治病的解决方案思路，而是以生物架构在问题层面进行战略探索，生物不是为了医学治病，而是为了增强人类，提高人类健康程度，健康的衰老才是生物学真正目的，不能将生物这样一个类似数学、物理的基础研究屈服于医学等应用科学之下，如同一个搞基础教授被返聘到技工老板的厂里，钱再多也不能去啊。


总结
Sirt1到Sirt6的分子对接位点及其表观遗传激活因子尚未完全确定的原因在于蛋白结构的复杂性、底物和调控因子的动态性、实验技术的局限、表观遗传调控的多样性以及研究进展的不均衡。

尽管如此，随着结构生物学、计算生物学和多组学技术的快速发展，这些问题有望逐步解决，为Sirtuins的功能解析和临床应用提供更清晰的图景。