Точно также как дрожжевой SIR2, его гомолог у млекопитающих SIRT1, как было установлено, способен деацетилировать гистоны и преимущественно деацетилирует lysine (K) остаток 9 гистона 3 (H3K9) и лизин 16 гистона 4 (H4K16)
(Imai et al., 2000; Vaquero et al., 2004). SIRT1-дефицитные эмбриональные фибробласты мыши (MEFs) также накапливают гиперацетилированные гистоны, способствуя тем самым образованию гетерохроматина и репрессии транскрипции (Vaquero et al., 2007; Wang et al., 2008). Делеция SIRT1 в MEFs также ведет к гипометилированию гистона H3K9 (Vaquero et al., 2007). SIRT1 непосредственно соединяется с гистоновой methyltransferase Suv39h1 и активирует её метилтрансферазную активность с помощью деацетилирования остатка лизина 266, который находится в SET домене Suv39h1. SIRT1 взаимодействует также с линкерным гистоном H1b и деацетилирует его лизин 26 (H1K26) (Vaquero et al., 2004). В ответ на оксидативный стресс, SIRT1 перераспределяется и таким образом соединяется с ацетилированным гистоном H1K26, это ведет к репрессии различных наборов генов. Интересно, что паттерн репрессии транскрипции сходен с таковым, что наблюдается в головном мозге мышей с возрастом (Oberdoerffer et al., 2008). Поэтому можно предположить, что SIRT1 ответственен за зависимые от возраста глобальные изменения транскрипции за счет модификации хроматина.
SIRT1 регулирует различные метаболические процессы, которые позволяют клеткам адаптироваться к пищевым стрессам и играют жизненно важную роль при метаболических болезнях, связанных со старением. В ответ на голодание, SIRT1 модулирует глюконеогенез в печени посредством деацетилирования важных факторов, таких как peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha (PGC-1α), forkhead box protein O1 (FOXO1) и cAMP response element-binding (CREB)-regulated transcription coactivator 2 (CRTC2) (Brunet et al., 2004; Liu et al., 2008; Motta et al., 2004; Rodgers et al., 2005). В ранней фазе голодания, CRTC2 активируется посредством его ацетилирования с помощью коактиватора CBP/p300, это затем способствует транскрипции глюконеогенных генов. Если голодание продолжительное, то SIRT1 деацетилирует как CRTC2, так и FOXO1, это ведет к переключению с активации ранних глюконеогенных генов посредством CRTC2 к активации генов, участвующих в поздней фазе глюконеогенеза посредством FOXO1 (Liu et al., 2008). Деацетилирование PGC-1α с помощью SIRT1 не только контролирует глюконеогенез, но и также окисление жирных кислот в координации с peroxisome proliferator-activated receptor alpha (PPARα) (Purushotham et al., 2009). PGC1α также регулируем биогенез митохондрий и оксидативное фосфорилирование и было предположено, что эти эффекты обеспечиваются посредством пути AMP-activated protein kinase (AMPK)-SIRT1-PGC1α (Canto et al., 2009; Iwabu et al., 2010). SIRT1 также находит и др. ядерные рецепторы, такие как liver X receptor LXRα и farnesoid X receptor (FXR), которые регулируют процесс печеночного метаболизма (Kemper et al., 2009; Li et al., 2007b). SIRT1 деацетилирует LXRα и способствует его убиквитилированию, это ведет к его активации и индукции истечению cholesterol (Li et al., 2007b). В белой жировой ткани, SIRT1 регулирует мобилизацию жира посредством репрессии peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ) путем соединения с его кофакторами, nuclear receptor co-repressor (NCoR) и silencing mediator of retinoid and thyroid hormone receptors (SMRT) (Picard et al., 2004). В панкреатических β клетках, SIRT1 регулирует глюкозой стимулированную секрецию инсулина посредством синтеза uncoupling protein 2 (UCP2) (Bordone et al., 2006; Moynihan et al., 2005). Трансгенные мыши, которые специфически избыточно экспрессируют SIRT1 в панкреатических β клетках (т. наз. BESTO мыши), обнаруживают повышенную толерантность к глюкозе, если находятся на диете с высоким содержанием жира (HFD) (Moynihan et al., 2005). Кроме того, мыши, которые избыточно экспрессируют SIRT1 с бактериальных искусственных хромосомных (BAC) конструкций (т.наз SIRT1 BAC мыши) также защищены от вызываемого HFD типа 2 диабета (Banks et al., 2008; Pfluger et al., 2008). В согласии с этими результатами, соединения, которые способны активировать SIRT1, такие как resveratrol и SRT1720, защищают мышей от HFD-индуцированных метаболических нарушений (Baur et al., 2006; Feige et al., 2008; Lagouge et al., 2006; Milne et al., 2007). У человека генетическая изменчивость в SIRT1, как было установлено, коррелирует с ожирением и типа 2 диабетом в исследованиях Датских популяций (Zillikens et al., 2009b; Zillikens et al., 2009a). Итак, эти находки предоставляют строгие доказательства, что SIRT1 выполняет важные роли в метаболических болезнях, таких как типа 2 диабет и ожирение, а контроль активности SIRT1 с помощью пищевых или малых молекул может стать ценной терапевтической стратегией.
Roles in inflammation and stress response
В ряде исследований было установлено, что SIRT1 обеспечивает различные стрессовые реакции, включая воспаление, гипоксический стресс, тепловой шок и генотоксический стресс, а воспаление в особенности является чрезвычайно важной причиной старения и болезней, связанных с возрастом. SIRT1 может супрессировать воспаление путем своего влияния на nuclear factor-κB (NF-κB) (Yeung et al., 2004); он физически взаимодействует с его субъединицей RelA и деацетилирует лизин 310, это деактивирует NF-κB, ингибируя тем самым экспрессию его генов мишеней. Напротив в условиях гипоксии SIRT1 активирует hypoxia inducible factor 2 alpha (HIF2α) путем его деацетилирования и тем самым инициирует реакцию на гипоксический стресс (Dioum et al., 2009). Однако SIRT1 деацетилирует также HIF1α по лизину 647 - в этом случае он ингибирует его активность - чтобы контролировать гликолиз в ответ на условия гипоксии (Lim et al., 2010). Во время гипоксии уровень NAD постепенно снижается и постепенно SIRT1 деактивируется. Поэтому можно предположить, что SIRT1 запускает переключение с HIF2α на активацию HIF1α, чтобы координировать метаболизм, образование сосудов и реакцию на гипоксический стресс (Lim et al., 2010).
SIRT1 также участвует в передаче реакции теплового шока посредством heat shock factor protein1 (HSF1) (Westerheide et al., 2009). После стресса, вызываемого повреждением белка, который ассоциирует с накоплением неправильно упакованных белков, SIRT1 деацетилирует и тем самым позитивно регулирует активность HSF1, это способствует транскрипции генов хитшоковой реакции (Westerheide et al., 2009). Т.о., SIRT1 действует как сенсор различных стрессов и организует сигналы. способствующие выживанию, в ответ на эти стрессы.
Roles in cardiovascular disease
Сердечно-сосудистые заболевания с возрастом увеличиваются и также испытывают существенное влияние со стороны метаболизма. Несколько линий доказательств показали, что SIRT1 выполняет жизненно важные роли в функционировании сердечно-сосудистой системы. Напр., трансгенные мыши, которые избыточно экспрессируют SIRT1 в сердца, защищены от связанной с возрастом кардиальной гипертрофии, также как от ишемии или reperfusion повреждений (Alcendor et al., 2007; Hsu et al., 2010). SIRT1 также регулирует функции сосудистых эндотелиальных клеток путем деацетилирования endothelial nitric oxide synthase (eNOS) (Mattagajasingh et al., 2007). Кроме того, активация SIRT1 с помощью resveratrol может уменьшать ишемию сердца и reperfusion повреждения, а также улучшать сосудистые функции (Orallo et al., 2002). SIRT1 также участвует в reactive oxygen species (ROS)-обусловленной клеточной гибели путем деацетилирования poly (ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) и, более того, делеция SIRT1 ведет к уменьшению клеточной гибели кардиомиоцитов во время сердечной недостаточности (Pillai et al., 2005; Kolthur-Seetharam et al., 2006).
Roles in cancer
Роль SIRT1 в прогрессировании опухолей дискуссионна, поскольку SIRT1 может выполнять двойную функцию как онкоген и как опухолевый супрессор. Первые доказательства, что SIRT1 может действовать как онкоген, связаны с деацетилированием им лизинового остатка 383 в p53, приводя к репрессии его транскрипционной активности (Luo et al., 2001; Vaziri et al., 2001). Т.к. p53 является ключевым опухолевым супрессором, то его подавление с помощью SIRT1 направлять клетки на развитие ракаю Кроме того, два др. опухолевых супрессора, deleted in bladder cancer 1 (DBC1) и hypermethylated in cancer 1 (HIC1) также обнаруживали влияние со стороны SIRT1. DBC1 соединяется с N-концом SIRT1 и ингибирует его ферментативную активность (Kim et al., 2008; Zhao et al., 2008), тогда как HIC1 соединяется с промоторной областью гена SIRT1 и репрессирует его экспрессию (Chen et al., 2005). Как DBC1, так и HIC1 замалчиваются в определенных типах раковых клеток, то было предположено, что они косвенно способствуют туморогенезу - по крайней мере частично - посредством активации SIRT1.
Напротив, некоторые исследования показали, что SIRT1 обладает также потенциалом опухолевого супрессора. Как обсуждалось выше, SIRT1 инактивирует HIF1α путем деацетилирования и тем самым защищает от опухолевого роста и образования сосудов - предпосылок для прогрессирования опухолей (Lim et al., 2010). Кроме того, избыточная экспрессия SIRT1 в кишечнике мышей снижает уровни рака и рост у мышей, моделирующих рак толстой кишки: SIRT1, как было установлено, деацетилирует β-catenin и ингибирует его накопление в ядрах, это ведет к гиперактивации β-catenin и возникновению опухолей (Firestein et al., 2008). Др. исследование показало, что активатор SIRT1 resveratrol также защищает мышей, гетерозиготных по p53 от рака (Boily et al., 2009; Oberdoerffer et al., 2008). В соответствии с этими результатами было показано, что гаплонедостаточность по SIRT1 облегчает туморогенез у этих мышей путем ускорения туморогенеза (Wang et al., 2008). Эти данные указывают на то, что SIRT1 действует как опухолевый супрессор
in vivo. Однако точные молекулярные эффекты SIRT1 могут варьировать в разных тканях и при разных типах опухолей.
Roles in neuronal functions and neurodegenerative diseases
Накапливаются доказательства, показывающие, что SIRT1 играет также критическую роль в нейрональной физиологии и патологии. Одной из важных нейрональных функций SIRT1 является его роль в обеспечении питания во время условий ограничения пищи, включая calorie restriction (CR) и голодание. Некоторые исследования показали, что экспрессия SIRT1 индуцируется в нейронах, экспрессирующих hypothalamic pro-opiomelanocortin (POMC), где он регулирует различные пищевые режимы (Cakir et al., 2009; Ramadori et al., 2010; Satoh et al., 2010). Соответственно, мыши, у которых SIRT1 был специфически нокаутирован в головном мозге, увеличивали адаптивную физическую активность в ответ на CR - характеристика, которая усиливается у мышей избыточно экспрессирующих SIRT1 в головном мозге (Cohen et al., 2009; Satoh et al., 2010). SIRT1 также контролирует центральные эндокринные оси в гипоталямусе и гипофизе. Мыши, нокаутные по SIRT1 в головном мозге, обнаруживают низкие уровни в сыворотке гормонов роста (Cohen et al., 2009). SIRT1 также позитивно регулирует секрецию thyroid-stimulating hormone (TSH) гипофизом путем деацетилирования phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase type-1 gamma (PIP5Kγ), это играет критическую роль в экзоцитозе TSH из клеток гипофиза (Akieda-Asai et al., 2010).
Недавно было установлено, что SIRT1 модулирует формирование памяти и синаптическую пластичность (Michan et al., 2010; Gao et al., 2010). В этом случае SIRT1 способствует экспрессии CREB благодаря репрессии микроРНК 134 (miR134) и индуцирует транскрипцию brain-derived neurotrophic factor (BDNF), который выполняет критические роли в нормальной познавательной функции. В самом деле, активация SIRT1 в головном мозге усиливает, а его делеция ухудшает формирование памяти и синаптической пластичности у мышей (Gao et al., 2010).
Др. недавнее исследование показало, что SIRT1 также участвует в болезни Алцгеймера (AD) (Donmez et al., 2010). Используя мышей, моделирующих AD, было показано, что избыточная экспрессия SIRT1 в головном мозге может предупреждать образование амилоидных (Aβ) бляшек и устранять расстройства поведения. В этом случае, SIRT1 непосредственно активирует рецептор ретиноевой кислоты β (RARβ) путем его деацетилирования. АктивацияRARβ, в свою очередь, способствует транскрипции disintegrin и metallopeptidase 10 (ADAM10), которые кодируют компонент α-secretase. Возникающее в результате увеличение активности α-secretase ведет к редукции процессинга токсического amyloid precursor protein (APP) (Donmez et al., 2010). У др. мышей, моделирующих AD (мыши, которые избыточно экспрессируют CDK5 p25), активация SIRT1 с помощью генетических и фармакологических средств облегчают нейродегенерацию и снижение памяти (Kim et al., 2007). Это исследование открыло также защитную роль SIRT1 при amyotrophic lateral sclerosis (ALS) (Kim et al., 2007).
SIRT2
SIRT2 располагается в основном в цитоплазме, но может также проникать в ядро. SIRT2 может действовать как α-tubulin deacetylase и полагают, что играет роль в дифференцировке олигодендроглии (Li et al., 2007a; North et al., 2003). В ядре SIRT2 действует как H4K16 deacetylase и контролирует клеточный цикл. MEFs, в которых был нокаутирован SIRT2, накапливали H4K16 ацетилирование во время митоза и обнаруживали задержку вступления в S-фазу (Vaquero et al., 2006). SIRT2 также регулировали дифференцировку адипоцитов посредством деацетилирования FOXO1 (Jing et al., 2007). Отметим, что SIRT2-специфический ингибитор может ослаблять токсичность, вызываемую α-synuclein у мышей, моделирующих болезнь Паркинсона (Outeiro et al., 2007), но механизм, лежащий в основе этого эффекта, остается неизвестным. Дальнейшие исследования необходимы для дальнейшего выяснения физиологических и патологических функций SIRT2.
Mitochondrial sirtuins SIRT3, SIRT4 and SIRT5
SIRT3, SIRT4 и SIRT5 обнаруживаются в митохондриальном матриксе поскольку они содержат mitochondrion-targeting последовательность на своих N-концах (Haigis et al., 2006; Lombard et al., 2007; Nakagawa et al., 2009). SIRT3 наиболее охарактеризован из митохондриальных sirtuin. Он взаимодействует с acetyl-CoA synthetase 2 (AceCS2) и деацетилирует лизин 642 in vitro и in vivo (Hallows et al., 2006; Schwer et al., 2006), усиливая тем самым её активность по синтезу acetyl-CoA. Интересно, что бактериальный sirtuin CobB также регулирует acetyl-CoA synthetase путем её деацетилирования, а цитоплазматическая AceCS1 регулируется с помощью SIRT1 у млекопитающих (Hallows et al., 2006; Starai et al., 2002). Следовательно, этот механизм регуляции AceCS, по-видимому, эволюционно законсервирован. SIRT3 также деацетилирует NDUFA9, компонент OXPHOS complex I, который участвует в регуляции уровней клеточных АТФ (Ahn et al., 2008).
Недавнее исследование также выявило новую функцию SIRT3 в окислении жирных кислот. Здесь, SIRT3 деацетилирует длинную цепочку long-chain acyl CoA dehydrogenase (LCAD) и активирует её ферментативную активность во время голодания (Hirschey et al., 2010). Более того, SIRT3-нокаутные мыши накапливают высокие уровни промежуточных образований окисления жирных кислот и обнаруживают низкие уровни АТФ во время голодания (Hirschey et al., 2010).
В противоположность SIRT3, SIRT4 обладает только ADP-ribosylation, но не деацетилирующей активностью. Как было установлено, SIRT4 может ADP-рибозилировать glutamate dehydrogenase (GDH) и контролировать секрецию инсулина в панкреатических β-клеток в ответ на CR (Haigis et al., 2006). GDH также деацетилируется с помощью SIRT3, но физиологическое значение этого неизвестно (Lombard et al., 2007). SIRT4 также негативно регулирует окисление жирных кислот и этот эффект зависит от SIRT1 (Nasrin et al., 2010).
SIRT5 как было установлено, также облает деацетилирующей активностью. Мы недавно сообщали, что SIRT5 выполняет роль в регуляции цикла образования мочевины (Nakagawa et al., 2009). В этом исследовании мы открыли, что SIRT5 деацетилирует и активирует carbamoyl phosphate synthetase 1 (CPS1), энзим. который катализирует первую скорость ограничивающую ступень цикла мочевины. SIRT5-нокаутные мыши неспособны усиливать активность CPS1 и являются hyperammonemic во время голодания, сходные эффекты также наблюдаются у мышей при диете, богатой протеинами или при CR (Nakagawa et al., 2009). Напротив, избыточная экспрессия SIRT5 у мышей приводит к усилению активности CPS1 и продукции мочевины (Ogura et al., 2010). Эти находки подтверждают идею, что митохондриальные sirtuins непосредственно контролируют активность метаболизма и играют важную роль в метаболической адаптации к пищевому режиму, такому как ограничение калорий и голодание.
SIRT6
SIRT6 является ядерным sirtuin и выполняет роль, отличную от роли SIRT1. SIRT6-нокаутные мыши обнаруживают фенотип, напоминающий старческий, с лимфопенией, потерей подкожного жира и тяжелой гипогликемией, это ведет их к гибели в течение 4-5 недель (Mostoslavsky et al., 2006; Xiao et al., 2010). MEFs и эмбриональные стволовые клетки, которые обнаруживают дефицит по SIRT6 обнаруживают геномную нестабильность и нарушенную base-excision репарацию (Mostoslavsky et al., 2006). SIRT6 также участвует в репарации разрывов двойной нити ДНК путем регуляции C-terminal binding protein (CtBP) и DNA protein kinase (McCord et al., 2009; Kaidi et al., 2010). Биохимически, SIRT6, как было установлено, обладает ADP-ribosyltransferase активностью, но недавние исследования показали, что SIRT6 обладает также деацетилирующей активностью, преимущественно действуя на гистон H3K9 и H3K56 (Liszt et al., 2005; Michishita et al., 2008; Michishita et al., 2009).
SIRT6 также ассоциирует с теломерным хроматином, а истощение SIRT6 приводит к преждевременному клеточному старению и дисфункции теломер (Michishita et al., 2008). Подобно SIRT1, SIRT6 взаимодействует также с RelA субъединицей NF-κB и деацетилирует гистон H3K9 в промоторах генов мишеней для NF-κB, это ведет к его репрессии (Kawahara et al., 2009). Разрушение гена SIRT6 ведет к гиперактивации передачи сигналов NF-κB и т.о., вызывает, скорее всего, фенотип преждевременного старения, наблюдаемый у SIRT6-нокаутных мышей, поскольку гаплонедостаточность по RelA ослабляет летальность и старческий фенотип SIRT6-нокаутных мышей. В др. работе было установлено, что SIRT6 также избирательно соединяется с промоторными регионами генов мишеней для HIF1α при этом он деацетилирует гистон H3K9 (Zhong et al., 2010). Здесь, SIRT6 действует как корепрессор HIF1α и ингибирует транскрипцию гликолитических генов. Соответственно, MEFs и мыши, дефицитные по SIRT6 обнаруживают усиление активности HIF1α и усиление гликолиза вместе с уменьшением митохондриального дыхания, это возможно объясняет наблюдаемую гликогликемию у SIRT6-нокаутных мышей. Кроме того, недавняя работа показала, что специфичная для печени делеция SIRT6 у мышей ведет к усилению гликолиза, синтеза триглицеридов, к reduced β oxidation, и образованию печеночного жира (Kim et al., 2010). Итак, эти данные подтверждают, что SIRT6, подобно SIRT1, также играет жизненно важную роль в метаболизме.
SIRT7
Среди sirtuins, SIRT7 наименее изучен. SIRT7, как было установлено, является позитивным регулятором транскрипции RNA polymerase I (Ford et al., 2006), но ферментативная активность SIRT7 не установлена. Недавно были описаны SIRT7-нокаутные мыши с различными признаками изменений, связанных со старением, такими как сгорбленность, потеря подкожного жира и преждевременная смерть (Vakhrusheva et al., 2008), они также страдали от дегенеративной гипертрофии сердца. Однако SIRT7-специфические субстраты не выявлены и необходимы дальнейшие исследования для выяснения биологической роли
SIRT7.
Perspectives
Over the last decade, the study of sirtuins has made remarkable progress and expanded our knowledge regarding aging and aging-related diseases. However, our understanding of sirtuin biology is still far from complete and many important questions remain to be answered. For example, it has been shown that activation of SIRT1 can slow down phenotypes of aging, such as diabetes and bone loss, but an extension of life span has only been demonstrated in mice that are fed a high-fat diet. It is possible that this crucially important sirtuin turns out to have opposing roles in aging, which might make it a good target for specific aging diseases, but not for life span extension. Moreover, one or several of the other sirtuins (SIRT2 to SIRT7) might need to be modulated in concert with SIRT1 to be able to extend life span. What has become clear is that sirtuins are required to exert many of the beneficial aspects of calorie restriction. Most recently, SIRT3 has been shown essential in CR-mediated protection against aging-related hearing loss (Someya et al., 2010).
Finally, it will be extremely important to determine what happens to the activity of sirtuins during aging. There are hints that their activity declines, which provide further rationales to develop drugs that activate sirtuins to combat aging. Thus, to achieve the goal of a therapeutic intervention of aging, it will be important to fully elucidate the functions of all seven sirtuins and in many different tissues.
Сайт создан в системе
uCoz
