В обзоре, опубликованном ранее в Genes & Development (Guarente 2000) была выдвинута гипотеза, что ограничение калорий (CR) замедляет старение и это сопровождаемое снижение здоровья за счет активации дрожжевого Sir2p и его гомологов у высших организмов, теперь называемых sirtuins. Этот активный механизм CR нуждается в регуляции с помощью сенсоров питательных веществ и контрастирует с предыдущей пассивной моделью; напр., что пониженное питание замедляет накопление оксидативных повреждений. Идея, что CR регулируется, появилась после открытия, что sirtuins являются NAD-зависимыми деацетилазами (Imai et al. 2000), которые также вызывают репликативное долголетие у дрожжей (Kaeberlein et al. 1999). Спустя три года были описаны небольшие молекулы, которые активируют сиртуин SIRT1 млекопитающих (Howitz et al. 2003), подтвердив, что способствующее здоровью CR воздействие миметирующих лекарств возможно. После обзора в 2000 осуществлены тысячи исследований sirtuins и активирующих соединений, подобных resveratrol, получены некоторые многообещающие данные, и большое количество информации нуждается в переоценке надежности оригинальной гипотезы.

Toward the resolution of discordances

Sirtuins and aging

Вообще-то существенным вызовом идее, что сиртуины обеспечивают эффекты CR, стало исследование, описавшее неспособность наблюдать увеличение продолжительности жизни у червей и мух, трансгенных по соотв. ортолагам SIR2, после контроля за генетическим фоном (Burnett et al. 2011). Эти находки противоречили др., более ранним исследованиям, показавшими увеличение продолжительности жизни у трансгенных червей (Tissenbaum and Guarente 2001; Viswanathan et al. 2005; Berdichevsky et al. 2006) и мух (Rogina and Helfand 2004; Wood et al. 2004; Bauer et al. 2009). Фактически, подборка этих более ранних исследований, контролировала генетический фон (напр., Bauer et al. 2009), создавая конфликтующие претензии относительно роли сиртуинов для старения.

Недавно в ряде работ были повторно исследованы эффекты sirtuins на продолжительность жизни у разных организмов и подкреплена идея, что они имеют центральное значение (Fig. 1). У почкующихся дрожжей, одно исследование занизило установленное значение SIR2 для репликативного старения (Stumpferl et al. 2012). Две очень отличающиеся линии дрожжей (лабораторная линия и клинический изолят) были скрещены и проведен геномный анализ quantitative trait locus (QTL), нацеленный на эти генетические отличия, ответственные за различия в продолжительности репликативной жизни. В самом деле, наиболее важным локусом оказался SIR2, объясняющий более половины различий в продолжительности репликативной жизни между линиями (обусловлено различием в 5 кодонов между аллелями SIR2). Figure 1.

У мух критическая роль Drosophila Sir2 (dSir2) была выявлена с помощью ткане-специфических манипуляций с генами под контролем индуцибельного промотора (Banerjee et al. 2012), более специфической системы по сравнению с конституитивной избыточной экспрессией во всем теле при одиночной дозе в предыдущем исследовании (Burnett et al. 2011). Избыточная экспрессия dSir2 в жировом теле увеличивала продолжительность жизни мух на обычной диете. Это хорошо согласуется с более ранними находками, что жировое тело является критическим детерминантом продолжительности жизни Drosophila (Giannakou et al. 2004; Hwangbo et al. 2004). Во втором эксперименте Banerjee et al. (2012) установили, что делеция dSir2 в жировом теле устраняет увеличение продолжительности жизни, вызываемое обычно CR-подобным протоколом. Этот более поздний эксперимент иллюстрирует роль dSir2 в обеспечении пищевых эффектов на продолжительность жизни. Второе недавнее исследование подтверждает, что избыточная экспрессия dSir2 увеличивает продолжительность жизни у мух (Hoffmann et al. 2013).

У червей, два исследования одновременно с Burnett et al. (2011) показали, что увеличение дозы Caenorhabditis elegans sir-2.1 в самом деле увеличивает продолжительность жизни (Rizki et al. 2011; Viswanathan and Guarente 2011), хотя не до столь экстремального уровня, как сообщалось ранее (Tissenbaum and Guarente 2001). В 2001 было осложнено нераспознанной, несцепленной мутацией, которая сделала увеличение более значительным. В последующие годы проведены три дополнительных исследования относительно эффекта sir-2.1 на продолжительность жизни червей. В первом, продолжительность индуцирующие естественные продукты червя, ascarosides, как было установлено, увеличивают продолжительность жизни червя с помощью пути, нуждающегося в SIR-2.1 (Ludewig et al. 2013). Во втором было подтверждено, что избыточная экспрессия SIR-2.1 увеличивает продолжительность жизни (Mouchiroud et al. 2013). Кроме того, добавочные внутренние уровни NAD также расширяли продолжительность жизни посредством sir-2.1. NAD/SIR-2.1 индуцировали два отличающихся пути увеличения продолжительности жизни; один, использующий insulin-подобную передачу сигналов и FOXO гомолог DAF-16, и другой, использующий реакцию митохондриального несвернутого белка, в результате дисбаланса между экспрессией ядерного и митохондриального гена. Важно, что это исследование также предлагает возможный механизм нормального старения - NAD истощения за счет хронической активации PARP с помощью индукции повреждений ДНК. В третьем исследовании, удлинение продолжительности жизни в линиях с избыточной экспрессией SIR-2.1 было подтверждено Ristow с колл. (Schmeisser et al. 2013), используя линии от Burnett et al. (2011), также как и от Viswanathan and Guarente (2011).

У млекопитающих, Kanfi et al. (2012) показали, что две трансгенные линии мышей с избыточной экспрессией SIRT6 млекопитающих обнаруживают достоверное увеличение продолжительности жизни у самцов. Млекопитающие имеют 7 sirtuins, SIRT1-7 (Fig. 2). SIRT1, SIRT6 и SIRT7 являются ядерными; SIRT3, SIRT4 и SIRT5 являются митохондриальными; и SIRT2 является цитоплазматическим. В недавнем исследовании специфичная для головного мозга избыточная экспрессия SIRT1 также давала увеличение продолжительности жизни (Satoh et al. 2013). Неспособность избыточной экспрессии SIRT1 во всем теле вызывать увеличение продолжительности жизни может быть обусловлена неблагоприятными эффектами на рак, которые противодействуют наблюдаемому замедлению старения у этих мышей (Herranz et al. 2010). Наконец, у человека описана связь между SNPs в локусе SIRT3 и увеличением продолжительности жизни (Albani et al. 2013). Всё указывает на то, что sirtuins консервативные медиаторы продолжительности жизни. Figure 2.

Sirtuins and dietary restriction in lower organisms

CR у грызунов, вызывающее увеличение продолжительности жизни, впервые было продемонстрировано в 1930s (McCay et al. 1935) и имело очень специфический режим - 30%-40% снижение при приеме пищи вдоволь (ad libitum). Мы первоначально попытались приложить концепцию CR к дрожжам путем мутирования путей восприятия пищи или путем предоставления 0.5% глюкозы вместо обычных 2% и установили, что продолжительность репликативной жизни увеличивается (Fig. 1; Lin et al. 2000, 2002). Важно, что это увеличение устранялось, когда SIR2 подвергался нокауту. Однако др. исследования, которые в целом (но не всегда) использовали более сильные ограничения глюкозы, обнаруживали увеличение продолжительности жизни, которое не зависело от SIR2 (Kaeberlein et al. 2004). В соответствии с ролью SIR2 в CR, пути утилизации отходов метаболизма NAD энзим Pnc1p, как было установлено, активируется при 0.5% CR и обязателен для увеличение продолжительности жизни (Anderson et al. 2003). Более того, SIR2 паралог HST2 участвует в CR при экстремальных концентрациях глюкозы (Lamming et al. 2005). Незначительные отличия в среде или в др. лабораторных условиях могут объяснить наблюдаемые экспериментальные отличия.

У C. elegans, были изобретены генетический и физиологический режимы CR и увеличения продолжительности жизни с помощью одного необходимого sir-2.1 (Narasimhan et al. 2009), но увеличение у др. не получалось (напр., Bishop and Guarente 2007). Сходным образом, у мух ограничение в экстрактах дрожжей вдиете вызывало увеличение продолжительности жизни. В двух исследованиях dSir2 был важен (Rogina and Helfand 2004; Banerjee et al. 2012), но в другом, нет (Burnett et al. 2011). Как можно интерпретировать подобные расхождения? Сегодня мы знаем, что метазоа имеют множественные пути восприятия пищи, которые могут влиять на продолжительность жизни (напр., передача сигналов insulin) (Kenyon 2010), TOR (Johnson et al. 2013), AMP kinase (Kahn et al. 2005) и sirtuins (Guarente 2000). Любое изменение лаб. условий может способствовать передаче сигналов через разные субнаборы этих путей, объясняя описанные различия в генетических режимах для CR у низших организмов (Speakman and Mitchell 2011).

SIRT1 activators

Наконец, описаны предполагаемые SIRT1-активирующие соединения (resveratrol и более новые, синтетические STACs), чтобы активировать энзим in vitro путем снижения его Km для субстрата (Howitz et al. 2003) и также выявить преимущества для здоровья мышей, особенно у животных на диете с высоким содержанием жира (Baur et al. 2006; Lagouge et al. 2006; Milne et al. 2007). Однако, выяснение предполагаемого механизма, как для resveratrol, так и для STACs было затруднено из-за активации, по-видимому, нуждающейся в присутствии флюоресцентной метки на пептиде субстрате, используемом in vitro (Kaeberlein et al. 2005). Кроме того, resveratrol, как полагают, активирует SIRT1 in vivo не прямо, а за счет соединения с phosphodiesterases и запуска передачи сигналов цАМФ, чтобы активировать SIRT1 (Park et al. 2012). Три последующих исследования предоставили строгие доказательства, что эти соединения действительно работают путем прямой активации SIRT1. Во-первых, активация может фактически быть продемонстрирована с использованием пептидных субстратов без привлечения какого-либо флюоресцентного конъюгата (Dai et al. 2010). Важно, что необходимо присутствие боковых цепочек из ароматических аминокислот, расположенных вблизи деацетилированного лизина, это подтверждает специфичность субстрата для активации, что ранее было ознаменовано ранней очевидной потребностью в флюоресцентных метках. Во-вторых, острая делеция SIRT1 у взрослых мышей предупреждает многие из физиологических эффектов resveratrol и др. STACs (Price et al. 2012). В-третьих, одиночная мутация SIRT1 устраняет способность resveratrol и всех 117 др. протестированных STACs активировать энзим in vitro или способность к каноническим физиологическим изменениям в клетках (Hubbard et al. 2013). Эта мутация расположена по соседству, но вне каталитического домена и, как полагают, определяет аллостерический сайт в энзиме для активации малыми молекулами. В настоящее время трудно интерпретировать все эти находки в любой из моделей, кроме как прямой активации SIRT1 с помощью resveratrol и др. STACs. Конечно, доза resveratrol или др. STACs может влиять на дополнительные мишени, также используемые in vivo.

Sirtuins and CR in mice

General effects

Исследования CR на мышах имеют преимущества, т.к. они более стандартизированы, чем у низших животных; напр., многие из этих экспериментов используют мышей C57BL/6 с 30% ограничением от потребления вдоволь пищи. Доказательств, что sirtuins обеспечивают эффекты CR у млекопитающих, много. Во-первых, субстраты, на которые нацелены sirtuins SIRT1, SIRT3, SIRT4, SIRT5 и SIRT6 (detailed in the next section) сильно определяют соотв. пути, лежащие в основе метаболического сдвига, вызываемого с помощью CR. Во-вторых, CR индуцирует уровни экспрессии, по крайней мере, субнабора sirtuins - SIRT1 (Cohen et al. 2004), SIRT3 (Lombard et al. 2007) и SIRT5 (Nakagawa et al. 2009). SIRT1 индуцируется с помощью CR у людей (Civitarese et al. 2007). Соответственно, диета с высоким содержанием жира ведет к потере SIRT1 у мышей (Chalkiadaki and Guarente 2012), ожирение у людей оказывает такой же эффект (Pedersen et al. 2008; Costa Cdos et al. 2010). В-третьих, мутации потери функции специфических sirtuins устраняют специфические результаты CR. Напр., нокаут SIRT1 устраняет изменения в физической активности (Chen et al. 2005), а специфическое для головного мозга устранение оказывает сходный эффект на соматотропную ось (гормон роста/IGF-1) (Cohen et al. 2009). Кроме того, SIRT1 нокаутные мыши не живут дольше на CR диете (Boily et al. 2008; Mercken et al. 2013). Нокаут митохондриального SIRT3 предупреждает защитный эффект CR против потери слуха (Someya et al. 2010). В этом случае, SIRT3 необходим для CR, чтобы смягчить оксидативные повреждения критических нейронов внутреннего уха. Делеция SIRT5 предупреждает усиление активности цикла мочевины, который необходим, чтобы редуцировать аммиак крови, когда аминокислоты служат в качестве энергетических источников (Nakagawa et al. 2009).

В-четвертых, избыточная экспрессия трансгена SIRT1 или STACs смягчает симптомы болезни очень похоже на CR; сюда входят диабет, нейродегенеративные болезни, жировое перерождение печени, потеря кости и воспаление (Baur et al. 2006; Lagouge et al. 2006;Bordone et al. 2007; Pfluger et al. 2008; Herranz et al. 2010; Guarente 2011). Ткани отвечают сходным образом за эти эффекты, но один аспект может использовать позитивный эффект SIRT1 на секрецию инсулина панкреатическими β клетками (Moynihan et al. 2005; Bordone et al. 2006). Напротив, нарушение активности sirtuin вносит вклад в метаболический синдром и диабет у мышей и человека (Hirschey et al. 2011; Chalkiadaki and Guarente 2012; Biason-Lauber et al. 2013). В-пятых, SIRT1 активаторы, подобные resveratrol вызывают эффекты, которые перекрывают эффекты CR на уровне физиологии всего организма (Lam et al. 2013) или обеспечения профиля транскрипции (Barger et al. 2008). Итак, это наиболее полный набор доказательств какого-либо генетического пути в CR.

Cellular effects

Вообще-то наиболее прямым указанием на то, что sirtuins играют важную роль в физиологической адаптации к CR получены при более детальном анализе их субстратов и физиологических эффектов. Двумя характерными признаками CR являются метаболическое перепрограммирование к оксидативному метаболизму (чтобы добывать большую часть возможной энергии из источника топлива) и устойчиватсть к стрессам, особенно к оксидативным стрессам. Рассмотрим общие клеточные реакции на sirtuins этих характеристик.

SIRT1 играет центральную роль в индукции биогенеза митохондрий, устойчивости к стрессам и в жировом метаболизме. Этот сиртуин деацетилирует PGC-1α (Rodgers et al. 2005;Gerhart-Hines et al. 2007), FOXO1 (Brunet et al. 2004; Motta et al. 2004) и PPARα (Purushotham et al. 2009). В этом отношении активность SIRT1 накрепко связана с AMP kinase (AMPK) (Feige et al. 2008; Fulco et al. 2008), поскольку AMPK управляет экспрессией NAD синтетического энзима NAMPT (Canto et al. 2009, 2010), а SIRT1 деацетилирует и активирует AMPK активаторную киназу LKB1 (Hou et al. 2008;Lan et al. 2008). В то же самое время SIRT1 снижает гликолитический метаболизм путем деацетилирования гликолитических энзимов (Hallows et al. 2012) и одного из их ключевых индукторов транскрипции, HIF-1α (Lim et al. 2010). Можно предположить, что репрессия HIF-1α особенно важна, поскольку SIRT3 и SIRT6 также целенаправленно воздействуют на этот путь. SIRT3 снижает продукцию reactive oxygen species (ROS) митохондриями, тем самым уменьшает индукцию HIF-1α, а также в целом редуцирует бремя ROS в клетках (Bell et al. 2011; Finley et al. 2011). SIRT6 ко-репрессирует гены мишени для HIF-1α путем деацетилирования гистонов в этих локусах (Zhong et al. 2010).

Метаболический сдвиг в сторону от гликолиза в направлении митохондрий вместе с сопровождающей резистентностью к стрессам и усиливаются с помощью деацетилирования и desuccinylation митохондриальных белков с помощью SIRT3 (Lombard et al. 2007) и SIRT5 (Du et al. 2011; Peng et al. 2011), соотв. Митохондриальные мишени, активируемые т.о. с помощью этих sirtuins, включают superoxide dismutase 2 (Qiu et al. 2010; Tao et al. 2010) и метаболические энзимы для окисления жирных кислот (Hirschey et al. 2010), цикл мочевины (Nakagawa et al. 2009; Hallows et al. 2011) и метаболизм ацетатов (Hallows et al. 2006; Schwer et al. 2006). Интересно, что третий митохондриальный сиртуин, SIRT4, по-видимому, смонтирован противоположно SIRT3 и SIRT5; т.e., его экспрессия подавляется при CR. Это также имеет смысл, поскольку SIRT4 рибозилирует ADP и репрессирует глютамат дегидрогеназу (Haigis et al. 2006), ворота для glutamine и glutamate, чтобы вступить в цикл TCA и центральный метаболизм, чтобы предоставлять энергию во время CR.

Эти действия SIRT1, SIRT3, SIRT4 и SIRT6 имеют отношение к эффекту Warburg, при котором раковые клетки обнаруживают массивное усиление гликолиза и glutaminolysis, подтверждая тем самым функции супрессии опухолей. В самом деле, потеря SIRT3 (Finley et al. 2011) или SIRT6 (Sebastian et al. 2012), которые должны индуцировать гликолиз, или потеря SIRT4, который д. индуцировать glutaminolysis, обнаруживаются во многих опухолях (Jeong et al. 2013). Интересно, что SIRT4 является сиртуином наиболее высоко индуцируемым при повреждениях ДНК и он затрудняет вступление глютамина в метаболизм, повышая вероятность того, что "glutamine checkpoint" может играть роль опухолевого супрессора путем ограничения роста предраковых клеток, позволяя им репарировать повреждения (Jeong et al. 2013). Д. исследование также подтвердило роль SIRT4 в супрессии опухолей и показало, что уровни этого сиртуина регулируются с помощью mTORC1 (Csibi et al. 2013). Необходимо однако отметить относительно SIRT1, что получены доказательства функции предупреждения опухолей (e.g.,Firestein et al. 2008) и функции увеличения уже возникших опухолей (e.g., Li et al. 2013).

Помимо HIF-1α, единственной известной мишенью для трех или более сиртуинов является NF-κB, участвующий в провоспалительной ветви иммунного ответа. p65 из этого транскрипционного фактора деацетилируется и репрессируется с помощью SIRT1 (Yeung et al. 2004) и SIRT2 (Rothgiesser et al. 2010), а гистоны NF-κB-регулируемых генов деацетилируются с помощью SIRT6 (Kawahara et al. 2009) для усиления репрессии. Эти функции сиртуина могут помочь объяснить общий противо-воспалительный эффект CR, может быть важным механизмом, с помощью которого диета замедляет старение. В самом деле, активация NF-κB связана со старением (Adler et al. 2007).

Effects in specific tissues

Ясно, что эффекты CR должны быть скоординированы, системная реакция, стпвит вопрос, какие ткани наиболее важны и как они взаимодействуют. Figure 3.

Hypothalamus

Гипоталамус содержит разные группы нейронов, которые контролируют значительную часть физиологии млекопитающих, включая поведение питания, энергетические затраты, физическую активность, температуру тела и центральный циркадный контроль (Coppari 2012). Первоначально полагали, что эта область головного мозга играет ключевую роль в передаче сигналов при CR в исследованиях на червях, у которых устранение двух нейронов предупреждает повышенные энергетические затраты и увеличение продолжительности жизни при CR-подобном протоколе (Bishop and Guarente 2007). Описаны многие функции SIRT1 в гипоталамусе (Fig. 4). Предполагаемая роль SIRT1 в гипоталамусе млекопитающих впервые выдвинута в результате наблюдения, что уровни этого сиртуина в этом регионе головного мозга изменяются в зависимости от диеты (Ramadori et al. 2008). Дальнейшим доказательством стали находки, что истощение SIRT1 головного мозга предупреждает CR регуляцию соматотропной оси (Cohen et al. 2009). В самом деле, генетические манипуляции с SIRT1 на уровне белка в гипоталамусе затрагивали пищевое поведение, хотя направление изменений и эффекты диеты на эти изменения не полностью согласуются от исследования к исследованию (Cakir et al. 2009;Sasaki et al. 2010). Несмотря на это груз доказательств указывает, что SIRT1 в agouti-related peptide-producing (AgRPs) нейронах контролирует реакции на гормон кишечника ghrelin и на поведение кормления (Dietrich et al. 2010, 2012; Sasaki et al. 2010). Кроме того, SIRT1 в ventromedial hypothalamic (VMH) нейронах детерминирует физиологические реакции на передачу сигналов ghrelin (Velasquez et al. 2011;Porteiro et al. 2013). SIRT1 в dorsomedial hypothalamus (DMH) и lateral hypothalamus (LH) индуцируется с помощью CR и опосредует реакции, такие как физическая активность и температура тела путем определения уровней orexin receptor 2 (Satoh et al. 2010). Соотв., SIRT1 в pro-opiomelanocortin (POMC) нейронах (Ramadori et al. 2010) защищает от метаболического снижения, индуцируемого диетой с высоким содержанием жира. В качестве финального подтверждения принципа, воздействие resveratrol непосредственно на ЦНС грызунов обеспечивает чувствительность к инсулину и этот эффект устраняется при нокдауне экспрессии SIRT1 в гипоталамусе (Knight et al. 2011).Figure 4.

Др. по важности гипоталамическим регионом является suprachiasmatic nucleus (SCN), которое осуществляет центральный контроль циркадного ритма метаболизма и др. аспекты физиологии помимо цикла сна и бодрствования. Важность циркадного контроля для поддержания здоровья демонстрируется негативными последействиями нарушений циркадного ритма у людей или мутациями компонентов часов (Pittendrigh and Minis;1972). Интересно, что мыши с прирожденными циркадными периодами (период, выявляемый условиями полной темноты) очень близки к 24 ч обороту у самых долго живущих при цикле 12 ч света/12 ч темноты (Wyse et al. 2010; Libert et al. 2012). Эти находки подтверждают, что перевод центральных часов на свет каждые 24 ч у мышей, прирожденные часы которых отклоняются существенно от 24 ч цикла, накладывают ежедневную потребность в функциональных центральных циркадных часах. Любая потеря в этой функции, напр., во время старения (see below) может запускать расхождение во времени метаболических путей с негативными влияниями на здоровье и моложавость.

SIRT1 был впервые связан с контролем циркадного ритма посредством периферических и автономных часов в печени. В этой ткани SIRT1 деацетилирует белки циркадных часов BMAL1 и PER2 (Asher et al. 2008; Nakahata et al. 2008), чтобы повлиять на их функцию. В печени часы также регулируют NAMPT, переводя активность sirtuin в циркадную и обеспечивая связь между часами и метаболизмом (Nakahata et al. 2009; Ramsey et al. 2009). Интересно, что SIRT1, как было установлено, контролирует также центральную циркадную функцию в головном мозге за счет усиления экспрессии BMAL1 (Chang and Guarente 2013). Важно, что уровни SIRT1 снижаются в SCN старых мышей по сравнению с молодыми в контроле. Это снижение сопровождается редукцией большинства компонентов циркадных часов, предположительно запускаемой деградацией центральной циркадной функции с возрастом (Valentinuzzi et al. 1997). Удивительно, что избыточная экспрессия SIRT1 в головном мозге ослабляет эффекты старения на циркадную функцию, а делеция SIRT1 нарушает функцию у молодых животных. SIRT1 деацетилирует PGC-1α в нейронах, чтобы повысить активацию транскрипции BMAL. Т.о., петля SIRT1, PGC-1α, и NAMPT умножает экспрессию белков циркадных часов и поддерживает циркадную центральную функцию в SCN (Chang and Guarente 2013). Тот факт, что SIRT1, по-видимому, является Ахиллесовой пятой старении, подтверждает, что головной мозг, подвергшийся воздействию sirtuin лекарств может помочь поддерживать центральную циркадную функцию и смягчать снижение здоровья.

Наконец. недавнее исследование прямо проиллюстрировало важность гипоталамуса (и NF-κB) в старении млекопитающих. Ткане-специфическая делеция ингибитора NF-κB, являющегося ингибитором I-κB приводит к ожидаемой редукции активности NF-κB в гипоталамических нейронах и существенно удлиняет продолжительность жизни мышей (Zhang et al. 2013). Satoh et al. (2013) также пришли к выводу, что SIRT1 в гипоталамусе является ключевым для наблюдаемого увеличения продолжительности жизни у трансгенных мышей за счет активации orexin type 2 рецептора в LH и DMH. Итак, многочисленные доказательства подтверждают, что гипоталамус может играть доминирующую роль в старении млекопитающих, а SIRT1 является важным регулятором в этом компартменте.

Многие др. исследования, обобщенные в др. работах (Herskovits and Guarente 2013), показывают, что SIRT1 действует и в др. регионах головного мозга. Напр., SIRT1 защищает от нейродегенеративных болезней в коре и полосатом теле (Kim et al. 2007; Donmez et al. 2010; Min et al. 2010; Jeong et al. 2011; Jiang et al. 2011) и усиливает обучаемость и память в гиппокампе (Gao et al. 2010; Michan et al. 2010). Поскольку здоровые физиологические функции, управляются всеми этими регионами, ухудшаются со старением, то поддержка активности SIRT1 может быть в целом важной для поддержания головного мозга.

White adipose tissue (WAT)

Уровни SIRT1 и NAD⁺ индуцируются в WAT при CR у мышей (Chen et al. 2008). Напротив, уровни SIRT1 снижаются в белом жире у тучных мышей (Chalkiadaki and Guarente 2012) и тучных людей (Pedersen et al. 2008; Costa Cdos et al. 2010). Одним из возможных механизмов потери SIRT1 у тучных животных подтвержден находкой, что диета с высоким содержанием жира мышей запускает расщепление SIRT1 в WAT помощью caspase 1 из inflammasome (Chalkiadaki and Guarente 2012). Мыши, подвергнутые генетическому нокауту по SIRT1 в WAT, предрасположены к диабету, скорее всего, выступает как первый "удар" в направлени диабета (т.e., потеря SIRT1 в WAT).Интересно, что SIRT2 также играет важную функциональную роль в биологии адипоцитов путем регуляции дифференцировки преадипоцитов (Jing et al. 2007).

Др. функциональные данные согласуются с гипотезой, что SIRT1 в WAT способствует метаболическому здоровью, вызывая снижение жира в этом депо. SIRT1 способствует мобилизации жира из WAT кровь, напр., во время голодания (Picard et al. 2004), чтобы облегчить его окисление в печени и мышцах. SIRT1 также управляет переходом клеток белого жира в коричневый (Qiang et al. 2012), это д. запускать окисление жира in situ. В соответствии с этими функциями, ингибирование, SIRT1 в WAT ассоциирует с рекрутированием макрофагов и воспалением (Gillum et al. 2011). Одной из мишеней для деацетилирования с помощью SIRT1 в WAT является ядерный рецептор PPARγ. SIRT1 изменяет экспрессию гена из субнабора генов мишеней для PPARγ (Wang et al. 2008) и ограничивает дифференцировку клеток предшественников преадипоцитов (Picard et al. 2004). Наконец, SIRT1 трансгенные мыши обнаруживают высокие уровни воспринимающего инсулин адипокина adiponectin (Banks et al. 2008). Широкая роль сиртуинов в продукции адипокинов и эндокринном перекрестном общении между WAT и гипоталамусом остается областью будущих исследований.

Liver

В печени SIRT1 имеет многочисленные мишени дя деацетилирования, которые затрагивают глюконеогенез и гомеостаз жира. Многие из этих событий деацетилирования оказывают противоположные эффекты, обнаруживая сложность функции SIRT1 в этой ткани. Напр., SIRT1 деацетилирует два коактиватора, управляющие гликонеогенезом: PGC-1α, чтобы активировать его (Rodgers et al. 2005) и CRTC2, чтобы запускать его убиквитинирование и деградацию (Liu et al. 2008). Предполагается, что SIRT1 т.о. определяет стадию временного сдвига во время голодания путем переключения глюконеогенеза с раннего управляемого с помощью CRTC2 механизма к последнему механизму, управляемому с помощью др. мишени SIRT1, PGC-1α. Экспрессия SIRT1 снижается во время сдвига, обусловленного тем фактом, что промотор SIRT1 сам регулируется с помощью CRTC2 (посредством транскрипционного фактора CREB) (Noriega et al. 2011). Снижение CRTC2 (и соотв. SIRT1) может приводить к собственно более низкому уровню активности SIRT1 субстрата PGC-1α во поздней стадии голодания.

Относительно гомеостаза жира, SIRT1 деацетилирует ядерный рецептор LXR (Li et al. 2007), чтобы ген для синтеза SREBP1. Однако, SIRT1 деацетилирует также сам SREBP1, чтобы репрессировать его активность (Ponugoti et al. 2010; Walker et al. 2010). Др. субстраты для SIRT1 включают ядерный рецептор FXR для синтеза желчи (Kemper et al. 2009) и LKB1, связанный с SIRT1 и AMPK (Hou et al. 2008;Lan et al. 2008). Каков суммарный эффект различных SIRT1 печеночных активностей? Многочисленные исследования проверяли роль печеночного SIRT1 при разных условиях питания. Большинство исследований показало, что специфичная для печени делеция SIRT1 запускает физиологическую гиперчувствительность к диете с высоким содержанием жира (You et al. 2008; Erion et al. 2009; Purushotham et al. 2009; Wang et al. 2010,2011; Xu et al. 2010; исключение составляет Chen et al. 2008), тогда как избыточная экспрессия обеспечивала защиту от жирового перерождения (steatosis) (Li et al. 2011b). В согласии с этой идеей, диета с высоким содержанием жира индуцировала воспаление inflammation, запуская фосфорилирование SIRT1 с помощью JNK1 киназы, приводя к е1 дегенерации (Gao et al. 2011), напоминающей ту, что наблюдается в WAT.

Печеночный SIRT4 опять же противостоит SIRT1, поскольку его делеция защищает от индуцированного диетой из жирной пищи стеатоза (Nasrin et al. 2010). Это может быть из-за того, что SIRT4 деацетилирует и ингибирует malonyl CoA decarboxylase 1 (MCD1), которая превращает malonyl CoA в acetyl CoA (Laurent et al. 2013). Т.о., делеция SIRT4 д. препятствовать накоплению malonyl CoA, ключевого предшественника для синтеза жира, как и снижение уровней SIRT4 при CR. Наконец, печеночный SIRT6, подобно SIRT1, по-видимому, защитный, поскольку в двух исследованиях было показано, что его делеция способствует стеатозу у животных (Kim et al. 2010; Dominy et al. 2012).

Heart and skeletal muscle

исследования подтвердили, что CR, упражнения и resveratrol индуцируют биогенез митохондрий и повышают устойчивость к стрессам скелетных мышц мышей и людей, чтобы систематически улучшать физиологию (Baur et al. 2006; Lagouge et al. 2006; Feige et al. 2008; Koltai et al. 2010). По крайней мере, три пути участвуют в обеспечении этих эффектов. Во-первых, активность nitric oxide synthase, экспрессируемой в скелетных мышцах (eNOS) вызывается с помощью CR у мышей и людей (Nisoli et al. 2005; Civitarese et al. 2007). Поскольку SIRT1, как известно, деацетилирует и активирует eNOS (Mattagajasingh et al. 2007), то индукция этого сиртуина в CR мышцах может объяснить эту цепочку событий. Важно, что мыши eNOS^-/- не обнаруживают индукции митохондрий врезультате CR (Nisoli et al. 2005). Во-вторых, деацетилирование PGC-1α также вызывается с помощью CR или resveratrol и также управляет биогенезом митохондрий (Rodgers et al. 2005; Gerhart-Hines et al. 2007). В-третьих, CR-индуцированный адипокин adiponectin соединяется со своим рецептором в мышцах и стимулирует ось SIRT1/AMPK, вызывая высвобождение Ca⁺⁺ и активацию AMPK kinase calmodulin-зависимой протеин киназы (Iwabu et al. 2010). Этот путь может быть также запущен упражнениями (Iwabu et al. 2010). Эффекты глюкозы на культивируемые скелетно-мышечные клетки зависит от взаимодействия SIRT1 с AMPK (Fulco et al. 2008; Canto et al. 2010) и FOXO1 (Hariharan et al. 2010). Неудивительно, что тканеспецифичный нокаут SIRT1 в скелетных мышцах ослабляет физиологические изменения, индуцируемые с помощью CR (Schenk et al. 2011).

В отношении сердца исследования избыточности и потери функции у мышей показали защитную роль SIRT1 против оксидативных стрессов; напр., при ишемии/затруднениях реперфузии (Hsu et al. 2010; Tanno et al. 2010). SIRT1 может также защищать от гипертрофии при умеренных уровнях специфичной для сердца избыточной экспрессии, но оказывается вредным при высоких уровнях (Alcendor et al. 2007). Защита от гипертрофии может использовать путь, включая PPARα и окисление жиров (Planavila et al. 2011), хотя, неожиданно, одно исследование показало, что гаплонедостаточность по SIRT1 или PPARα защищает от гипертрофии, вызванной перегрузками давления (Oka et al. 2011). Интересно, что CR, как было установлено, вызывает ядерную локализацию SIRT1 в механизме, нуждающемся в eNOS, и это ассоциирует с повышением устойчивости к ишемии (Shinmura et al. 2008). SIRT1 и eNOS могут представлять собой петлю взаимной поддержки активности, как для SIRT1, так и AMPK.

Относительно др. сиртуинов, SIRT6, как было установлено, ослабляет передачу сигналов AKT в сердце, чтобы защитить от гипертрофии (Sundaresan et al. 2012). В этом случае SIRT6 служит в качестве корепрессора IGF-активируемых генов путем соединения с транскрипционным фактором c-jun. Наконец, новое исследование показало, что мыши, нокаутные по одной из субъединиц комплекса I в сердце, обнаруживают наращивание NADH, инактивацию SIRT3 и гиперацетилирование кардиальных митохондриальных белков (Karamanlidis et al. 2013). Эти мыши значительно более восприимчивы к недостаточности сердца, это подтверждает важность SIRT3 для функции сердца (Pillai et al. 2010).

Kidney

Многочисленные исследования показали защиту почечной функции с помощью SIRT1, начиная с сообщения, что SIRT2 смягчает оксидативные стрессы в клетках HK-2 (Hasegawa et al. 2008). У мышей, генетическая активация SIRT1 у трансгенных мышей или применение STACs защищает от разных способов повреждений почек (Funk et al. 2010;Hasegawa et al. 2010; He et al. 2010; Fan et al. 2013; Kim et al. 2013). SIRT1 также ослабляет фиброз после острой почечной недостаточности путем деацетилирования Smad 4 и супрессии передачи сигналов TGF-β (Simic et al. 2013). Кроме того, SIRT1 необходим для CR-индуцированной почечной защиты от гипоксии, в этом случае за счет деацетилирования FOXO3 и активации аутофгии (Kume et al. 2010). Наконец, CR защищает также почки при диабете у модельных крыс и это ассоциирует с активацией SIRT1 и деацетилированием NF-κB (Kitada et al. 2011).

Недавнее исследование подчеркнуло новый тип коммуникаций между двумя отличающимися компартментами почек, обеспечиваемый SIRT1. В одном компартменте, состоящем из клеток проксимальных канальцев, SIRT1 детерминирует уровни секретируемых NAD предшественников nicotinamide mononucleotide (NMN). Секретируемые NMN затем активируют SIRT1 в др. компартменте почек, состоящем из подоцитов, чтобы запустить резистентность к стрессам. Суммарный эффект этого циркуита - защита почек и супрессия диабетической альбуминурии (Hasegawa et al. 2013).

В противоположность этим защитным эффектам, SIRT1 может вносить вклад в патофизиологию аутосомно доминантной поликистозной болезни почек (ADPKD). Это наследуемое заболевание обусловлено генетическими дефектами в PKD1 или PKD2, затрагивает одного из 400 индивидов и ведет к недостаточности почек между 40-60 годами. Недавнее исследование показало, что усиление активности SIRT1 с помощью c-MYC происходит в мышиной модели ADPKD (Zhou et al. 2013). Более того, генетическое или фармакологическое ингибирование SIRT1 супрессирует рост кист в этой модели. SIRT1 может содействовать образованию кист, способствуя механизмам клеточного выживания, таким как деацетилирование и ингибирование p53. Интересно и необычно, что активация SIRT1 может защищать почки в нормальных условиях, но ингибирование SIRT1 может быть эффективным при болезненных условиях.

Endothelium and smooth muscle

проведены многие исследования связи между SIRT1 и сосудистой сетью. Среди наиболее важных субстратов деацетилируемых с помощью SIRT1 в эндотелиальных клетках (ECs) находятся eNOS (Mattagajasingh et al. 2007), LKB1 (Zu et al. 2010), Notch (Guarani et al. 2011) и p66shc (Zhou et al. 2011). Суммарный эффект SIRT1 на ECs, по-видимому, контролирует рост сосудов (Potente et al. 2007) и обеспечивает защиту EC от старения (Ota et al. 2007) и в целом от атеросклероза. Напр., сдирающий стресс индуцирует SIRT1, AMPK, eNOS и биогенез митохондрий (Chen et al. 2010), и это ассоциирует с фосфорилированием и стабилизацией SIRT1 с помощью calmodulin-зависимой protein kinase kinase (Wen et al. 2013). Ингибирование этой индукции SIRT1 сенсибилизирует ECs к повреждениям, вызываемыми окисленными LDL (Guo et al. 2013) и сесибилизирует apoE^-/- мышей к атеросклерозу (Zhang et al. 2008). Ось SIRT1/AMPK в ECs, как было установлено, индуцируется упражнениями или resveratrol у мышей (Cacicedo et al. 2011; Takizawa et al. 2013).

Во втором критическом типе клеток сосудистой системы, гладкомышечных клетках (SMCs), SIRT1 также защищает от атеросклероза, поскольку избирательное истощение этого сиртуина из SMCs предрасполагает мышей к атеросклерозу (Gorenne et al. 2013). Кроме того, SIRT1 ограничивает индукцию гипертрофии в SMCs с помощью angiotensin II за счет редукции уровней его рецептора (Li et al. 2011a). Эффекты SIRT1 в ECs и SMCs могут помочь объяснить защитную роль CR от атеросклероза (Fontana et al. 2004) и (вместе с эффектами на др. ткани) защиту с помощью этой диеты от сердечно-сосудистых болезней в целом.

Discussion

Взаимодействие диеты и путей, воспринимающих питание, играет важную роль в регуляции физиологии и здоровья млекопитающих. Производилась проверка исходной гипотезы, что чувствительные к питанию регуляторы обеспечивают эффекты такой диеты на старение и болезни (Guarente 2000). Исходные предположения базировались на находках, что sirtuins являются NAD⁺-зависимыми протеин деацетилазами и противостоят старению дрожжей. Теперь получен огромный объем данных, особенно у млекопитающих, иллюстрирующих ряд физиологических адаптаций к потреблению калорий, обеспечиваемых сиртуинами. Исследования связывают активацию sirtuin с предупреждением старения и болезней. Очевидно, что др. сенсоры питания, такие как AMPK (Kahn et al. 2005), mTOR (Johnson et al. 2013) и FOXO (Kenyon, 2010), являются очень важными для связи диеты, метаболизма и старения. В самом деле, многочисленные связи между всеми этими путями показаны в литературе.

В дальнейшем SIRT1 и mTORC1, по-видимому, станут кандидатами мишенями. поскольку описаны небольшие молекулы, изменяющие их активности (STACs и rapamycin, соотв.). Идея, что SIRT1 может быть активирован с помощью малых молекул довольно привлекательна (Hubbard et al. 2013). Затруднения связаны с разработкой лекарств, специфичных для тканей; напр., создание проникающих в головной мозг соединений для лечения болезни Альцгеймера. Кроме того, важно изучить воздействуют ли активирующие соединения на все субстраты SIRT1 или только на субнабор, как предполагают недавние биохимические исследования. Можно предположить, что малые молекулы, которые соединяются с аллостерическими сайтами SIRT1 воспроизводят действие натуральных эндогенных соединений, которые регулируют энзимы при определенных физиологических условиях; напр., CR. Если это так, то спектр эффектов, выявляемых при воздействии лекарств может воспроизводить эффекты, запускаемые физиологическими условиями, и выявить скоординированные, защитные реакции. Наконец, добавки NAD предшественников NMN или nicotinamide riboside, как было установлено, противодействуют старению (Ramsey et al. 2008; Mouchiroud et al. 2013) и могут открывать др. стратегии привлечения надзора за sirtuin для предупреждения старения и болезней.

Calorie restriction and sirtuins revisited Leonard Guarente Genes & Dev. 2013. 27:2072-2085

Calorie restriction and sirtuins revisited
Leonard Guarente
Genes & Dev. 2013. 27:2072-2085