Сиртуины ( англ. sirtuins или Silent Information Regulator 2 proteins , SIR2 ) — семейство эволюционно консервативных НАД -зависимых белков, обладающих деацетилазной или АДФ-рибозилтрансферазной активностью. Название семейству дано в честь одного из представителей – дрожжевого белка SIR2. Сиртуины обнаружены у многих живых организмов, от бактерий до млекопитающих , и вовлечены в регуляцию важных клеточных процессов и метаболических путей.

Сиртуины составляют третий класс гистоновых деацетилаз , требующих для протекания реакции НАД ⁺ в качестве кофактора , что является принципиальным отличием от гистоновых деацетилаз классов I и II.

Классификация

Ацетилирование белков регулирует множество клеточных процессов, таких, например, как белок-белковые взаимодействия , экспрессию генов . Обратимая реакция ацетилирования/деацетилирования белков по остаткам лизина осуществляется двумя ферментами с противоположными активностями – гистоновыми ацетилтрансферазами и гистоновыми деацетилазами, которые, несмотря на их названия, модифицируют как гистоны , так и остальные белки .

Гистоновые деацетилазы разделяются на три класса по гомологии к дрожжевым транскрипционным репрессорам. Классы I и II гистоновых деацетилаз имеют значительное сходство друг с другом и являются гомологами дрожжевых деацетилаз Rpd3p и Hda1p, соответственно. Третий класс гистоновых деацетилаз, который составляют сиртуины, гомологичен дрожжевому репрессору транскрипции Sir2, но не имеет никакой гомологии с первыми двумя классами деацетилаз.

Сиртуины найдены во всех организмах, от бактерий до эукариот , их последовательности достаточно консервативны. Семейство сиртуинов подразделяется на пять классов (I-IV и U); существует также деление и внутри некоторых классов. U-класс сиртуинов найден только у грамположительных бактерий . В геноме дрожжей закодировано пять сиртуинов, в геноме человека – семь, представителей классов I-IV . SIRT1,2,6,7 млекопитающих находятся в ядре , SIRT1,2 – в цитоплазме , SIRT3,4,5 – в митохондриях , где они деацетилируют негистоновые белки в процессе регуляции различных метаболических процессов. Также есть различия в уровне экспрессии сиртуинов в разных тканях .

Катализируемые реакции

• В реакции деацетилирования, осуществляемой сиртуинами, выделяется три этапа:
  • Гидролиз НАД ⁺ до АДФ-рибозы и никотинамида ;
  • Отщепление ацетильной группы с остатка лизина в белке и образование деацетилированного белка;
  • Перенос ацетильной группы на АДФ-рибозу с образованием 2’-О-ацетил-АДФ-рибозы.

• Некоторые сиртуины обладают также монорибозилтрансферазной (моно-АДФ-рибозилтрансферазной активностью):

АДФ-рибоза переносится с НАД ⁺ на белок-акцептор. Такая посттрансляционная модификация называется АДФ-рибозилированием. В ходе данной реакции образуется моно-АДФ-рибозилированный белок, и высвобождается никотинамид .

Биологическая роль сиртуинов

Сиртуины и старение

При проведении эксперимента с дрожжевыми клетками было замечено, что повышенная экспрессия белка, кодируемого геном Sir2, увеличивает число делений дрожжей . В ходе дальнейших исследований было показано, что белок, кодируемый дрожжевым геном Sir2, не только регулирует экспрессию генов, используя эпигенетические механизмы (то есть меняя степень конденсации хроматина ), но и непосредственно участвует в устранении повреждений ДНК . Были также получены доказательства того, что аналогичные процессы происходят и в клетках млекопитающих. Белок млекопитающих SIRT1 аналогичен продукту экспрессии дрожжевого гена Sir2. Ферменты со схожими функциями в разных организмах (дрожжах и мышах) позволяют предположить, что сиртуины задействованы в древнем механизме клеточного старения . В основе этого механизма лежит постепенная потеря способности сиртуинов справляться с обеими своими главными функциями. Первая заключается в том, что сиртуины, деацетилируя гистоны по остаткам лизина, способствуют конденсации хроматина и выключению тех генов, продукты которых в данный момент клетке не нужны или могут оказаться даже вредными. Вторая – в том, что сиртуины участвуют в устранении повреждений ДНК. При появлении таковых сиртуины перемещаются из мест первоначального расположения в места, где необходима их помощь в починке ДНК. Такие их перемещения повышают вероятность того, что гены, экспрессия которых подавлялась ранее сиртуинами, снова активируются. Как показало исследование, у молодых животных сиртуины успешно справляются с обеими функциями. Однако с возрастом в клетке накапливается больше повреждений, связанных, в основном, с увеличением количества свободных радикалов , из-за чего сиртуины переключаются, в основном, на починку ДНК. Как следствие, клетки начинают страдать от активации ненужных генов, что приводит к старению .

Сиртуины и клеточная смерть

Сиртуины способствуют выживанию клеток несколькими способами:

• Опухолевый супрессор p53 запускает апоптоз . SIRT1, деацетилируя p53, подавляет его транскрипционную активность, предотвращая тем самым апоптоз.
• Ku 70, деацетилированный SIRT1 и SIRT3, связывает про-апоптотический митохондриальный фактор Bax, что ингибирует апоптоз.
• Поли(АДФ-рибоза)-полимераза (ПАРП) использует НАД ⁺ , что постепенно приводит к клеточной гибели; SIRT1 деацетилирует и ингибирует ПАРП .
• Деацетилирование HSF1 – транскрипционного фактора, защищающего клетки от теплового шока и неправильно свернувшихся белков, играет важную роль при выживании клеток в условиях теплового шока. SIRT1 деацетилирует HSF1, повышая его сродство к ДНК .
• SIRT1 деацетилирует транскрипционные факторы FOXO, индуцируя тем самым стресс-устойчивые белки, что приводит к тому, что клеточный цикл приостанавливается, а количество активных форм кислорода снижается .

Сиртуины и NF-κB

NF-κB – универсальный транскрипционный фактор , контролирующий экспрессию генов , отвечающих за клеточное старение , иммунный ответ . SIRT6, связавшийся с субъединицей RELA фактора NF-κB, приближается к промоторам генов, экспрессию которых регулирует NF-κB, и там деацетилирует гистон H3 по девятому остатку лизина . Деацетилирование гистона способствует конденсации хроматина и, следовательно, ослабляет действие NF-κB. В клетках же с низким уровнем SIRT6 гиперацетилирование гистона H3 приводит к тому, что субъединица RELA более прочно связывается с промотором , NF-κB усиливает экспрессию генов с данного промотора, что приводит к клеточному старению и апоптозу . Таким образом, SIRT6, ослабляя действие NF-κB, ингибирует тем самым клеточное старение.

NF-κB взаимодействует также и с SIRT1, который деацетилирует RELA-субъединицу NF-κB по остатку Lys 310, тем самым ослабляя NF-κB-сигнальный каскад. Амилоиды в клетках людей, страдающих болезнью Альцгеймера , усиливают ацетилирование RELA-субъединицы в микроглии мозга, активируя тем самым NF-κB. SIRT1 же деацетилирует NF-κB, защищая таким образом нейроны .

Роль сиртуинов в метаболизме

Сиртуины принимают участие в энергетическом метаболизме : с помощью таких посредников, как AMPK (АМФ-активируемая протеинкиназа ) и киназы B1 печени , SIRT1 и SIRT3 регулируют соотношение АМФ / АТФ в клетке; SIRT1 также очень чувствителен к соотношению окисленной и восстановленной форм НАД , что важно для создания градиента протонов, который, в свою очередь, используется в реакции окислительного фосфорилирования при синтезе АТФ .

Также было показано, что SIRT3 активирует такие центральные регуляторы цикла трикарбоновых кислот , как глутаматдегидрогеназа и изоцитратдегидрогеназа. SIRT5 деацетилирует цитохром c , участвующий в метаболизме кислорода .

Сиртуины оказывают влияние и на метаболизм глюкозы . Когда концентрация глюкозы в клетке достаточно большая, PGC-1α – транскрипционный коактиватор, регулятор генов, вовлеченных в метаболизм энергии, - находится в неактивном, ацетилированном состоянии. В ответ на понижение концентрации глюкозы SIRT1 деацетилирует PGC-1α. Его активация активирует процесс глюконеогенеза и подавляет гликолиз . SIRT1 может воздействовать на PGC-1α также посредством AMPK , FOXO1 , STAT3 .

Также сиртуины играют важную роль в липидном обмене и образовании жировых клеток .

Клиническая значимость

Никотинамид , как один из продуктов реакции, катализируемой сиртуинами, связывается с ферментом, ингибируя его . Из этого можно сделать предположение, что химические вещества, которые конкурировали бы с никотинамидом за связывание с ферментом, могли бы повысить активность сиртуинов. Поиск соединений, которые специфично связывались бы в сайте связывания никотинамида, мог бы помочь при лечении рака , сердечно-сосудистых , нейродегенеративных , инфекционных заболеваний . Имеет смысл также и поиск активаторов сиртуинов, которые предположительно, могли бы увеличить продолжительность жизни. Наиболее известным активатором является ресвератрол . Активно ведется разработка соединений, структурно похожих на ресвератрол, но обладающих большей активностью . Разработаны аналоги ресвератрола, такие как , , и SRT2104, которые, по утверждениям некоторых исследователей, способны повысить среднюю (но не максимальную) продолжительность жизни и защитить от ряда возрастных заболеваний . Полиморфные варианты в гене SIRT1 связаны с эффектом снижения веса и метаболическими характеристиками у детей .

См. также

• Клеточное старение
• Старение
• Деацетилазы гистонов

Ссылки

Примечания