Sirtuiinit ja embryonaalinen kantasolu ECS (2017).iPSC, resveratroli

• https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/acel.12685
• Sirtuins at the crossroads of stemness, aging, and cancer

• Carol O'Callaghan , Athanassios Vassilopoulos

• First published: 10 October 2017 https://doi.org/10.1111/acel.12685

Sirtuiineistä ja eri kantasoluista 
 

ESC, alkion kantasolu ja kehitys

Histoniasetylaatio käy läpi dynaamisia muutoksia alkion kantasolun erilaistumisen aikana ja sillä vaikuttaa olevan tärkeä osa kehitystuloksiin. Erityisesti ESC solut ilmentävät korkeampia histoniasetylaatiotasoja kuin solulinjanrajoitteiset ja erilaistuneemmat solut ( Efroni et al. 2008). 

Sen takia ei olekaan ihme, että sirtuiinit on liitetty alkion kantasolun (ESC)  kehityksen ja erilaistumisen yhteyteen. 

 Tässä on tärkeää huomata, että varhainen alkiokehitys on raportoitu normaaliksi useimmissa sirtuiinipoistogeenisissä hiirissä. Kuitenkin Sirt1-poistogeenisuus johtaa merkitsevään sikiövaiheen ja välittömästi syntymän jälkeisen vaiheen letaalisuuteen ja kehitykselliset puutteet ovat vakava-asteisia.

Siitä johtuen SIRT1 pidetään tärkeimpänä sirtuiinina näissä prosesseissa ja siksi sitä onkin parhaiten tutkittu tässä yhteydessä. 

Sirt1 ilmenee vahvasti ennen kuin miRNA:t säätävät sen alas erilaistumisaikana (Saunders 2010). 

Sen arvellaan pitävän yllä ECS:ssä kantasolun ominaisuuksia ja se vaikuttaa osallistuvan kehitysohjelmaan ESC:n erilaistumisen aikana (Taulukko 1).

 SIRT1:n osuus ESC-erilaistumisessa eroaa riippuen miljööolosuhteista;  Sirt1 katoaminen ei indusoi normaaliolosuhteissa differentoitumista;

 kuitenkin oksidatiivisessa stressissä Sirt1 välittää kantasoluisuutta ja edistää p53 translokoitumista mitokondriaan pikemminkin kuin tumaan ja pitää yllä NANOG- ilmentymää ( Han et al. 2008; Calvanese et al. 2010)

• Sirtuins and stem cells

• ESC, Embryonic stem cells and development

• Histone acetylation undergoes dynamic changes during differentiation of embryonic stem cells (ESCs) and appears to play an important role in development as a result. Particularly, ESCs display higher levels of histone acetylation than lineage‐restricted and more differentiated cells (Efroni et al., 2008).

•   Thus, it is not surprising that sirtuins have been linked to development and differentiation of ESCs. It is important to note here that early embryonic development is reported to be normal in most sirtuin‐knockout mice;

•  however, Sirt1 knockout results in significant lethality during the fetal stage or soon after birth, with severe developmental defects (Cheng et al., 2003; Haigis et al., 2006b; Mostoslavsky et al., 2006; Lombard et al., 2007; Vakhrusheva et al., 2008; Du et al., 2011; Kim et al., 2011).

• As a result, SIRT1 is considered to be the most important sirtuin in these processes and is consequently the best studied in this context.

• As Sirt1 is highly expressed in ESCs before being downregulated by miRNAs during differentiation (Saunders et al., 2010), it is thought to play a role in maintaining stemness of ESCs and appears to be involved in developmental programs upon differentiation of ESCs (Table 1).

•  The role SIRT1 plays in ESC differentiation differs depending on environmental conditions – loss of Sirt1 under normal conditions does not induce differentiation;

•  however under oxidative stress, Sirt1 mediates the maintenance of stemness promoting mitochondrial over nuclear translocation of p53 and maintaining Nanog expression (Han et al., 2008; Calvanese et al., 2010).

SIRT1 tunnetaan PRC4 kompleksin komponenttina ( PCR4 = Polykomb repressiivinen kompleksi 4, joka vaimentaa alkion kantasoluissa kehitysajan geenejä. (Kuzmichev et al. 2005)) ja sitoutuu myös kehitykseen assosioituvien geenien TBX3 ja PAX6 promottoreihin alkion kantasoluissa vaikuttaen geenin hiljenemistä. Koska SIRT1 pystyi säätelemään kantasoluominaisuutta ja pluripotenssitekijöitä, tutkittiin sen osuss myös somaattisten solujen solunuudelleen ohjelmoinnissa indusoiduiksi pluripotenttisiksi kantasoluiksi (iPSC).

 Sekä SIRT1 yliesiintymä että käsittely tunnetulla sirtuiiniaktivaattorilla reseveratrolilla ovat näyttäneet lisäävän indusoitujen pluripotenttien kantasolujen (iPSC) kehittymisen tehokkuutta – 

  mikä vaikutus taas assosioituu p53-deasetyloitumiseen ja lisääntyneeseen Nanog-ilmentymään. (Lee et al. 2012) . Sirt1 poistogeenisyydellä on vastakkainen vaikutus,

• SIRT1 is a known component of Polycomb repressive complex 4 (PRC4), which represses developmental genes in ESCs (Kuzmichev et al., 2005) and also binds to the promoters of development‐associated genes in ESCs, such as TBX3 and PAX6 where it contributes to gene silencing. As a result of its ability to regulate stemness and pluripotency factors, the role of SIRT1 in cellular reprogramming of somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs) has also been investigated. 
  
  
  Both SIRT1 overexpression and treatment with the known sirtuin activator resveratrol have been shown to enhance the efficiency of iPSC generation, (whereas Sirt1 knockdown exerts opposite action). This effect is associated with deacetylation of p53 and increased Nanog expression (Lee et al., 2012).

Muitakin sirtuiinejä on osoitettu alkion kantasolun erilaistumisen ajalta solulinjan spesifioitumisen säätelyssä, vaikka nämä tutkimukset eivät ole yhtä mittavia. 

 Sirt2 säätyy ylös hiiren alkion kantasolun erilaistumisen aikana ja säätelee negatiivisesti glykogeenisyntaasikinaasia 3beta (GSK3Beta) , joka on Wnt/beta-kateniinitien negatiivinen säätelijä. Havaittiin, että Sirt2 poistogeenisyys kompromittoi hiiren embryionaalisen kantasolun erilaistumisen ektodermiksi ja edisti mesodermin ja endodermin erilaistumista (Si et al. 2013). 

 Sensijaan päinvastoisesti Sirt6 poistogeenisyys johti ektodermin merkitsijöiden ylössäätymiseen, ja endodermiin sekä mesodermiin assosioituvien geenien alassäätymiseen, mikä valaisee joskus ilmeneviä sirtuiiniperheenjäsenten joskus päinvastaisia vaikutuksi. 

SIRT6 kontrolloi embryonaalisen kantasolun erilaistumista säätelemällä Oct4 ja Sox2 geenien promoottorien H3-histonien H3K56 ja H3K9 (lysiinien) asetylaatiota. Vaimentamalla näiden pluripotenttisten geenien ilmenemistä SIRT6 vähensi Tet-entsyymien limenemistä, rajoitti 5hmC-pitoisuuksia ja salli kehityksellisesti säädeltyjen geenien tasapainottuneen transkription. (Etchegaray et al. 2015).

• Although less comprehensively studied, other sirtuins have been implicated in the regulation of cell lineage specification during ESC differentiation (Table 1).
  
  
   Sirt2 is upregulated during mouse ESC differentiation and negatively regulates glycogen synthase kinase‐3β (GSK3β), a negative regulator of the Wnt/β‐catenin pathway. It was found that Sirt2 knockdown compromised differentiation of mouse ESCs into ectoderm while promoting mesoderm and endoderm differentiation (Si et al., 2013). Conversely,
  
  
   ESCs from Sirt6‐knockout mice display upregulation of ectoderm markers and downregulation of genes associated with endoderm and mesoderm, thus highlighting the sometimes opposing roles of sirtuin family members.
  
  
  SIRT6 controls ESC differentiation by regulating acetylation of H3K56 and H3K9 at the Oct4 and Sox2 promoters. By repressing expression of these pluripotency genes, SIRT6 diminishes the expression of Tet enzymes, limits the levels of 5hmC, and allows balanced transcription of developmentally regulated genes (Etchegaray et al., 2015).

Hematopoietic stem cells

As the first family member to be discovered, SIRT1 is also the best studied in other types of stem cells. In particular, its role in hematopoietic stem cells (HSCs), where it is expressed in both human and mouse cells of all lineages and stages of maturation, is well understood.

Katso jatkoa HSC