SIRT1 ja hematopoieettinen kantasolun (HSC) altaan ylläpito (2017)

• 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

Hematopoieettiset kantasolut (HSC) ja sirtuiinit 

(Sir2 family = The Silent Information regulator  2)

SIRT1, ensimmäinen löydetty sirtuiini, on parhaiten tutkittu myös muissa kantasoluissa. Erityisesti sen osuus hematopoieettisissa kantasoluissa HSC on hyvin käsitettyä. Niissä sitä ilmenee hiirellä ja ihmisellä aivan kaikissa solulinjoissa ja kypsymisvaiheissa. Lukuisat in vivo tutkimukset käyttävät Sirt-/- hiiriä ja niillä on osoitettu, että SIRT1 säätelee positiivisesti hematopoieettisen kantasolun (HCS) kantasoluominaisuuksia (Taulukko 1)

 Alkion hematopoieettisessa kehityksessä Sirt1-/-  HSC muodosti harvempia blastisoluklooneja ja hematopoieettinen potentiaali oli puuteellista sekä siihen liittyi viivästynyt Oct4, Nanog ja Fgf -ilmenemän deaktivoituminen (Ou et al. 2011) 

 

Toisella tutkimuksella osoitettiin, että SIRT1 todellakin osallistuu HSC-altaan ylläpitoon sillä hiiren luuytimen " c‐Kit^highSca‐1⁺Lineage⁻ cells" soluisolaatissa , joka oli Sirt1-/- hiirestä , tapahtui helpommin erilaistuminen ja kantasoluominaisuuksien kadottuminen kuin luonnollisissa HSC -soluissa. Tämä oli johdonmukaista tietoa SIRT1:n roolista hiiren hematopoieesissa ja erilaistumisessa. Havaittiin, että SIRT1:n mekanimissa hematopoieettisen kantasoluominaisuuden ylläpidossa oli osana ROS-eliminointi, FOXO-aktivointi ja p53-inhibitio (Matsui et al. 2012).

• 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. A number of in vivo studies that utilize Sirt1^−/− mice have demonstrated that SIRT1 positively regulates stemness in HSCs (Table 1). In embryonic hematopoietic development, Sirt1^−/− ESC formed fewer mature blast cell colonies, with defective hematopoietic potential associated with delayed deactivation of Oct4, Nanog, and Fgf5 expression (Ou et al., 2011).
• Consistent with a role of SIRT1 in mouse hematopoiesis and differentiation, another study demonstrated that SIRT1 does contribute to the maintenance of the HSC pool as murine bone marrow c‐Kit^highSca‐1⁺Lineage⁻ cells isolated from Sirt1^−/− mice more readily differentiate and lose stem cell characteristics than wild‐type HSC. The mechanism behind SIRT1 maintenance of hematopoietic cell stemness was found to involve ROS elimination, FOXO activation, and inhibition of p53 (Matsui et al., 2012).
    
  Näiden aiempien löytöjen mukaan olisi odotettavissa, että SIRT1 olisi korvaamaton normaalille HSC-funktiolle. Kuitenkin tuore in vivo tutkimus osoitti, että Sirt1 deleetio ei vaikuttanut kypsien verisolujen tuotantoon, .solulinjajakaumaan hematopoieettisissa elimissä  eikä primäärisimpien HSC-populaatioitten tiheyteen (Leko et al. 20129.
  
  
   Spesifiset hematopoieettisen solun Sirt1-/- poistogeeniset ja Sirt1- indusoidut poistogeeniset hiirimallit ovat antaneet lisätietoa SIRT1-funktiosta hematopoieettisissa kantasoluissa ja samalla on voitu välttää ne kokeellisuuden haasteet, jotka liittyvät kasvudefekteihin ja perinataaliseen letaalisuuteen Sirt1-/- poistogeenisyydessä. Voitiin havaita tamoxifenillä indusoidun Sirt1-deleetion jälkeen hematopoieettisten kantasolujen asteittaista lisääntymistä ja frekvenssin nousua  sekä myeloisen solulinjan laajenemista lymfoidisten solujen kustannuksella(Rimmele et al. 2014).
  
  
•  Ja kuten edellä tämäkin tutkimus tunnisti FOXO3:n SIRT1:n suorittaman homeostaatisen kontrollin tärkeänä välittäjänä HSC kantasoluissa
• Saadut tulokset SIRT1:n osuudesta HSC-säätelyssä stressiolosuhteissa valaisevat sitä merkitsevää osaa, mikä extrasellulaarisella yhteydellä (miljöötekijöillä) saattaa olla hematopoieettisessa kantasolussa tapahtuvassa SIRT1:n ohjaamassa homeostaattisessa kontrollissa.
  
  
   Siinä Sirt-/- hiirifraktiossa, joka selvisi postnataalisesti SIRT1- geenin menetys liittyi alentuneeseen hematopoieettisten progeniittorien (HSPC) määrään erityisesti hypoxisessa tilassa.(Ou et al. 2011). Tämä on johdonmukaista tuoreen tutkimustuloksen kanssa, joka osoitti hematopoieettisten solujen SIRT1 deleetion edistävän poikkeavaa HSC lisääntymistä ja uupumista mutta vain hematopoieettisen stressin olosuhteissa. (Hyvin suuri Sirt1-/- letaalisuus kierrettiin toisen sirt1 alleelin geenimuovauksella; tästä on tarkempi geenijärjestely tekstissä mainituissa lähteissä. 
  
  
   Samanlaisia kokeellisia in vivo lähestymistapoja on käytetty selvitettäessä SIRT6 :n osuutta hemtapoieettisissa  solussa. Tässäkin käytettiin flanked tekniikkaa ja transgeenisyyttä hematopoieetisen spesifisen deleetion luomiseksi aikuiskoe-eläimen HSC- soluihin. Saatiin osoitettua, että Sirt6 vaje johtaa merkitsevään lisääntymään immunofenotyyppsisesti määräytyneitten HSC-solujen lukumäärässä. (Wang et al. 2016).
   Kuitenkin SIRT6-vajeisissa hematopoieettisissa kantasoluissa ilmeni huomattava väheneminen pitkäaikaisessa monilinjaisen uuden populaation muodostusaktiivisuudessa, mikä on samanlaista uupumisvaikutusta mitä aiemmin kuvattiin Sirt1-menetyksestä. Fenotyyppinen expansoituminen ja funktionaalinen alamäki SIRT6 vajeisissa HSC-soluissa liittyy epänormaaliin hyperproliferaatioon, jonka vaikuttaa Wnt-signalointitien poikkeva aktivaatio.
• According to these previous findings, it would be expected that SIRT1 is indispensable for normal function of HSCs. However, a recent in vivo study showed that Sirt1 deletion had no effect on the production of mature blood cells, lineage distribution within hematopoietic organs, and frequencies of the most primitive HSC populations (Leko et al., 2012). 
  Specific hematopoietic cell‐knockout and inducible Sirt1‐knockout mouse models have also contributed to the understanding of SIRT1 function in HSCs while overcoming the experimental challenges related to the developmental defects and perinatal death of Sirt1‐knockout mice. Following tamoxifen‐induced Sirt1 deletion, a gradual increase in the total number and the frequency of HSCs as well as an expansion of the myeloid lineage at the expense of lymphoid cells were observed (Rimmelé et al., 2014).
    As above, this study also identified FOXO3 as an important mediator of the homeostatic control by SIRT1 in HSCs. Results obtained regarding the role of SIRT1 in regulating HSCs under stressful conditions serve to highlight the significant role the extracellular context may play in directing sirtuin function in stem cells.
• In the fraction of Sirt1^−/− mice that survive postnatally, loss of SIRT1 is associated with decreased hematopoietic progenitors particularly under hypoxic conditions (Ou et al., 2011). This is consistent with a recent study showing that deletion of SIRT1 specifically in hematopoietic cells, after crossing Sirt1‐floxed mice with vav‐iCre transgenic mice, promotes aberrant HSC expansion and exhaustion but only under conditions of hematopoietic stress (Singh et al., 2013). 
  
  
• A similar experimental in vivo approach has been followed to uncover the role of SIRT6 in HSCs (Table 1). Using Sirt6^fl/fl Vav‐Cre mice for hematopoietic‐specific deletion, a pIpC‐inducible mouse model (Sirt6^fl/fl Mx1‐Cre), and Sirt6^fl/fl ERT2‐Cre mice for inducible deletion in adult HSCs, it has been shown that Sirt6 deficiency results in a significant increase in the number of immunophenotypically defined HSCs (Wang et al., 2016). However, SIRT6‐deficient HSCs exhibited a remarkable decrease in the long‐term multilineage repopulating activity, which is similar to the previously described effect of Sirt1 loss. The phenotypic expansion and functional decline of SIRT6‐deficient HSCs is associated with an abnormal hyperproliferation induced by aberrant activation of Wnt signaling pathway.

SIRT3 ja SIRT7 ovat myös osallsitumassa hematopoieettisen kantasolun ylläpitoon säätelemällä mitokodnriaalista homeostaasia. (Taulukko 1) 

Vaikka nuorella iällä SIRT3 näyttää olevan korvattavissa, mitä HSC- ylläpitoon tulee, niin Sirt3 vaje johtaa hematopoieettisten kantasolujen altaan vähenemään vanhemmalla iällä ja HSC:n itsestään uudistumiskyky kompromittoituu sarjoittaisessa transplantaatiostressissä. (Brown et al. 2013) . Nämä fenotyypit altistuvat lisääntyneelle oksidatiiviselle stressille asetyloituneen MnSOD entyymin alentuneen antioksidanttiaktiivisuuden takia Sirt3-puutteessa. 

Mielenkiintoinen seikka on, että Sirt7:n geneettinen inaktivaatio johtaa myös hematopoieettisten kantasolujen kompromittoituneeseen regeneroitumiskapasiteettiin. Tässä esimerkissä ilmeni mitokondriaalisen proteiininlaskostamisstressin lieventämisessä puutteellisuutta. Luuytimen Sir7-/- soluja tai -puhdistettuja HSC kantasoluja saaneiden hematopoieettisen systeemin pitkäaikais- rekonstruktiokyvyssä havaittiin 40% alenemaa verrattuna Sirt7+/+ verrokeihin. Vaikka Sirt7 puute ei vaikuta HSC frekvenssiin luuytimessä vakio-olosuhteissa , niin 50% :n alenema Sirt7-/- HSC frekvenssissä transplantaatioolosuhteissa havaitaan olevan kytköksissä lisääntyneeseen apoptoosiin.

• SIRT3 and SIRT7 are also involved in HSC maintenance through the regulation of mitochondrial homeostasis (Table 1). Although SIRT3 seems to be dispensable for HSC maintenance at a young age, Sirt3 deficiency results in a reduced HSC pool at an old age and compromised HSC self‐renewal upon serial transplantation stress (Brown et al., 2013). These phenotypes are attributed to increased oxidative stress due to decreased antioxidant activity of acetylated MnSOD upon Sirt3 loss.
  
  
   Interestingly, Sirt7 genetic inactivation also results in compromised regenerative capacity of HSCs, in this instance by failing to alleviate mitochondrial protein folding stress. Sirt7^−/− bone marrow cells or purified HSCs display a 40% reduction in long‐term reconstitution of the recipients’ hematopoietic system compared with their Sirt7^+/+ counterparts. Even though Sirt7 loss does not affect HSC frequency in the bone marrow under steady‐state conditions, a 50% reduction in the frequency of Sirt7^−/− HSCs upon transplantation is observed coupled with increased apoptosis (Mohrin et al., 2015).