(2) Abstrakti, johdantoa seitsemän sirtuiinin merkityksestä genomin vakaudessa (Vaquero 2014) (ss. 1745-6)

2018-07-13

Sirtuiinit ja genominen stabiliteetti (sivu 1745-6)

https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/febs.13053

Tiivistelmä, ( suomennosta )Abstract

SIRTUIINIT ovat deasetylaasien perhe, jonka kohteina on sekä histoni- että  ei-histoniproteiineja ja jotka vaativat entsymaattiseen aktiivisuuteensa NAD+ ko-faktoria. Tästä vaatimuksesta johtuen sirtuiiniellä on herkkää kykyä havaita metabolisia ja energiahomeostaattisia muutoksia ja kyky koordinoida soluvasteita pitämään yllä genomista stabiliteettia. Täten sirtuiinit ovat ratkaisevia proteiineja miljöön ja genomin välisessä vuorovaikutuksessa ja solu- ja organismitasojen stressivasteissa.

Sirtuiinit omaavat omalta osaltaan  yhtä  pääosaa genomisen integriteetin ylläpidossa -  suureksi osaksi epigeneettisiä mekanismeja säätelemällä.  

Sirtuiinit  kohdentavat erilaisiin histonimerkitsijöihin kuten H4K16Ac, H3K9Ac, H3K56Ac ja H3K18Ac,  ja myös kromatiinikoneiston ei-histoni-komponetteihin kuten entsyymeihin ja rakenneproteiineihin. Tässä artikkelissa tehdään yhteenvetoa sirtuiinien ja epigenetiikan välisestä linkkiytymisestä, mikä heijastaa genomin jatkuvaa adaptoitumista stressiin.

• Sirtuins are a family of deacetylases that target histone and non‐histone proteins and require NAD⁺ as an enzymatic cofactor for their enzymatic activity. This requirement confers sirtuins with the ability to detect changes in metabolism and energy homeostasis and to coordinate cellular responses to maintain genome integrity. Thus, sirtuins are crucial in the crosstalk between environment and genome, and therefore in responses to stress at the cell and organism levels. Sirtuins play a major role in maintaining genome integrity, largely through regulation of epigenetic mechanisms.
• They target different histone marks, including H4K16Ac, H3K9Ac, H3K56Ac and H3K18Ac, and non‐histone components of the chromatin machinery, such as enzymes and structural proteins. Here we summarize our current view on the link between sirtuins and epigenetics, one that reflects the continual adaptation of the genome to stress.

Käytettyjä lyhennyksiä, Abbreviations

CH, perustava heterokromatiini, constitutive heterochromatin

DNMT, DNA metyylitransferaasi , DNA methyltransferase

DSB, double‐strand break , kaksoiskatkos, kahden nauhan katkos

EZH2, histoni-lysiini-N-methyylitransferaasi, enhancer of zeste homolog 2 , Histone-lysine- N-methyl- transferase,

PRC2 component, facilitate heterochromatin, silencing gene.

FH, fakultatiivinen heterokromatiini, facultative heterochromatin

HAT, histoniasetyylitransferaasi, histone acetyltransferase, siirtööä asetyyliä 

HDAC, histonideasetylaasi, histone deacetylase, poistaa asetyyliä 

HMT, histonimetyylitransferaasi, histone methyltransferase, siirtää metyyliä 

HP1, heterokromatiiniproteiini 1, heterochromatin protein 1

KO, poistogeeninen, knockout

MEF, hiirialkion fibroblasti, mouse embryonic fibroblast

miR‐34a, mikroRNA -a, microRNA‐34a

NSC, neuraalinen kantasolu, neural stem cell

PARP , polyADP-riboosipolymeraasi, poly (ADP‐ribose)polymerase

ADP, adenosiinidifosfaatti, adenosine diphsophate

Pol, RNApolymeraasi, RNA polymerase

PRC, polykomp vaimentava kompleksi, polycomb repressive complex

Sir2p, yeast protein silent information regulator 2 , hiivan Sir2

Johdantoa ( suomennosta)                 Introduction

Histonin 3 (H3) ja histonin 4 (H4) N-terminaalisten päätyjen lysiinien (K) asetylaatiot ja deasetylaatiot olivat aivan ensimmäisiä kromatiinimodifikaatioita, mitä on kuvattu. Tällaiset modifikaatiot ovat mitä tiukimmin säädeltyjä kahdella eri entsyymiryhmällä:  histoniasetyylitransferaaseilla (HATs) ja histonideasetylaaseilla (HDACs), siis histonin Ac- ryhmän asettajilla ja histonin Ac- ryhmän irrottajilla. Näiden aktiviteettien  välinen tasapaino on mitä merkittävin kromatiinin säätelyssä miljöömuutosten vasteissa.

Histonideasetylaasit (HDAC) vastaavat asetyyliryhmän poistosta epsilon-lysiinitähteistä (K)  ja ne jaetaan neljään ryhmään (luokat I-IV).

Histonideasetylaasiluokat I, II ja IV ovat hyvin läheistä sukua toisilleen rakenteen ja vaikutusmekanismien kannalta, kun taas luokka III käsittää SIR2-perheen eli sirtuiinit. Ja sirtuiinit taas  on määritelty hiivahomologinsa Sir2p perusteella ”hiljennetyn informaation säätelijä2” -hiivaproteiini. 

Siinä sirtuiinit ovat ainutlaatuisia histonideasetylaaseja, että ne vaativat tarkasti juuri NAD+ muotoista koentsyymi-kofaktoria. Tämän takia  ne ovat tärkeitä herkkiä sensoreita metabolian ja energian epätasapainosta koordinoidessaan solua pitämään yllä genomista integriteettiään. 

• The acetylation/deacetylation of different lysines (K) in the N‐terminal tails of histones H3 and H4 was among the first‐ever described chromatin modifications 1-4. These modifications are highly regulated by two different groups of enzymes, histone acetyl transferases (HATs) and histone deacetylases (HDACs), and the balance between these activities is paramount in chromatin regulation as a response to environmental changes 5, 6. HDACs are responsible for removing the acetyl group from ε‐lysine residues and have been divided into four groups (classes I–IV) 7. Classes I, II and IV are highly related in terms of structure and mechanism, whereas class III comprises the members of the Sir2 family (or sirtuins), defined by homology with the yeast protein silent information regulator 2 (Sir2p) 8. Sirtuins are unique among HDACs because they require NAD⁺ as enzymatic cofactor, which suggests that they are important sensors of metabolic and energy imbalance to coordinate cellular maintenance of genome integrity 9-13.

Sirtuiineja on ollut olemassa prokaryosyyteistä (esitumallisista, alkeistumaisista, tumattomista soluvaiheista) alkaen (siis noin 3.5- 3.8 miljardia vuotta) ja  esitumallisissa  ne näyttävät osallistuvan aineenvaihduntaan. Eukaryoottisia (tumallisia) soluja on ollut 2.1 miljardia vuota. Evoluution aikana sirtuiiniperhe on kasvanut funktionaalisemmaksi kompleksiksi ja siinä on enemmän rakenteellista diversiteettiä,  erilaisuuksien monipuolisuutta. 

Kaksi päätyyppistä stressiä aktivoi sirtuiinit:(1) ravinnon ja kalorien rajoitus, mikä on metabolisenergeettistä stressiä ja (2) genotoksinen stressi.

Sirtuiinit ovat aivan niitä ensimmäisiä entsyymejä, jotka pystyivät vastaamaan stressiin sekä tunnistus- että signalointitasolla ja ne ovat myös stressivasteen suoria vaikuttajia ( esimerkkinä kromatiiniin liittyvät funktiot): Niiden katalyyttinen ydin on konservoitunut domeeni, mutta ne eroavat solusijainniltaan, funktioiltaan ja substraateiltaan.

 Nisäkkäillä on seitsemän sirtuiinia (SIRT1-7) ja jokaisella on erilainen solusijainti.

• Sirtuins have been present since prokaryotes, where they seem to have been involved in metabolism. Over the course of evolution, the sirtuin family has grown to become more functionally complex and more structurally diverse. Sirtuins are activated by two major types of stress: metabolic/energy stress (nutrient and calorie restriction) and genotoxic stress.
• Sirtuins are among the very few enzymes that participate in stress response at both the sensing and signaling levels, and they are also direct effectors of stress response (e.g. chromatin‐associated functions). They share a conserved catalytic core domain but differ by cellular localization, functions and substrates. In mammals, seven sirtuins have been described (SIRT1–7) 14 to date, all of which exhibit different subcellular localizations.

SIRT1 on pääasiassa tumassa, vaikka se sukkuloi jatkuvasti tuman ja sytoplasman väliä.

SIRT2 on pääasiassa sytoplasmassa (solulimassa) ja sijoittautuu tumaan G2/M solusyklivaiheissa.

SIRT3, -4 ja -5 sijoittautuvat mitokondriaan, vaikka SIRT3 on pieneltä osaltaan havaittavissa normaaliolosuhteissa ( ei stressissä) myös tumassa.

SIRT6 on primääristi tumassa, nukleus.

ja SIRT7 sijoittautuu tumajyväseen, nucleolus.

• SIRT1 is mainly nuclear, although it constantly shuttles between nucleus and cytoplasm;
• SIRT2 is mainly cytoplasmic and localizes to the nucleus during G₂/M;
• SIRT3, SIRT4 and SIRT5 localize to the mitochondria, although a small fraction of SIRT3 can also be found in the nucleus under normal (i.e. non‐stress) conditions;
• SIRT6 is primarily nuclear; and
• SIRT7 is located in the nucleolus 10, 15.

Sirtuiinien kaksi erilaista entsyymiaktiivisuutta ovat:(1) NAD+:sta riippuvainen deasetylaasiaktiivisuus, joka on kaikilla SIRT1-7 ja sitten (2) niukemmin käsitetty mono-ADP-ribosyylitransferaasiaktiivisuus SIRT4- ja SIRT5- sirtuiineilla. 

Mielenkiintoinen tuore näyttö viittaa deasetyloivan aktiivisuuden saattavan olla osa laajemmasta yleisestä deasylaatioaktiivisuudesta. Siis ei vain etikkahappotähteen (asetyyli)- poistoa vaan monen muunkin happotähteen  (asyyli-)  poistoa. Kuitenkin näihin mennessä tätä deasyloivaa aktiivisuutta on kirjattu pääasiassa vain SIRT5:lle ja vähemmässä määrin SIRT6:lle ja nämä aktiviteetit ovat metabolisia  (Kommentti.  SIRT5 voi olla desuksinylaasi, demalonylaasi, deglutarylaasi, deacetylaasi, (Kumar, Lombard, 2018).

 Kuten edellä mainittiin vaikka sirtuiinit ovat histonideasetylaatioaktiivisuutensa (HDAC) kannalta epigeneettiselle säätelylle relevantteja, niillä on muitakin substraatteja kuin asetyloidut histonit. Todellakin on löytynyt laaja kirjo sirtuiinien ei-histoni-kohteita, sellaisia jotka ovat kromatiinin säätelyssä, DNA.n korjauksessa, solukohtalossa ja solusyklissä tärkeitä entsyymejä. Tämä substraattien laaja erilaisuus heijastaa sirtuiinien tärkeyttä soluvasteiden välittäjinä genomisen vakauden ylläpidossa.

• Furthermore, they also perform two different enzymatic activities: NAD⁺‐dependent deacetylase activity (SIRT1–7), and a poorly understood mono(ADP‐ribosyl)transferase activity (SIRT4 and 6) 9, 15-21.
• Interestingly, recent evidence suggests that the deacetylase activity might actually be part of a more general deacylase activity. However, to date, this activity has been reported principally in SIRT5 and, to a lesser extent, in SIRT6 and is apparently related to metabolism 22, 23. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29932920
• As we mentioned above, although sirtuins are relevant to epigenetic regulation through their HDAC activity, their substrates extend beyond histone targets. Indeed, a broad range of non‐histone targets has been identified for sirtuins, such as important enzymes involved in chromatin regulation, DNA repair, cell fate and the cell cycle. This substrate diversity reflects the importance of sirtuins as mediators of cellular response in the maintenance of genome stability 14, 24.