(7) Seitsemän sirtuiinin merkityksestä genomin vakaudessa.(ss1750-2) SIRT1 ja entsyymi SUV39H1 (Vaquero 2014)

Sirtuiinit ja epigeneettinen mekanismi (sivulta 1750-2)

  https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/febs.13053#febs13053-bib-0011

Kuten yllä mainittiin sirtuiinit ovat evoloituneet säätelemään kromatiinidynamiikan ja epigeneettisen säätelyn pääentsyymeitä varmistaen genomin suojelun. Kuitenkin sirtuiinit ovat myös hyvin olennaisesti linkkiytyneet ei-entsymaattisiin epigeneettisen koneiston komponentteihin. Tässä kappaleessa pohditaan sirtuiinien interaktioita sekä entsymaattisten että ei-entsymaattisten komponenttien kanssa. 

Kuva 2: Sirtuiinit säätelevät epigeneettistä koneistoa . Sirtuiinit säätelevät genomin stabiliteettia osittain  spesifisten kromatiiniin assosioituneitten tekijöiden modulaatiolla  ja hyvin moninaisissa  prosessiyhteyksissä.  Kaavakuva antaa yhteenvedon tunnetuista sirtuiinien ja joidenkin tällaisten tekijöiden välisistä vuorovaikutuksista - vasemmalla stressittömässä ja oikella stressinalaisessa tilassa.

• Sirtuins and epigenetic machinery

As we mentioned above, sirtuins have evolved to regulate major enzymes involved in chromatin dynamics and epigenetic regulation to ensure genome protection. However, sirtuins are also intricately linked to non‐enzymatic components of epigenetic machinery. In this section, we discuss interaction of sirtuins with enzymatic as well as non‐enzymatic components (Fig. 2).

Figure 2

Open in figure viewerPowerPoint

Sirtuins regulate chromatin machinery function. Sirtuins regulate genome stability in part through modulation of specific chromatin‐associated factors and in the context of a wide variety of processes. The cartoon summarizes known interplays between sirtuins and some of these factors in non‐stressed (left part of the cartoon) or stressed conditions (right part of the cartoon, in brown background).

Metyylitransferaasi SUV39H1

Tämä on eräs tärkeä metyylitransferaasi SIRT1:n säätelemässä heterokromatiinissa

SUV39H1 oli ensimmäinen tärkeä metyylitransferaasi, joka on kuvattu. Se on erittäin spesifinen H3K9me3:lle. Se on tärkein imettäväisissä tavattu H3K9me3 -metyylitransferaasi.

Se vaikuttaa osaltaan kromatiinin organisoitumiseen pitämällä yllä trimetyloitunutta histonia H3K9me3 sekä perisentromeeriseerisessä että telomeerisessä konstitutiivisessa heterokromatiinissa (CH). Jos puuttuu SUV39H1 ja sen läheinen variantti SUV39H2 hiiressä, seuraa täydellinen

perisentromeerisen heterokromatiinin kato ja myös telomeerien H3K9me3-pitoisuudet laskevat. Tämä kato käsittää heterokromatiiniproteiinin 1 (HP1) siirtymisen pois paikaltaan ja H4K16Ac sijoittuu heterokromaattisiin kohtiin, mikä laskee heterokromatiinipitoisuutta. Seurauksena kummankin entsyymin puutteesta hiirellä ilmenee kompromittoitunutta kromatiinin segrekaatiota, viivästynyttä G2/M- transitiota ja vaurioitunutta DNA.ta.

• SUV39H1: an important methyltransferase in heterochromatin regulated by SIRT1

• SUV39H1 was the first lysine methyltransferase ever described. It is highly specific for H3K9me3; in fact, it is the most important H3K9me3 methyltransferase in mammals 114.

It contributes to chromatin organization by maintaining H3K9me3 in both pericentromeric and telomeric CH 111, 115. Loss of both SUV39H1 and its close variant SUV39H2 in mice results in complete loss of H3K9me3 in pericentromeric heterochromatin as well as reduced H3K9me3 levels in telomeres 115. Importantly, this loss involves delocalization of HP1 and relocalization of H4K16Ac to heterochromatic foci, which result in diminished heterochromatin levels 27. Consequently, mice lacking both enzymes exhibit compromised chromatin segregation, delayed G₂/M transition and damaged DNA 27.

Entsyymit SIRT1 , SUV39H1 ja histoni H3K9

Kuten aiemmin mainittiin SIRT1 edistää fakultatiivisen heterokromatiinin muodostusta koordinoimalla useita tapahtumia muiden entsyymien kanssa. Esimerkiksi - koska sillä on funktionaalista suhdetta SUV39H1:n kanssa - se edistää vaimennusmerkitsijän H3K9me3 levittäytymistä. Ensiksi SIRT1 deasetyloi H3K9Ac:n ja tekee sen kykeneväksi metyloitumaan SUV39H1:n avulla. Lisäksi SIRT1 rekrytoi suoraan SUV39H1:n spesifisiin säätelyllisiin alueisiin. Tämä interaktio käsittää SIRT1:n N-terminaalisen domeenin ( joka myös osallistuu H1 linkkihistonin rekrytoimiseen) ja SUV39H1:n ensimmäiset 88 aminohappotähdettä , jotka ympäröivät HP1:tä sitovan alueen (aminohapot 1-44) ja kromodomeenin (44-88). Lisäksi SIRT1 deasetyloi SUV39H1:n lysiiniin K266 sen katalyyttisessä SET-domeenissa , mikä tekee entsyymin vielä aktiivimmaksi.

K266 on konservoitunut evoluution kuluessa eukaryosyyttisissä SUV39H1- ortologeissa ja useissa SET-domeenin sisältävissä metyylitransferaaseissa. Vaikka K266-funktio pysyy edelleen

tuntemattomana , rakenteellisissa tutkimuksissa se sijoittuu SET-domeenin esillä olevaan kohtaan , joka on tärkeä entsyymin asianmukaiselle laskostumiselle.

Näin SIRT1 tekee interaktion SUV39H1:n kanssa, rekrytoi, deasetyloi ja aktivoi sitä lisää. Tämä SUV39H1:n lisäaktivaatio johtaa repressiivisen H3K9me3:n vahvistuneisiin pitoisuuksiin, mikä edistää HP1- heterokromatiiniproteiinin siirtymistä pois paikaltaan.

• As we mentioned earlier, SIRT1 promotes formation of FH by coordinating several events together with other enzymes. For instance, through its functional relationship with SUV39H1, it promotes spreading of the repressive mark H3K9me3. First, SIRT1 deacetylates H3K9Ac to enable methylation of this residue by SUV39H1. Moreover, SIRT1 directly recruits SUV39H1 to specific regulatory regions. This interaction involves the N‐terminal domain of SIRT1 (which is also involved in recruitment of H1 28) and the first 88 residues of SUV39H1, which encompass the HP1 binding region (residues 1–44) and the chromodomain (residues 44–88) (Fig. 2). Furthermore, SIRT1 deacetylates SUV39H1 at residue K266 in its catalytic SET domain, rendering the enzyme more active. K266 has been conserved over evolution in eukaryotic SUV39H1 orthologs as well as in numerous SET‐containing methyltransferases. Although the function of K266 remains unknown, structural studies suggest that it is located in an exposed loop of the SET domain that is important for proper folding of the enzyme 116. Thus, SIRT1 interacts with, recruits and deacetylates SUV39H1, thereby making it more active. This increase in SUV39H1 activity in turn leads to augmented levels of H3K9me3. Consequently, loss of SIRT1 strongly affects SUV39H1‐dependent H3K9me3 levels, thereby promoting delocalization of HP1.

Eräs tärkeä esimerkki SIRT1- ja SUV39H1 -entsyymien välisestä ko-operaatiosta fakultatiivisen heterokromatiinin säätelyssä tapahtuu eNoSC-proteiinikomplesissa, joka tunnistaa energiatilanteen ja kontrolloi nukleolaarista rRNA-transkriptiota .

Tämä eNoSC käsittää SIRT1:n, SUV39H1:n ja H3K9me2-sitovan proteiinin nukleometyliinin ja vastaa rRNA-lokuksen hiljentämisestä kontrolloimalla ribosomin biosynteesiä ravintotekijöiden tai energian vajeessa. Katso kuva:  http://jcb.rupress.org/content/181/5/714.1

Ribosomaalisen DNA:n (rDNA) lokuksen säätely on ratkaiseva, koska sen hyvin repetitiivinen eli toistava luonne on altis homologisen rekombinaation tapahtumille, jotka johtavat vaurioittaviin kromosomaalisiin uudelleenjärjestäytymisiin. Senmukaisesti tämä  eNoSC-kompleksi tarjoaa säätelyllistä linkkiä solun energiatasapainon ja rRNA-lokuksen epigeneettisen tilanteen keskinäsieen suhteuttamiseen: rDNA hiljentäminen säästää nälkätilassa olevia soluja

• An important example of cooperation between SIRT1 and SUV39H1 in FH regulation occurs in the protein complex eNoSC, which senses energy status and controls nucleolar rRNA transcription. eNoSC contains SIRT1, SUV39H1 and the H3K9me2‐binding protein nucleomethylin and is responsible for silencing the rDNA locus by controlling ribosome biosynthesis under nutrient or energy deficiency 117.
• Regulation of the rDNA locus is crucial, as its highly repetitive nature is prone to homologous recombination events which lead to damaging chromosomal rearrangements. Accordingly, this complex provides a regulatory link between cellular energy balance and the epigenetic state of the rDNA locus 117.

Tämä SIRT1:n ja SUV39H1:n keskeiset toiminnot ulottuvat laaejmmalle kuin fakultatiivisen heterokromatiinin säätelyyn. Sirtuiinien joukossa SIRT1 on mahdollisesti ainoa, joka osallistuu pitämään yllä konstitutiivista heterokromatiinia (CH) perisentromeerisen heterokromatiinin ja telomeerien alueella huolimatta siitä tosiasiasta että se joko ei esiinny tai esiintyy vain matalassa pitoisuudessa perisentromeerisen heterokromatiinin kohdissa. 

Mielenkiintoinen asia on että lähes 50% hiiren alkion Sirt1-/- fibroblasteista ilmentää alentuneita H3K9me3 pitoisuuksia CH-kohdissa ja tämä trendi korreloi HP1alfan vialliseen sijaintiin ja heterokromatisoituneen gamma-satelliitin vaimentuman poistumiseen (derepressioon)

• The interplay between SIRT1 and SUV39H1 extends beyond regulation of FH. Among sirtuins, SIRT1 is probably the one that is most involved in maintaining CH in pericentromeric heterochromatin as well as telomeric regions, despite the fact that it is either absent or present at very low levels in pericentromeric heterochromatin foci 27 
• Interestingly, approximately 50% of Sirt1^−/− MEFs exhibit diminished levels of H3K9me3 in the CH foci, a trend that correlates with mislocalization of HP1α 27 and derepression of the heterochromatinized γ‐satellite 33.

Sen mukaisesti SIRT1 transfektiolla näihin soluihin palautuu H3K9ne3 pitoisuudet perisentrisiin kohtiin. Kaikki julkaistu tieto viittaa siihen, että vahvin linkki SIRT1:n ja konstitutiivisen heterokromatiinin (CH) kesken todennäköisesti johtuu SIRT1:n funktionaalisesta sukulaisuudesta SUV38H1-entsyymin kanssa. Tosiasiassa onkin SUV39H1 näyttänyt osallistuvan oksidatiivisen stressin soluvasteeseen SIRT1:stä riippuvalla mekanismilla: SUV39H1:n kromodomaanissa SIRT1 estää SUV39H1;n polyubikitinoitumisen E3-ubikitiiniligaasilla MDM2 ja SUV39H1 välttää proteosomisilppurikohtalon ja päinvastoin stabiloituu lähes nelinkertaisesti. In vivo, tämä SUV39H1-pitoisuuksien lisääntyminen kiihdyttää SUVH39H1 vaihtuvuutta perisentromeerisen heterokromatiinin alueilla, mikä osaltaan vaikuttaa genomin suojaa. Täten , in vivo, oksidatiivisen ja metabolisen stressin tilat , jotka johtavat SIRT1:n ylössäätymiseen, aiheuttavat SIRT1:stä riippuvaa lisääntymistä SUV39H1-pitoisuuksissa; havainto , joka viittaa genomisen stabiliteetin mekanismina stressivasteen ja heterokromatiinistruktuurissa ilmenevän SUV39H1-dynamiikan välisen suoran linkin olemassaoloon.

• Accordingly, SIRT1 transfection in these cells recovers the levels of H3K9me3 in the pericentric foci 27. All the published data suggest that the strongest link between SIRT1 and CH probably results from the functional relationship of the former with SUV39H1. In fact, SUV39H1 has been shown to participate in cellular response to oxidative stress through a SIRT1‐dependent mechanism: in the chromodomain, SIRT1 inhibits polyubiquitination of SUV39H1 by the E3 ubiquitin ligase MDM2, thereby preventing its subsequent proteasomic degradation and increasing the stability of SUV39H1 by nearly four times (Fig. 2). In vivo, this increase in SUV39H1 levels accelerates turnover of SUV39H1 in pericentromeric heterochromatin regions, which contributes to genome protection.
• Thus, in vivo, oxidative and metabolic stress conditions that lead to SIRT1 upregulation cause a SIRT1‐dependent increase in SUV39H1 levels – a finding that suggests a direct link between stress response and SUV39H1 dynamics in heterochromatin structure as a mechanism of genome stability 33.

Löytö SIRT1:n ja SUV39H1:n välisestä läheisestä funktionaalisesta sukulaisuudesta viittasi näiden entsyymiryhmien välisiin vielä läheisempiin säätelyihin, mitä aiemmin oli käsitettykään.

Todella tämän keksinnön jälkeen on kuvattu ja laajalti tutkittu muitakin funktionaalisia suhteita näiden luokkien entsyymien kesken

• The finding of a close functional relationship between SIRT1 and SUV39H1 suggested a more intimate regulation between these groups of enzymes than previously understood. Indeed, since its discovery, other functional relationships between enzymes of these classes have been described and extensively studied. 
  
  
  Kuva: rDNA;n  hiljentäminen säästää  ravinnon- ja energian puutteesa olevia  soluja  
   http://jcb.rupress.org/content/181/5/714.1