Leta i den här bloggen

torsdag 23 maj 2019

Vassilopoulos: Sirtuiinit ja ESC, HSC kantasolut



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 siihen asti kunnes  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 osuus 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 embryonaalisen 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  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 (HSC)

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



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‐KithighSca‐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‐KithighSca‐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 hematopoieettisen 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 Sirt6fl/fl Vav‐Cre mice for hematopoietic‐specific deletion, a pIpC‐inducible mouse model (Sirt6fl/fl Mx1‐Cre), and Sirt6fl/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 (UPR)  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 transplantaatio-olosuhteissa 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). 


    SIRTUIINIFUNKTIOT  ja mekanimsi kantasoluissa. Taulukko1  .
    Sirtuin Action Mechanism Cells/Tissue References
    SIRT1 Maintenance of stemness Mitochondrial translocation of p53 maintains Nanog expression ESC Han et al. (2008)
    SIRT1 Maintenance of stemness Component of PRC4 represses developmental genes ESC Kuzmichev et al. (2005)
    SIRT1 Maintenance of stemness ROS elimination, FOXO activation, and inhibition of p53 HSC Matsui et al. (2012)
    SIRT1 Promotes differentiation Interacts with N‐CoR to block Notch‐Hes1 signaling NSC Hisahara et al. (2008)
    SIRT2 Promotes differentiation Negatively regulates GSK3β ESC Si et al. (2013)
    SIRT3 Maintenance of stemness Required for HSC self‐renewal at old age, related to oxidative stress HSC Brown et al. (2013)
    SIRT6 Promotes differentiation Regulates acetylation of H3K56 and H3K9 at Oct4 and Sox2 promoters ESC Etchegaray et al. (2015)
    SIRT6 Maintenance of stemness Represses Wnt target genes by interacting with LEF1 and deacetylating histone 3 HSC Wang et al. (2016)
    SIRT7 Maintenance of stemness Regulates UPRmt and NRF1 HSC Mohrin et al. (2015)

    Artikkelissa on otsikko  "Sirtuins and stem cells"

    Embryonic stem cells (ESC) and development  (sivulla 1208-1209)

    Hematopoietic Stem Cells (HSC)   (sivulla  1209-10).

Upplagd av kl.
Etiketter:

Inga kommentarer:

Skicka en kommentar

Prenumerera på: Kommentarer till inlägget (Atom)