<<
>>

Сиртуины

Белки семейства SIR2 (silent information regulator 2), имеющие коллективное название «сиртуины», представляют со­бой консервативные в эволюции деацетилазы гистонов, модули­рующие продолжительность жизни и стресс-ответ у дрожжей, чер­вей, мух и млекопитающих (Fabrizio et al., 2005а; Zhang et al.,

2007) .

Белки SIR2 обнаруживаются повсеместно, от архебактерий до человека. Согласно аминокислотной последовательности ко­рового домена, принимающего непосредственное участие в деаце- тилазной активности, семейство SIR2 классифицируют на пять групп: классы с I по IV и V. Деацетилазы, отвественные за долго­жительство, за редким исключением относятся к классу I (Kusama et al., 2006).

У дрожжей SIR2 необходим для поддержания репликативной продолжительности жизни, а увеличение дозы гена sir2 замедляет репликативное старение. Дополнительные копии увеличивают про­должительность репликативной жизни на 40 % одновременно со снижением количества рекомбинантной рДНК и уровня накопле­ния экстрахромосомных ДНК-колец.

Напротив, делеция sir2 су­щественно снижает репликативную продолжительность жизни. В то же время потеря sir2 наряду с ограничением калорийности и(или) мутациями в дрожжевых гомологах akt, sch9 или ras вызы­вают существенное увеличение хронологической продолжитель­ности жизни. Инактивация SIR2 вызывает поглощение и катабо­лизм этанола, а также стимуляцию многих генов стресс-ответа и споруляции. Таким образом, эффект SIR2 для хронологической и репликативной продолжительности жизни дрожжей противополо­жен (Fabrizio et al., 2005а).

SIR2 был охарактеризован как регулятор репрессии хромати­на (сайленсинга) путем модификации гистонов (Baumeister et al., 2006). Сайленсинг — это процесс, посредством которого целые участки хромосом, охватывающие блоки генов, оказываются транс- крипционно неактивными (Guarente, Kenyon, 2000).

SIR2 играет ключевую роль не только в формировании молчащего хроматина, но и в стабильности генома через участие в репарации двухцепо­чечных разрывов ДНК путем негомологичного соединения кон­цов. Он также стимулирует асимметричное наследование окси- дативно поврежденных белков при цитокинезе. Активность SIR2 необходима материнской клетке дрожжей для удержания карбо- нилированных белков при делении клетки, предотвращая их рас­пределение в дочерние клетки (Fabrizio et al., 2005а). Наконец, SIR2 у дрожжей участвует в регуляции митоза и мейоза (Kusama et al., 200б).

SIR2 относится к классу гистоновых деацетилаз, являющихся ЫДО+-зависимыми. Он деацетилирует гистоны H3 и H4 (Bitterman et al., 2003). Его сходство с белком SIRT1 человека предполагает, что он может быть вовлечен в деацетилирование лизиновых остат­ков белков (Baumeister et al., 2006).

У дрожжей гетерохроматинизация теломер и локусов типа скрещивания на хромосоме III зависит от активности комплекса белков SIR2/3/4. Вероятно, эти белки служат для минимизации возможности рекомбинации между теломерными повторами (Bitterman et al., 2003). Причинная связь между сайленсингом и старением клеток дрожжей была найдена при идентификации му­тации sir4-42, перенаправляющей комплекс SIR2/3/4 с теломер, а также локусов HM к участкам генома, кодирующим рибосо- мальную РНК (рДНК). В норме это происходит в старых мате­ринских клетках. SIR2 опосредует сайленсинг рДНК даже при от­сутствии других SIR. Увеличение сайленсинга рДНК под дейст­вием SIR2 увеличивает продолжительность жизни путем снижения рекомбинации и повышения стабильности генома. По количест­ву SIR2 на рДНК можно предсказать продолжительность жизни дрожжевой клетки (Guarente et al., 1998; Guarente, Kenyon, 2000). SIR2 является антагонистом FOB1 (см. разд. 2.2.1). Делеция fobl увеличивает продолжительность жизни, снижая рекомбинацию рДНК и формирование экстрахромосомных кольцевых рДНК (Kae- berlein et al., 2005а, 2005с). Сверхэкспрессия гена SIR2 на фоне делеции fobl не приводит к дальнейшему увеличению продолжи­тельности жизни, что свидетельствует в пользу предположения, что нарушение регуляции экстрахромосомных кольцевых рДНК служит механизмом старения клетки дрожжей (Kaeberlein et al., 2004).

SIR2 способен проявлять активность АДФ-рибозилтрансфе- разы, использующей NAD+ в качестве донора. Эта особенность является универсальным свойством данного фермента от бакте­рий до млекопитающих (Guarente, Kenyon, 2000). Таким образом, деацетилирование под действием SIR2 происходит в результате реакции, протекающей с потреблением NAD+ и образованием О- ацетил-АДФ-рибозы и никотинамида. Разложение никотинами-да предшествует переносу ацетильной группы. Никотинамид яв­ляется ингибитором SIR2-деацетилирования как in vitro, так и in vivo (Kaeberlein et al., 2005b, 2005c). Благодаря NAD+^ависи- мости SIR2 определяет энергетическое и окислительное состояние клетки и изменяет свою активность в соответствии с ним. Меха­низм синтеза NAD+ является критичным для активности SIR2. До­бавочная копия гена синтеза NAD+ — nptl увеличивает продолжи­тельность жизни дрожжей на 60 %, а также вызывает умолкание прителомерных областей и рДНК, притом что сам уровень NAD+ поддерживается в норме. Ген pncl, кодирующий никотинамидазу, увеличивает репликативную продолжительность жизни дрожжей на 70 % SIR2-зависимым способом. Возможно, это механизм, ко­торый связывает активность SIR2 и снижение калорийности пита­ния, являющееся ключевым среди продлевающих жизнь воздейст­вий (Bitterman et al., 2003).

Таким образом, некоторые факты свидетельствуют о связи увеличения продолжительности жизни в ответ на ограничение ка­лорийности пищи с высокой активностью SIR2 (Cohen et al., 2004; Kaeberlein et al., 2004; Balaban et al., 2005). Однако в случае мута­ций генов sir2 или nptl продления жизни посредствам ограни­чения калорийности питания не происходит (Guarente, Kenyon, 2000). Эти данные привели к появлению модели, согласно кото­рой ограничение потребления калорий активирует SIR2, что вызы­вает снижение накопления экстрахромосомных кольцевых рДНК и увеличение продолжительности жизни. Многие предполагают, что долгожительство в результате ограничения калорийности пи­щи является следствием метаболического сдвига, который имеет результатом увеличение концентрации NAD+, служащего субстра­том SIR2-зависимого деацетилирования гистонов.

Однако были предложены еще две конкурирующие модели, по которым SIR2 индуцируется (Kaeberlein et al., 2004) снижением количества ни­котинамида (продукта-ингибитора SIR2) и истощением клеточно­го NADН (конкурентного ингибитора SIR2). Имеется и диамет­рально противоположная точка зрения, согласно которой SIR2 и ограничение калорийности в клетках дрожжей действуют раз­ными путями. В группе Кеберлейна было показано, что комби­нация сверхэкспрессии SIR2 и ограничение калорийности пищи приводят к аддитивному эффекту увеличения продолжительности жизни, что соответствует независимым путям (Kaeberlein et al., 2004). Делеция SIR2 в комбинации с ограничением калорийности и мутациями в механизме сигналинга глюкозы вызывает значи­тельное (6-кратное) увеличение хронологической продолжитель­ности жизни. Механизм такого долгожительства состоит в том, что клетки, потерявшие деацетилазу SIR2, активируют фермент Adh2, истощающий внеклеточный этанол, в противном случае вы­зывающий апоптотическую гибель дрожжевой клетки (Fabrizio et al., 2005а).

Итак, каким образом SIR2 влияет на продолжительность жиз­ни дрожжей ? Один из путей состоит в том, что старение запускает­ся постепенным нарушением сайленсинга и генетической дестаби­лизацией. Второй вариант предполагает SIR2-обусловленн ответ клетки на снижение питательных веществ путем репрессии генов, ускоряющих ее старение (Guarente, Kenyon, 2000).

У нематод поиск посттрансляционных модификаторов DAF-16 позволил идентифицировать белок SIR-2.1, являющийся членом сиртуинового семейства NAD+-зависимых деацетилаз. Трансген­ная экспрессия sir-2.1 увеличивает продолжительность жизни Caenorhabditis elegans на 50 % (Baumeister et al., 2006). Он при­надлежит к классу I семейства SIR2. Остальные три SIR2-ro- добных белка нематоды, принадлежащих к классам II и IV, не влияют на продолжительность ее жизни (Kusama et al., 2006). У C. elegans SIR-2.1 влияет на продолжительность жизни, по-ви­димому, двумя разными путями: один из них является DAF-16-за- висимым, тогда как другой определяется репрессией генов стресс­ответа в эндоплазматической сети (например, гена прионопо­добного белка abu-11).

Последний вариант не требует функции DAF-16, однако регулируется растительным фенолом резвератро- лом (Viswanathan et al., 2005; Baumeister et al., 2006). В то же вре­мя, потеря daf-16 подавляет продление жизни, вызванное сверх­экспрессией гена SIR-2.1. Таким образом, DAF-16 является глав­ной мишенью SIR-2.1. По-видимому, SIR-2.1 действует выше киназы AGE-1 или одновременно с каноническим сигнальным DAF-2/AGE-1/AKT-1-каскадом. Экспрессия генов белков с WD- доменом, скрамблазы, копина, белка фертильности самцов зависит одновременно от DAF-16 и SIR-2.1 (Hamilton et al., 2006). Как и DAF-16, SIR-2.1 приводит к увеличению продолжи­тельности жизни через активацию транскрипционного фактора CEH-18. Наконец, у нематод, как и у дрожжей, SIR-2.1 может ре­гулировать продолжительность жизни и путем модификации гло­бальной или локальной хроматиновой структуры (Hamilton et al., 2006).

Для SIR-2.1-индуцируемой трансактивации DAF-16 необходи­мы белки 14-3-3. В результате теплового стресса SIR-2.1 может связываться с DAF-16 14-3-3-зависимым образом. В то же время низкий уровень инсулинового сигналинга не стимулирует взаимо­действие SIR-2.1/DAF-16. Таким образом, SIR-2.1 и 14-3-3 регули­руют активность DAF-16, минуя инсулиновый путь. Это стресс-за- висимый механизм активации DAF-16 и долгожительства, совер­шенно независимый от инсулинового сигналинга. У нематоды в качестве SIR-2.1-связывающих партнеров идентифицированы два 14-3-3-белка, кодируемых генами ftt-2 и par-5. Сверхэкспрессия SIR-2.1 увеличивает транскрипцию DAF-16-зависимого гена супер- оксиддисмутазы sod-3. Делеция ftt-2 подавляет SIR-2.1-зависимую стрессоустойчивость и активацию sod-3. РНК-интерференция ге­нов par-5 или fit-2 блокирует опосредованное SIR-2.1 продление жизни (Berdichevsky et al., 2006). Кроме того, SIR-2.1 необходим для возникновения независимого от инсулинового сигналинга долгожительства в ответ на ограничение диеты (calory restriction) (Wang, Tissenbaum, 2006).

Анализ на основе транспозонов в качестве маркеров локу­сов количественных признаков, участвующих у нематод в обес­печении гетерогенности популяции по продолжительности жиз­ни, привел к картированию локуса на хромосоме IV.

Примерно в этом районе расположена активная копия гена sir-2.1 (Ayyadevara et al., 2003). Таким образом, SIR-2.1 может участвовать в естест­венном внутрипопуляционном варьировании продолжительности жизни.

Пять SIR2-подобных белков дрозофил принадлежат к различ­ным классам семейства SIR2: CG5216 (dSIR2, класс k), CG5085 (класс 16), CG3187 (класс II), CG6284 (класс ГУа), CG11305 (класс IV6). Наиболее близкий гомолог SIR2 дрожжей — dSIR2 выполняет у дорозофил функцию ЫАО+-зависимой деацетилазы гистонов и участвует в обеспечении эффекта положения и гетеро­хроматинового сайленсинга (polycomb-зависимого сайленсинга). Продолжительность жизни нулевых мутантов dSIR2 снижается. Повсеместное подавление экспрессии dSIR2 и двух SIR2-подоб- ных генов (CG5085 и CG6284) методом интерференции РНК яв­ляется летальным, тогда как ее подавление только в нейронах сни­жает продолжительность жизни (Kusama et al., 2006). Напротив, увеличение активности dSIR2 у дрозофилы продлевает жизнь. В высоких концентрациях он обнаруживается в ядрах нейронов, в ядрах и цитоплазме клеток жирового тела. Сверхэкспрессия гена dSIR2 преимущественно в нервной ткани на стадии личинки уве­личивает среднюю продолжительность жизни самцов и самок со­ответственно на 20 и 52 % (Rogina, Helfand, 2004).

У дрозофил эффект низкокалорийного питания, так же как у нематод и дрожжей, связан с экспрессией в нейронах гена деацети- лазы dSIR2, а снижение активности dSIR2 подавляет увеличение продолжительности жизни у мух, живущих на обедненной диете (Bauer et al., 2005). Стоит отметить, что транскрипция SIR2 у дол­гоживущих мух с мутацией гена другой деацетилазы — rpdS и у нормальных мух на низкокалорийной диете увеличивается (Ro- gina, Helfand, 2004).

У млекопитающих имеются семь членов семейства SIR2, од­нако наиболее близок этому дрожжевому белку фермент SIRT1 (Giannakou, Partridge, 2004). Экспрессия SIRT1 индуцируется у крыс под действием ограничения калорийности диеты, так же как в клетках человека, обработанных сывороткой голодных живот­ных. Инсулин и IGF-1 ослабляют этот ответ. Мыши, питающиеся обедненной диетой (60 % обычного питания), характеризуются высокой экспрессией SIRT1 во многих тканях, включая мозг, вис­церальные скопления жировой ткани, почки и печень (Cohen et al., 2004). SIRT1 у млекопитающих взаимодействует со многими бел­ками, включая транскрипционные факторы, такие как p53, PPARy и NF-кВ, и транскрипционные кофакторы, такие как p300 и CBP (рис. 5) (Berdichevsky et al., 2006).

Повышенная активность SIRT1 через деацетилирование по­давляет p53/FOXO3/Bax-зависимый апоптоз в клетках млекопи­тающих в ответ на оксидативный стресс и радиацию (Giannakou, Partridge, 2004; Fabrizio et al., 2005). Коиммунопреципитация по­казывает, что SIRT1 и белок репарации ДНК Ku70 способны взаи-

Рис. 5. Роль SIRT1 в защите клетки млекопитающих от стресса.

модействовать между собой. Сверхэкспрессия гена SIRT1 снижает уровень ацетилирования Ku70, причем именно по тем остаткам лизина, которые важны для связывания Ku70 с Bax. В результа­те блокируется высвобождение проапоптозного фактора Bax из митохондрий, что ингибирует стресс-индуцированную апоптоти- ческую гибель клетки. Действительно, при обработке клеток рез- вератролом (агонистом SIRT1) или в результате сверхэкспресии SIRT1 Bax-индуцированный апоптоз подавляется (Cohen et al., 2004). SIRT1 также входит в состав ядерных телец, формируемых белком промиелоцитарной лейкемии (PML). Здесь SIRT1 связы­вает и деацетилирует p53, что подавляет р53-зависимую актива­цию транскрипции. SIRT1 препятствует PML-индуцированному ацетилированию p53 и избавляет клетки от опосредованного PML преждевременного старения.

Таким образом, деацетилаза SIRT1 является новым репрес­сором функции p53, модулирующим клеточное старение (Langley et al., 2002). Эксперименты на млекопитающих продемонстриро­вали, что деацетилирование посредством SIRT1 необходимо для изменения активности транскрипционного фактора FOXO (Bau­meister et al., 2006). Это приводит как к репрессии, так и к актива­ции транскрипции различных генов-мишеней FOXO (Berdichevs­ky et al., 2006). SIRT1 локализован в ядре, а в присутствии фак­торов роста клетки и при отсутствии стресса FOXO3 находится в цитоплазме. Как уже упоминалось выше (см. разд. 3.2), ассо­циация FOXO3 и 4 с деацетилазой SIRT1 возрастает в условиях стресса. SIRT1 деацетилирует FOXO3 и FOXO4 ЫЛБ+-зависимым образом. В клетках, подвергнутых различным стрессам, включая оксидативный, FOXO3 перемещается в ядро, где он может взаимо­действовать с SIRT1. SIRT1-зависимое деацетилирование FOXO подавляет экспрессию генов апоптоза (bim, Fas-лиганда), однако усиливает экспрессию генов репарации (GADD45) и антиокси­дантной защиты (Mn-Sod). Следовательно, SIRT1 может увеличи­вать продолжительность жизни путем изменения опосредуемых FOXO эффектов, при этом происходит замена клеточной гибели на клеточное выживание (Giannakou, Partridge, 2004). SIRT1 по­давляет также терминальную дифференцировку делящихся мио­цитов, связываясь с pCAF — кофактором myoD. Таким образом, SIRT1 содействует выживанию и делению клеток при стрессе или при воздействии сигналов терминальной дифференцировки (Motta et al., 2004).

Как SIRT1 активируется в ответ на стресс? Сенсор окисли­тельно-восстановительного потенциала клетки млекопитающих — транскрипционный корепрессор CtBP при снижении интенсив­ности гликолиза перестает связываться с HIC1 — ингибитором транскрипции гена SIRT1. По-видимому, CtBP регулируется нико- тинамидадениндинуклеотидами (NAD+ и NADH). Это приводит к снижению репрессии и активации транскрипции гена SIRT1 и может быть одним из механизмов регуляции SIRT1 в ответ на ограничение диеты (Zhang et al., 2007).

Мыши с нокаутом SIRT1 характеризуются фенотипом высокой эмбриональной и постнатальной летальности. Гомозиготы редко выживают, они имеют малые размеры и стерильны. У SIRTl-му­тантов происходит гиперацетилирование р53 и наблюдается повы­шенный уровень апоптоза, по крайней мере тимоцитов и сперма- тогониев (Motta et al., 2004). Умеренная сверхэкспрессия гена SIRT1 в сердце мыши задерживает возрастзависимое увеличение сердечной гипертрофии, апоптоза и фиброза, сердечной дисфунк­ции и экспрессии маркеров старения. Во взрослом сердце обыч­ных мышей уровень SIRT1 значительно (в 4—8 раз) возрастает в ответ на повышенное кровяное давление и оксидативный стресс (Alcendor et al., 2007).

Другие представители сиртуинов у млекопитающих, SIRT2 и SIRT3, обладают деацетилазной активностью, но являются цито­плазматическими белками с функциями, отличными от ySIR2 (Mostoslavsky et al., 2006). SIRT6 — ядерный белок, связанный с хроматином. Он стимулирует устойчивость к повреждению ДНК и подавляет нестабильность генома в клетках мышей, а также играет роль в эксцизионной репарации оснований. Мыши с дефицитом SIRT6 имеют малые размеры и в возрасте 2—3 недель проявляют нарушения, включающие лимфопению, потерю подкожного жира, лордокифоз и дефекты метаболизма. Они обычно умирают в воз­расте 4 недель. Таким образом, роль SIRT6 состоит в стимуляции эксцизионной репарации ДНК, а его потеря приводит к наруше­ниям, подобным наблюдаемым при старение-ассоциированных дегенеративных процессах (Mostoslavsky et al., 2006).

Известен целый ряд малых молекул, изменяющих фермента­тивную активность сиртуинов. Уже упоминались никотинамид, продукт реакции деацетилирования SIR2 и NAD^ которые слу­жат мощными ингибиторами деацетилазы SIR2 in vivo. Однако наибольшее внимание привлекает резвератрол (3,4',5-тригидро- ксистилбен), который активирует каталитическую активность SIR от дрожжей до млекопитающих (Viswanathan et al., 2005). Этот по­лифенольный компонент (фитоалексин) из красного вина замед­ляет старение у эукариотов и является потенциальным миметиком ограничения калорийности пищи. Резвератрол имеет широкий спектр эффектов: проапоптозные, фунгицидные, антиоксидант­ные. Однако прежде всего он является активатором сиртуинов, что можно рассматривать как механизм его действия в качестве фак­тора антистарения. Резвератрол служит субстрат-специфическим активатором как SIR2 у дрожжей, так и SIRT1 у человека и уве­личивает деацетилирование р53 под действием SIRT1 в 13 раз. Резвератрол умеренно продлевает жизнь дрозофил и нематод в присутствии SIR2 ортологов (dSIR2 и SIR-2.1). Однако, согласно исследованиям группы Кеберлейна, у дрожжей он не оказывает за­метного влияния на активность SIR2 in vivo, определяемую по ре­комбинации рДНК, по транскрипционному подавлению актив­ности прителомерных генов и по продолжительности жизни (Kae-

berlein et al., 2005b).

Каков альтернативный механизм действия развератрола? Ана­лиз экспрессии генов червей, обработанных этим веществом, показывает транскрипционную индукцию семейства генов, коди­рующих прионоподобные глутамин/аспарагин-богатые белки, во­влеченные в стресс-ответ эндоплазматической сети на денатури­рованные белки. РНК-интерференция abu-11, члена этого семей­ства генов, отменяет продление жизни, вызванное резвератролом, а сверхэкспрессия abu-11 увеличивает продолжительность жиз­ни трансгенных животных. Таким образом, резвератрол продле­вает жизнь через ингибирование SIR-2.1-опосредованной репрес­сии генов стресс-ответа эндоплазматической сети (Viswanathan et al., 2005). Резвератрол вызывает разнообразные биологические эффекты и у позвоночных, включая защиту от ишемии мозга. Он оказывает противоопухолевое и антивоспалительное воздей­ствие in vitro и in vivo, ингибирует митохондриальные АТФазы у грызунов. У короткоживущей сезонной рыбки Nothobranchius fur- zeri резвератрол, добавляемый в пищу начиная с ранней зрелости, вызывает дозазависимое увеличение медианной и максимальной продолжительности жизни (до 30 %) как у самцов, так и у самок. Наконец, резвератрол задерживает у них угасание локомоторной активности и познавательной деятельности и снижает выражен­ность нейрофибриллярной дегенерации мозга. Однако анализ тра­ектории смертности этих животных может свидетельствовать о герметическом действии резвератрола: в то время как смертность в раннем возрасте после обработки увеличивается, затем она сни­жается (Valenzano et al., 2006).

Таким образом, сиртуины, эволюционно консервативные бел­ковые деацетилазы, в ответ на стрессовые воздействия подав­ляют проапоптозную функцию транскрипционных факторов р53 и FOXO, а также дерепрессируют гены стресс-ответа эндоплазма-тической сети, способствуя выживаемости клетки и увеличению продолжительности жизни.

<< | >>
Источник: Москалев А. А.. Старение и гены. — СПб.: Наука,2008. — 358 с.. 2008

Еще по теме Сиртуины:

  1. Коллектив авторов. Медицинская помощь на судах, 2002. — 111 с., 2002
  2. ГЛАВА 1 ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРВОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ПОМОЩИ НА СУДАХ
  3. ГЛАВА 2 ОСНОВЫ АНАТОМИИ И ФИЗИОЛОГИИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
  4. 2.1. ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
  5. 2.2. СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТАЯ СИСТЕМА
  6. 2.3. СИСТЕМА ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ
  7. 2.4. ПИЩЕВАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
  8. 2.5.  СИСТЕМА МОЧЕВЫДЕЛЕНИЯ
  9. 2.6.  СИСТЕМА ПОЛОВЫХ ОРГАНОВ
  10. 2.7.  НЕРВНАЯ СИСТЕМА
  11. 2.8.  ОРГАНЫ ЧУВСТВ
  12. 2.9.  КОЖА
  13. ГЛАВА 3 ПЕРВАЯ ПОМОЩЬ ПРИ НЕСЧАСТНЫХ СЛУЧАЯХ
  14. 3.1.  ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОКАЗАНИЯ ПЕРВОЙ ПОМОЩИ
  15. 3.2.  АСЕПТИКА И АНТИСЕПТИКА
  16. 3.3 РАНЫ
  17. 3.4. ЛЕЧЕНИЕ РАН