https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/febs.13053
Sirtuin-dependent epigenetic regulation in the maintenance of genome integrity
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.
- Tiivistelmä SIRTUIINIT ovat deasetylaasien perhe, jonka kohteinä on histoni- ja ei-histoniproteiineja ja jotka vaativat entsymaattiseen aktiivisuuteensa NAD+ kofaktoria. Tästä vaatimuksesta johtuen sirtuiineillä on herkkä kyky havaita metabolisia ja energiatasapainon muutoksia sekä kyky koordinoida soluvasteita pitämään yllä genomista stabiliteettia, vakautta. Täten sirtuiinit ovat ratkaisevia proteiineja miljöön ja genomin välisessä vuorovaikutuksessa ja solu- ja kudostasojen stressivasteissa.
- Sirtuiinit omaavat osaltaan tärkeää pääosaa genomisen integriteetin ylläpidossa osin epigeneettisiä mekanismeja säätelemällä. Ne kohdentavat erilaisiin asetyloituneisiin 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 , sopeutumisvastetta, 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 HDAC, histonideasetylaasio, histone deacetylase HMT, histonimetyylitransferaasi, histone methyltransferase 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 diphosphate Pol, RNApolymeraasi, RNA polymerase PRC, polykomp vaimentava kompleksi, polycomb repressive complex Sir2p, yeast protein silent information regulator 2 , hiivan Sir2
- Johdanto ( suomennosta) Introduction Histonin 3 (H3) ja histonin 4 (H4) N-terminaalisten päätyjen lysiinien (K) asetylaatiot (Ac liitos) ja deasetylaatiot (Ac poisto) olivat aivan ensimmäisiä kromatiinimodiikaatioita, 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 (Kja ne jaetaan neljään ryhmään (luokat I-IV). Histonideasetylaasiluokat (HDAC) I, II ja IV ovat hyvin läheistä sukua toisilleen rakenteen ja vaikutusmekanismien kannalta, kun taas luokka III käsittää SIR2-perheen eli sirtuiini lajin. Ja ne ovat määritelty hiivahomologinsa Sir2p perusteella: se on informaatiohiljennyksen säätelijä2” -hiivaproteiini.
- Sirtuiinit (SIRT) ovat ainutlaatuisia histonideasetylaaseja sikäli, että ne vaativat tarkasti juuri NAD+ muotoista koentsyymi-kofaktoria (eivätkä ole sinkistä Zn riippuvaisia kuin muut) Tällöin ne ovat tärkeitä herkkiä sensoreita metabolian ja energian epätasapainosta koordinoidessaan solua pitämään yllä genomista integriteettiä.
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)
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.
- Sirtuiineja esiintyy prokaryosyyteistä (esitumallisista, alkeistumaisista, tumattomista soluvaiheista) alkaen (siis evoluutiossa noin 3.5- 3.8 miljardia vuotta) ja niissä ne näyttävät osallistuvan aineenvaihduntaan. Eukaryoottisia (tumallisia) soluja on ollut 2.1 miljardia vuotta. Evoluution aikana sirtuiiniperhe on kasvanut funktionaalisemmaksi kompleksiksi ja siinä on enemmän rakenteellista diversiteettiä. Kaksi päätyyppistä stressiä aktivoi sirtuiinit:(1) ravinnon ja kalorien rajoitus, mikä on metabolisenergeettistä stressiä ja (2) genotoksinen stressi. Sirtuiinit olivat aivan niitä ensimmäisiä entsyymeitä, 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 eri sirtuiinit eroavat solusijainniltaan, funktioiltaan ja substraateiltaan. Nisäkkäillä on seitsemän sirtuiinia (SIRT1-7) ja jokaisella niistä on oma solusijaintinsa.
- • SIRT1 on pääasiassa tumassa, kuitenkin sukkuloiden jatkuvasti tuman ja sytoplasman väliä. SIRT2 on pääasiassa sytoplasmassa 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, nukleuksessa. ja SIRT7 sijoittautuu tumajyväseen, nucleolus.
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 fund in the nucleus under normal (i.e. non‐stress) conditions; • SIRT6 is primarily nuclear; and SIRT7 is located in the nucleolus have been described (SIRT1–7) to date, all of which exhibit different subcellular localizations.
- Sirtuiinien kaksi erilaista entsyymiaktiivisuutta ovat:(1) NAD+:sta riippuvainen deasetylaasiaktiivisuus, joka on kaikilla SIRT1-7 ja sitten (2) niukemmin käsitetty mono-ADP-ribosylitransferaasiaktiivisuus SIRT4 ja SIRT6- sirtuiineilla. Mielenkiintoinen tuore näyttö viittaa deasetyloivan aktiivisuuden saattavan olla osa laajemmasta yleisesta deasylaatioaktiivisuudesta. Siis ei vain etikkahappotähteen (Ac ,acetyl-) poistoa vaan monen muunkin (fundamentaalisen orgaanisen) happotähteen poistoa. Kuitenkin näihin mennessä tätä deasyloivaa aktiivisuutta on kirjattu pääasiassa vain SIRT5:lle ja vähemmässä määrin SIRT6:lle ja nämä aktiviteetit ovat (fundamentaali)metabolisia ( energeettismetabolisia, koskee TCA , trikarboksyylihapposykliä eli sitruunahappokiertoa, 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.
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.
Sirtuiinit ja genomin vakaus Sirtuins in genome stability.
- Varhaiseukaryooteista asti sirtuiinit ovat vahvasti osallistuneet pitämään yllä stressin aikaista genomista vakautta. Sirtuiinit ovat todellakin mahdollisesti ikivanhan alkuperänsä takia kirjaimellisesti katsoen pääteitten risteyksessä kontrolloimassa stessivastetta ja genomista stabiliteettia. Imettäväisissä tiedetään eräiden sirtuiinien osallistuvan genomisen vakauden ylläpitoon suoraan kromatiinisäätelyllä ja näitä ovat SIRT1,-2,-6,-7 ja vähemmässä määrin myös SIRT3. Mainitut sirtuiinit ovat monin tavoin mielenkiintoisia. Ensinnäkin nämä sirtuiinit auttavat säätelemään ja suojaamaan genomista organisoitumista, koska niillä on kriittinen osa solusyklin kontrollissa, kromatiinirakenteen dynamiikassa ja perustavan heterokromatiinin (CH) ylläpidossa. Toiseksi ne osallistuvat DNA-vaurion signalointiin ja korjaukseen eri tasoilla ja ovat ratkaisevia solukohtalon määräytymisessä. Enintä osllistumista DNA:n korjaukseen tiedetään olevan SIRT1 ja SIRT6- sirtuiineilla..
- Lopuksi: sirtuiinit ovat monissa stressivasteissä ylimpiä geeni-ilmentymän säätelijöitä.(MASTER REGULATORS), Geenin transkriptiota ne säätelevät kolmitasoisesti.
The mammalian sirtuins known to participate in genome stability maintenance directly through chromatin regulation are SIRT1, 2, 6, 7 and, to a lesser extent, SIRT3. They are interesting for various reasons. First, these sirtuins help regulate and protect genomic organization through critical roles in cell cycle control, chromatin structure dynamics and constitutive heterochromatin (CH) maintenance).
Second, they participate in signaling and repair of DNA damage at different levels and are crucial for determining cell fatE. The sirtuins known to have the greatest involvement in DNA repair are SIRT1 and SIRT6.
direct deacetylation of core histone marks in chromatin
modulation of the remaining chromatin machinery such as enzymes (e.g. HMTs and HATs) or structural factors (e.g. H1) .
regulation of transcription factor function via modulation of the binding ability, stability or transcriptional activity of these factors.
- Tällä tavalla sirtuiinit avustavat säätämään stressin useiden pääsäätelijöiden stressivasteen ilmenemisohjelmia. Tällaisia stressin mestarisäätelijöitä ovat transkriptiotekijät NF-kB, p53, HIF-1alfa, FOXOt, E2F1, PGC-1alfa ja HSF-1. Niissä olosuhteissa ja stressin ylittäessä tietyn keston tai intensiteettikynnyksen oli mielenkiintoista eräiden sirtuiinien kuten SIRT1:n ja ehkä SIRT6 :n edistämän fakultatiivisen heterokromatiinin (FH) muodostuminen näissä spesifisissä geeneissä. Kun fakultatiivinen heterokromatiini oli muodostunut , nämä alueet saattoivat pysyä epigeneettisesti hiljenneyttyinä tiiviistyneessä struktuurissa, kunnes stressi alkaa vähentyä. Sirtuiinin ilmenemä taas vuorostaan on tiukasti säätynyt erilaisilla transkriptiotekijöillä, joista usea osallistuu sirtuiinien säätelylliseen takaisinsyöttöön.
(Suomennosta)
13.7. 2018) Sirtuiinien histonikohteet Histone targets of sirtuins
Histoneilla on peptidipäädyt, N-terminaalit ja ne ovat aminohappoketjuja,joissa on useita aminohappotähde-lysiinejä (K). Nämä lysiinit voivat modifioitua eri tavoilla ja tehdä tunnusmerkkejä eri aineenvaihdunnallisissa järjestelmissä tarvittaville signaloinnelle. kuten genomin histoneissa. /
• Histoneja H4K16Ac ja H3K9Ac deasetyloivat sirtuiinit
- The H4K16Ac and H3K9Ac deacetylation activity of sirtuins H4K16Ac, lysiiniinsä K16 asetyloitunut histoni4. Sirtuiinin kromatiinifunktio on läheisesti liittynyt sen kykyyn säädellä näitä kahta histonitunnusmerkkiä, jotka ovat evoluution aikana vahvasti vakioituneet , konservoituneet ja niillä on hyvin tarkasti määrätyt tehtävät kromatiinirakenteen säätelyssä. Imettäväissirtuiineissa liittyvät SIRT1, -2 ja -3 toiminnallisesti H4K16Ac ja /tai H3K9Ac histoneihin. On raportoitu , että H4K16Ac estää korkeamman hierarkian kromatiinitiivistymisiä ja sen säätely on assosioitunut epigeneettisiin ilmiöihin evoluution aikana: ( esim. hiivassa , banaanikärpäsessä ja imettäväisgenomissa). Lisäksi H4K16Ac on linkitty solusyklin edistymisen säätelyyn, autofagiaan, transkriptioonsekä DNA:n korjaukseen ja replikoitumiseen. Lisäksi H4K16 hypoasetylaatio on ehdotettu yhdeksi syövän tunnusmerkiksi ja iän mukana H4K16-hypoasetylaatio vaikuttaa . lisääntyvän.
- H3K9Ac, lysiiniinsä K9 asetyloitunut histoni 3 Pääasiallinen seuraamus siitä, että H3K9Ac käy läpi deasetylaation, on siitä seuraava metylaatio, jolloin pääsee muodostumaan H3K9me2/3 muotoja, (K9-kohta saa lopulta 2 tai 3 metyyliä peräkkäin, dimetyloitutuu tai trimetyloituu. Tämä histonin metyloituminen taas on edellytys heterokromatiinin muodostumiseen, ja se on on konservoitunutta tapahtumaa varhaisesta amebasta ihmiseen saakka.
H4K16Ac has been reported to inhibit the formation of higher orders of chromatin compaction, and its regulation has be en associated with epigenetic phenomena throughout evolution: from silencing in Saccharomyces cerevisiae and X‐chromosome dosage compensation in Drosophila, to silencing in mammals. Furthermore, H4K16Ac has also been linked to cell cycle progression regulation, autophagy, transcription, and DNA repair and replication Moreover, H4K16 hypoacetylation has been proposed as a hallmark of cancer. and H4K16Ac levels have been shown to increase with age.
The main consequence of H3K9Ac undergoing deacetylation is that it is subsequently methylated to form H3K9me2/3, a prerequisite for heterochromatin formation that has been conserved from amoeba to humans .
- SIRT1 ilmentää vahvaa HDAC- aktiivisuutta koputkessa H4K16Ac- ja H3K9Ac -histoneja kohtaan, mikä on suoraan suhteessa sen kykyyn koordinoida CH ja FH heterokromatiinien muodostumista. RNA-interferenssitutkimukset ovat osoittaneet, että SIRT1-menetys korreloi yleiseen H4K16Ac ja H3K9Ac- histonitunnusten lisääntymiseen ja samalla hetrokromatiinitunnusten H3K9me3 ja H4K20me1 katoamisseen.
- Stressivastemekanismina SIRT1 edistää spesifisiin stressivasteisiin osallistuvien geenien hiljentämistä edistämällä fakultatiivisen heterokromatiinin (FH) muodostumista. Fakultatiivisen heterokromatiinin muodostumisen aikana SIRT1:n saapuminen kromatiinille johtaa H4K16Ac:n ja H3K9Ac:n deasetyloitumiseen ja tästä on suoraan linkki histonin H1 rekrytoimiseen. Sitten seuraa, että SIRT1 edistää H3K9me3 -muodostusta ( histonin 3:n trimetylaatiota) ja H4K2 0me1 muodostusta ( H4:n monometylaatiota) käsittelyssä olevan geenin koko koodaavan alueen pituudelta. Kuitenkin tunnetaan tarkempaa taustamekanismia vain H3K9me3 histonitunnusmerkin muodostumisesta. SIRT1 edistää trimetyloituneen histonin H3K9me3 muodostumista toiminnallisella suhteellaan SUV39H1 , entsyymiin, joka on tämän modifikaation aikaansaamisen pääentsyymi. Tutkijat pohtivat SIRT1:n ja SUV39H1:n välista funktionaalisesta suhdetta ja kirjoittavat tässä artikkelissa siitä myöhemmin yksityiskohtia. SIRT1 on kuvattu myös vaimennuskompleksin (repression complex) komponenttina, joka myös käsittää histoni H3K4:n demetylaasin LSD1/KDM1A ja se on fundamentaalinen nisäkkäiden kehityksessä ja tumorigeneesissä ja se deasetyloi H4K16Ac histonin ja demetyloi H3K4me1/2 histonin ja täten vaimentaa Notch-signalointitien hallitsemien geenien ilmenemistä.
Interestingly, SIRT1 has been described as a component of a repression complex that also includes the histone H3K4 demethylase LSD1/KDM1A, which is fundamental in mammalian development and tumorigenesis: it deacetylates H4K16Ac and demethylates H3K4me1/2 to repress expression of genes governed by the Notch signaling pathway.
- GeneCards: SUV39H1 encodes a histone lysine methyltransferase that writes the repressive H3K9me3 mark to promote epigenetic transcriptional silencing. This conserved nuclear enzyme contributes to constitutive heterochromatin formation at pericentric and telomeric regions, linking chromatin organization to stable repression of gene expression. It also participates in the maintenance of H3K9me3 after replication. The protein contains an N-terminal chromodomain and a C-terminal SET domain and localizes to the nucleus, nucleoplasm, chromosome, and heterochromatin. Through H3K9 trimethylation, SUV39H1 recruits HP1 proteins and guides DNA methylation, thereby reinforcing silent chromatin states. It also functions in the eNoSC complex during glucose starvation to mediate rDNA silencing and is recruited to circadian gene promoters to enforce repression. RNA expression is prominent in the hematopoietic system, male reproductive system, and hepatobiliary system. Pathogenic or dysregulated SUV39H1 activity is associated with cancer-related chromatin abnormalities, and loss of function disrupts heterochromatin formation with chromosome instability. The gene has been studied in cancer and other disease pathways, and its methylation activity is relevant to transcriptional and regulatory pathways. Chaetocin directly targets SUV39H1.
