05-08-2023
Сиртуины (англ. sirtuins или Silent Information Regulator 2 proteins, SIR2) — семейство эволюционно консервативных НАД-зависимых белков, обладающих деацетилазной или АДФ-рибозилтрансферазной активностью. Название семейству дано в честь одного из представителей – дрожжевого белка SIR2. Сиртуины обнаружены у всех видов животных, от бактерий до млекопитающих, и вовлечены в регуляцию важных клеточных процессов и метаболических путей.
Сиртуины составляют третий класс гистоновых деацетилаз, требующий для протекания реакции НАД+ в качестве кофактора, что является принципиальным отличием от гистоновых деацетилаз классов I и II.
Ацетилирование белков регулирует множество клеточных процессов, таких, например, как белок-белковые взаимодействия, экспрессию генов. Обратимая реакция ацетилирования/деацетилирования белков по остаткам лизина осуществляется двумя ферментами с противоположными активностями – гистоновыми ацетилтрансферазами и гистоновыми деацетилазами, которые, несмотря на их названия, модифицируют как гистоны, так и остальные белки.
Гистоновые деацетилазы разделяются на три класса по гомологии к дрожжевым транскрипционным репрессорам. Классы I и II гистоновых деацетилаз имеют значительное сходство друг с другом и являются гомологами дрожжевых деацетилаз Rpd3p и Hda1p, соответственно. Третий класс гистоновых деацетилаз, который составляют сиртуины, гомологичен дрожжевому репрессору транскрипции Sir2, но не имеет никакой гомологии с первыми двумя классами деацетилаз.
Сиртуины найдены во всех организмах, от бактерий до эукариот, их последовательности достаточно консервативны. Семейство сиртуинов подразделяется на пять классов (I-IV и U); существует также деление и внутри некоторых классов. U-класс сиртуинов найден только у грамположительных бактерий. В геноме дрожжей закодировано пять сиртуинов, в геноме человека – семь, представителей классов I-IV[1]. SIRT1,2,6,7 млекопитающих находятся в ядре, SIRT1,2 – в цитоплазме, SIRT3,4,5 – в митохондриях, где они деацетилируют негистоновые белки в процессе регуляции различных метаболических процессов. Также есть различия в уровне экспрессии сиртуинов в разных тканях[2].
При проведении эксперимента с дрожжевыми клетками было замечено, что повышенная экспрессия белка, кодируемого геном Sir2, увеличивает число делений дрожжей[3]. В ходе дальнейших исследований было показано, что белок, кодируемый дрожжевым геном Sir2, не только регулирует экспрессию генов, используя эпигенетические механизмы (то есть меняя степень конденсации хроматина), но и непосредственно участвует в устранении повреждений ДНК. Были также получены доказательства того, что аналогичные процессы происходят и в клетках млекопитающих. Белок млекопитающих SIRT1 аналогичен продукту экспрессии дрожжевого гена Sir2. Ферменты со схожими функциями в разных организмах (дрожжах и мышах) позволяют предположить, что сиртуины задействованы в древнем механизме клеточного старения. В основе этого механизма лежит постепенная потеря способности сиртуинов справляться с обеими своими главными функциями. Первая заключается в том, что сиртуины, деацетилируя гистоны по остаткам лизина, способствуют конденсации хроматина и выключению тех генов, продукты которых в данный момент клетке не нужны или могут оказаться даже вредными. Вторая – в том, что сиртуины участвуют в устранении повреждений ДНК. При появлении таковых сиртуины перемещаются из мест первоначального расположения в места, где необходима их помощь в починке ДНК. Такие их перемещения повышают вероятность того, что гены, экспрессия которых подавлялась ранее сиртуинами, снова активируются. Как показало исследование, у молодых животных сиртуины успешно справляются с обеими функциями. Однако с возрастом в клетке накапливается больше повреждений, связанных, в основном, с увеличением количества свободных радикалов, из-за чего сиртуины переключаются, в основном, на починку ДНК. Как следствие, клетки начинают страдать от активации ненужных генов, что приводит к старению[4].
Сиртуины способствуют выживанию клеток несколькими способами:
NF-κB – универсальный транскрипционный фактор, контролирующий экспрессию генов, отвечающих за клеточное старение, иммунный ответ. SIRT6, связавшийся с субъединицей RELA фактора NF-κB, приближается к промоторам генов, экспрессию которых регулирует NF-κB, и там деацетилирует гистон H3 по девятому остатку лизина. Деацетилирование гистона способствует конденсации хроматина и, следовательно, ослабляет действие NF-κB. В клетках же с низким уровнем SIRT6 гиперацетилирование гистона H3 приводит к тому, что субъединица RELA более прочно связывается с промотором, NF-κB усиливает экспрессию генов с данного промотора, что приводит к клеточному старению и апоптозу[6]. Таким образом, SIRT6, ослабляя действие NF-κB, ингибирует тем самым клеточное старение.
NF-κB взаимодействует также и с SIRT1, который деацетилирует RELA-субъединицу NF-κB по остатку Lys 310, тем самым ослабляя NF-κB-сигнальный каскад. Амилоиды в клетках людей, страдающих болезнью Альцгеймера, усиливают ацетилирование RELA-субъединицы в микроглии мозга, активируя тем самым NF-κB. SIRT1 же деацетилирует NF-κB, защищая таким образом нейроны[7].
Сиртуины принимают участие в энергетическом метаболизме: с помощью таких посредников, как AMPK (АМФ-активируемая протеинкиназа) и киназы B1 печени, SIRT1 и SIRT3 регулируют соотношение АМФ/АТФ в клетке; SIRT1 также очень чувствителен к соотношению окисленной и восстановленной форм НАД, что важно для создания градиента протонов, который, в свою очередь, используется в реакции окислительного фосфорилирования при синтезе АТФ[5].
Также было показано, что SIRT3 активирует такие центральные регуляторы цикла трикарбоновых кислот, как глутаматдегидрогеназа и изоцитратдегидрогеназа. SIRT5 деацетилирует цитохром c, участвующий в метаболизме кислорода[8].
Сиртуины оказывают влияние и на метаболизм глюкозы. Когда концентрация глюкозы в клетке достаточно большая, PGC-1α – транскрипционнный коактиватор, регулятор генов, вовлеченных в метаболизм энергии, - находится в неактивном, ацетилированном состоянии. В ответ на понижение концентрации глюкозы SIRT1 деацетилирует PGC-1α. Его активация активирует процесс глюконеогенеза и подавляет гликолиз[9]. SIRT1 может воздействовать на PGC-1α также посредством AMPK, FOXO1, STAT3[9][10][11].
Также сиртуины играют важную роль в липидном обмене и образовании жировых клеток[5].
Никотинамид, как один из продуктов реакции, катализируемой сиртуинами, связывается с ферментом, ингибируя его[12]. Из этого можно сделать предположение, что химические вещества, которые конкурировали бы с никотинамидом за связывание с ферментом, могли бы повысить активность сиртуинов. Поиск соединений, которые специфично связывались бы в сайте связывания никотинамида, мог бы помочь при лечении рака, сердечнососудистых, нейродегенеративных, инфекционных заболеваний[13]. Имеет смысл также и поиск активаторов сиртуинов, которые предположительно, могли бы увеличить продолжительность жизни. Наиболее известным активатором является ресвератрол. Активно ведется разработка соединений, структурно похожих на ресвератрол, но обладающих большей активностью[14]. Разработаны аналоги ресвератрола, такие как SRT1720, SRT1460, SRT2183 и SRT2104, которые, по утверждениям некоторых исследователей, способны повысить среднюю (но не максимальную) продолжительность жизни и защитить от ряда возрастных заболеваний[15].
Сиртуины.