Сиртуины

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 многих живых организмов, от бактерий до млекопитающих, и вовлечены в регуляцию важных клеточных процессов и метаболических путей.

Сиртуины составляют третий класс гистоновых деацетилаз, требующих для протекания реакции НАД⁺ в качестве кофактора, что является принципиальным отличием от гистоновых деацетилаз классов I и II.

Классификация

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. 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.

Катализируемые реакции

• В реакции деацетилирования, осуществляемой сиртуинами, выделяется три этапа:
  • Гидролиз НАД⁺ до АДФ-рибозы и никотинамида;
  • Отщепление ацетильной группы с остатка лизина в белке и образование деацетилированного белка;
  • Перенос ацетильной группы на АДФ-рибозу с образованием 2’-О-ацетил-АДФ-рибозы.

• Некоторые сиртуины обладают также монорибозилтрансферазной (моно-АДФ-рибозилтрансферазной активностью):

АДФ-рибоза переносится с НАД⁺ на белок-акцептор. Такая посттрансляционная модификация называется АДФ-рибозилированием. В ходе данной реакции образуется моно-АДФ-рибозилированный белок, и высвобождается никотинамид.

Биологическая роль сиртуинов

Сиртуины и старение

При проведении эксперимента с дрожжевыми клетками было замечено, что повышенная экспрессия белка, кодируемого геном Sir2, увеличивает число делений дрожжей. 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.

Сиртуины и клеточная смерть

Сиртуины способствуют выживанию клеток несколькими способами:

• Опухолевый супрессор p53 запускает апоптоз. SIRT1, деацетилируя p53, подавляет его транскрипционную активность, предотвращая тем самым апоптоз.
• Ku70, деацетилированный SIRT1 и SIRT3, связывает про-апоптотический митохондриальный фактор Bax, что ингибирует апоптоз.
• Поли(АДФ-рибоза)-полимераза (ПАРП) использует НАД⁺, что постепенно приводит к клеточной гибели; SIRT1 деацетилирует и ингибирует ПАРП.
• Деацетилирование HSF1 – транскрипционного фактора, защищающего клетки от теплового шока и неправильно свернувшихся белков, играет важную роль при выживании клеток в условиях теплового шока. SIRT1 деацетилирует HSF1, повышая его сродство к ДНК.
• SIRT1 деацетилирует транскрипционные факторы FOXO, индуцируя тем самым стресс-устойчивые белки, что приводит к тому, что клеточный цикл приостанавливается, а количество активных форм кислорода снижается.

Сиртуины и NF-κB

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. 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.

Роль сиртуинов в метаболизме

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.

Также было показано, что SIRT3 активирует такие центральные регуляторы цикла трикарбоновых кислот, как глутаматдегидрогеназа и изоцитратдегидрогеназа. SIRT5 деацетилирует цитохром c, участвующий в метаболизме кислорода.

Сиртуины оказывают влияние и на метаболизм глюкозы. Когда концентрация глюкозы в клетке достаточно большая, PGC-1α – транскрипционный 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. SIRT1 может воздействовать на PGC-1α также посредством AMPK, FOXO1, STAT3.

Также сиртуины играют важную роль в липидном обмене и образовании жировых клеток.

Клиническая значимость

Никотинамид, как один из продуктов реакции, катализируемой сиртуинами, связывается с ферментом, ингибируя его. 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. 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. 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.

См. также

• Клеточное старение
• Старение
• Деацетилазы гистонов

Отрывок, характеризующий Сиртуины

– Да, всё вперед, и на лугу вперед, и тут, – отвечал Ростов, поглаживая рукой своего взмылившегося донца.
– А я на французской, ваше сиятельство, – сзади говорил Лаврушка, называя французской свою упряжную клячу, – перегнал бы, да только срамить не хотел.
Они шагом подъехали к амбару, у которого стояла большая толпа мужиков.
Некоторые мужики сняли шапки, некоторые, не снимая шапок, смотрели на подъехавших. Два старые длинные мужика, с сморщенными лицами и редкими бородами, вышли из кабака и с улыбками, качаясь и распевая какую то нескладную песню, подошли к офицерам.
– Молодцы! – сказал, смеясь, Ростов. – Что, сено есть?
– И одинакие какие… – сказал Ильин.
– Развесе…oo…ооо…лая бесе… бесе… – распевали мужики с счастливыми улыбками.
Один мужик вышел из толпы и подошел к Ростову.
– Вы из каких будете? – спросил он.
– Французы, – отвечал, смеючись, Ильин. – Вот и Наполеон сам, – сказал он, указывая на Лаврушку.
– Стало быть, русские будете? – переспросил мужик.
– А много вашей силы тут? – спросил другой небольшой мужик, подходя к ним.
– Много, много, – отвечал Ростов. – Да вы что ж собрались тут? – прибавил он. – Праздник, что ль?
– Старички собрались, по мирскому делу, – отвечал мужик, отходя от него.
В это время по дороге от барского дома показались две женщины и человек в белой шляпе, шедшие к офицерам.
– В розовом моя, чур не отбивать! – сказал Ильин, заметив решительно подвигавшуюся к нему Дуняшу.
– Наша будет! – подмигнув, сказал Ильину Лаврушка.
– Что, моя красавица, нужно? – сказал Ильин, улыбаясь.
– Княжна приказали узнать, какого вы полка и ваши фамилии?
– Это граф Ростов, эскадронный командир, а я ваш покорный слуга.
– Бе…се…е…ду…шка! – распевал пьяный мужик, счастливо улыбаясь и глядя на Ильина, разговаривающего с девушкой. Вслед за Дуняшей подошел к Ростову Алпатыч, еще издали сняв свою шляпу.
– Осмелюсь обеспокоить, ваше благородие, – сказал он с почтительностью, но с относительным пренебрежением к юности этого офицера и заложив руку за пазуху. – Моя госпожа, дочь скончавшегося сего пятнадцатого числа генерал аншефа князя Николая Андреевича Болконского, находясь в затруднении по случаю невежества этих лиц, – он указал на мужиков, – просит вас пожаловать… не угодно ли будет, – с грустной улыбкой сказал Алпатыч, – отъехать несколько, а то не так удобно при… – Алпатыч указал на двух мужиков, которые сзади так и носились около него, как слепни около лошади.
– А!.. Алпатыч… А? Яков Алпатыч!.. Важно! прости ради Христа. Важно! А?.. – говорили мужики, радостно улыбаясь ему. Ростов посмотрел на пьяных стариков и улыбнулся.
– Или, может, это утешает ваше сиятельство? – сказал Яков Алпатыч с степенным видом, не заложенной за пазуху рукой указывая на стариков.
– Нет, тут утешенья мало, – сказал Ростов и отъехал. – В чем дело? – спросил он.
– Осмелюсь доложить вашему сиятельству, что грубый народ здешний не желает выпустить госпожу из имения и угрожает отпречь лошадей, так что с утра все уложено и ее сиятельство не могут выехать.
– Не может быть! – вскрикнул Ростов.
– Имею честь докладывать вам сущую правду, – повторил Алпатыч.
Ростов слез с лошади и, передав ее вестовому, пошел с Алпатычем к дому, расспрашивая его о подробностях дела. Действительно, вчерашнее предложение княжны мужикам хлеба, ее объяснение с Дроном и с сходкою так испортили дело, что Дрон окончательно сдал ключи, присоединился к мужикам и не являлся по требованию Алпатыча и что поутру, когда княжна велела закладывать, чтобы ехать, мужики вышли большой толпой к амбару и выслали сказать, что они не выпустят княжны из деревни, что есть приказ, чтобы не вывозиться, и они выпрягут лошадей. Алпатыч выходил к ним, усовещивая их, но ему отвечали (больше всех говорил Карп; Дрон не показывался из толпы), что княжну нельзя выпустить, что на то приказ есть; а что пускай княжна остается, и они по старому будут служить ей и во всем повиноваться.
В ту минуту, когда Ростов и Ильин проскакали по дороге, княжна Марья, несмотря на отговариванье Алпатыча, няни и девушек, велела закладывать и хотела ехать; но, увидав проскакавших кавалеристов, их приняли за французов, кучера разбежались, и в доме поднялся плач женщин.
– Батюшка! отец родной! бог тебя послал, – говорили умиленные голоса, в то время как Ростов проходил через переднюю.
Княжна Марья, потерянная и бессильная, сидела в зале, в то время как к ней ввели Ростова. Она не понимала, кто он, и зачем он, и что с нею будет. Увидав его русское лицо и по входу его и первым сказанным словам признав его за человека своего круга, она взглянула на него своим глубоким и лучистым взглядом и начала говорить обрывавшимся и дрожавшим от волнения голосом. Ростову тотчас же представилось что то романическое в этой встрече. «Беззащитная, убитая горем девушка, одна, оставленная на произвол грубых, бунтующих мужиков! И какая то странная судьба натолкнула меня сюда! – думал Ростов, слушяя ее и глядя на нее. – И какая кротость, благородство в ее чертах и в выражении! – думал он, слушая ее робкий рассказ.
Когда она заговорила о том, что все это случилось на другой день после похорон отца, ее голос задрожал. Она отвернулась и потом, как бы боясь, чтобы Ростов не принял ее слова за желание разжалобить его, вопросительно испуганно взглянула на него. У Ростова слезы стояли в глазах. Княжна Марья заметила это и благодарно посмотрела на Ростова тем своим лучистым взглядом, который заставлял забывать некрасивость ее лица.
– Не могу выразить, княжна, как я счастлив тем, что я случайно заехал сюда и буду в состоянии показать вам свою готовность, – сказал Ростов, вставая. – Извольте ехать, и я отвечаю вам своей честью, что ни один человек не посмеет сделать вам неприятность, ежели вы мне только позволите конвоировать вас, – и, почтительно поклонившись, как кланяются дамам царской крови, он направился к двери.
Почтительностью своего тона Ростов как будто показывал, что, несмотря на то, что он за счастье бы счел свое знакомство с нею, он не хотел пользоваться случаем ее несчастия для сближения с нею.
Княжна Марья поняла и оценила этот тон.
– Я очень, очень благодарна вам, – сказала ему княжна по французски, – но надеюсь, что все это было только недоразуменье и что никто не виноват в том. – Княжна вдруг заплакала. – Извините меня, – сказала она.
Ростов, нахмурившись, еще раз низко поклонился и вышел из комнаты.


– Ну что, мила? Нет, брат, розовая моя прелесть, и Дуняшей зовут… – Но, взглянув на лицо Ростова, Ильин замолк. Он видел, что его герой и командир находился совсем в другом строе мыслей.
Ростов злобно оглянулся на Ильина и, не отвечая ему, быстрыми шагами направился к деревне.
– Я им покажу, я им задам, разбойникам! – говорил он про себя.
Алпатыч плывущим шагом, чтобы только не бежать, рысью едва догнал Ростова.
– Какое решение изволили принять? – сказал он, догнав его.
Ростов остановился и, сжав кулаки, вдруг грозно подвинулся на Алпатыча.
– Решенье? Какое решенье? Старый хрыч! – крикнул он на него. – Ты чего смотрел? А? Мужики бунтуют, а ты не умеешь справиться? Ты сам изменник. Знаю я вас, шкуру спущу со всех… – И, как будто боясь растратить понапрасну запас своей горячности, он оставил Алпатыча и быстро пошел вперед. Алпатыч, подавив чувство оскорбления, плывущим шагом поспевал за Ростовым и продолжал сообщать ему свои соображения. Он говорил, что мужики находились в закоснелости, что в настоящую минуту было неблагоразумно противуборствовать им, не имея военной команды, что не лучше ли бы было послать прежде за командой.
– Я им дам воинскую команду… Я их попротивоборствую, – бессмысленно приговаривал Николай, задыхаясь от неразумной животной злобы и потребности излить эту злобу. Не соображая того, что будет делать, бессознательно, быстрым, решительным шагом он подвигался к толпе. И чем ближе он подвигался к ней, тем больше чувствовал Алпатыч, что неблагоразумный поступок его может произвести хорошие результаты. То же чувствовали и мужики толпы, глядя на его быструю и твердую походку и решительное, нахмуренное лицо.
После того как гусары въехали в деревню и Ростов прошел к княжне, в толпе произошло замешательство и раздор. Некоторые мужики стали говорить, что эти приехавшие были русские и как бы они не обиделись тем, что не выпускают барышню. Дрон был того же мнения; но как только он выразил его, так Карп и другие мужики напали на бывшего старосту.
– Ты мир то поедом ел сколько годов? – кричал на него Карп. – Тебе все одно! Ты кубышку выроешь, увезешь, тебе что, разори наши дома али нет?
– Сказано, порядок чтоб был, не езди никто из домов, чтобы ни синь пороха не вывозить, – вот она и вся! – кричал другой.
– Очередь на твоего сына была, а ты небось гладуха своего пожалел, – вдруг быстро заговорил маленький старичок, нападая на Дрона, – а моего Ваньку забрил. Эх, умирать будем!
– То то умирать будем!
– Я от миру не отказчик, – говорил Дрон.
– То то не отказчик, брюхо отрастил!..
Два длинные мужика говорили свое. Как только Ростов, сопутствуемый Ильиным, Лаврушкой и Алпатычем, подошел к толпе, Карп, заложив пальцы за кушак, слегка улыбаясь, вышел вперед. Дрон, напротив, зашел в задние ряды, и толпа сдвинулась плотнее.
– Эй! кто у вас староста тут? – крикнул Ростов, быстрым шагом подойдя к толпе.
– Староста то? На что вам?.. – спросил Карп. Но не успел он договорить, как шапка слетела с него и голова мотнулась набок от сильного удара.
– Шапки долой, изменники! – крикнул полнокровный голос Ростова. – Где староста? – неистовым голосом кричал он.
– Старосту, старосту кличет… Дрон Захарыч, вас, – послышались кое где торопливо покорные голоса, и шапки стали сниматься с голов.
– Нам бунтовать нельзя, мы порядки блюдем, – проговорил Карп, и несколько голосов сзади в то же мгновенье заговорили вдруг:
– Как старички пороптали, много вас начальства…
– Разговаривать?.. Бунт!.. Разбойники! Изменники! – бессмысленно, не своим голосом завопил Ростов, хватая за юрот Карпа. – Вяжи его, вяжи! – кричал он, хотя некому было вязать его, кроме Лаврушки и Алпатыча.
Лаврушка, однако, подбежал к Карпу и схватил его сзади за руки.
– Прикажете наших из под горы кликнуть? – крикнул он.
Алпатыч обратился к мужикам, вызывая двоих по именам, чтобы вязать Карпа. Мужики покорно вышли из толпы и стали распоясываться.
– Староста где? – кричал Ростов.
Дрон, с нахмуренным и бледным лицом, вышел из толпы.
– Ты староста? Вязать, Лаврушка! – кричал Ростов, как будто и это приказание не могло встретить препятствий. И действительно, еще два мужика стали вязать Дрона, который, как бы помогая им, снял с себя кушан и подал им.
– А вы все слушайте меня, – Ростов обратился к мужикам: – Сейчас марш по домам, и чтобы голоса вашего я не слыхал.
– Что ж, мы никакой обиды не делали. Мы только, значит, по глупости. Только вздор наделали… Я же сказывал, что непорядки, – послышались голоса, упрекавшие друг друга.