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(Last modification: 25. October 2010)
Sirtuine: Arrangement der Seiten
Sirtuin-Übersicht: Struktur, Enzymaktivitäten, Funktionen Anmerkung: Das meiste dieser Zusammenfassung wurde aus drei excellenten Reviews extrahiert: Michan and Sinclair (2007), Alcaín and Villalba (2009a, 2009b); dazu kamen einige neuere Zitate.
Die Zahl der Publikationen über Sirtuine ist riesig, und nimmt jeden Tag zu. Es wäre deshalb vergeblich, hier einen Versuch zu einer umfassenden Darstellung zu machen. Die oben zitierten Übersichtsartikel sind sehr gut, obwohl einiges in ihnen vermutlich bereits beim Schreiben dieser Seite überholt ist (Anfang November 2009). Die Zusammenfassung hier wird nicht die physiologischen Rollen der Sirtuine beschreiben; dies sollte das Privileg der Spezialisten in diesem Arbeitsgebiet sein. Ich möchte einfach eine Übersicht über die Proteine im Menschen geben, ihre Enzymaktivitäten, und ich möchte kurz auf die Rolle der Sirtuine in den Vorteilen einer "Niedrig-Kalorien-Diät" eingehen. Sirtuine wurden zuerst in Hefe beschrieben, unter verschiedenen Bezeichnungen. Schon die ersten Untersuchungen zeigten, dass die Proteine wichtige Funktionen im Stoffwechsel haben, im Zell-Zyklus, und bei der sexuellen Vermehrung dieser "einfachen" Organismen. Das zuerst entdeckte Protein wurde als Sir2 bezeichnet, die Abkürzung von "silent information regulator". Spätere Studien zeigten, dass Sir2 ein Mitglied einer grossen Proteinfamilie ist, die in allen Organismen vorkommen, d.h. nicht nur in Pilzen (Hefe ist ein Pilz), sondern auch in Bakterien, Pflanzen, und Tieren (Frye, 2000). Die Proteine dieser Familie werden jetzt allgemein als "Sirtuine" bezeichnet. Die Sirtuine haben grosses Interesse auf sich gezogen, weil die letzten Jahre gezeigt haben, dass sie in allen höheren Tieren (also auch im Menschen) eine immense Bedeutung für Gesundheit und langes Leben haben. Die Tabelle 1 gibt eine einfache Übersicht über die Proteine im Menschen und ihre Aktivitäten.
Menschliche Sirtuine (SIRT): Übersicht über die Proteine, Isoformen, Enzymaktivitäten, und Lokalisierung in den Zellen. [Prinzip der Tabelle von Michan und Sinclair (2007), aber verändert und ergänzt].
Menschen enthalten sieben Mitglieder dieser Familie. Allen gemeinsam ist eine konservierte katalytische Kern-Domäne von etwa 275 Aminosäuren, aber sonst können sie sehr unterschiedlich in der Grösse sein. Wenn man sich die Datenbasen anschaut, ist die Lage nicht so einfach wie in einigen älteren Übersichten dargestellt: Einige der Gene können Protein-Isoformen exprimieren, die entweder durch alternative Start-Codone (SIRT1, SIRT2) entstehen, oder durch alternative Splice-Vorgänge (SIRT3, SIRT5). Die Tabelle enthält auch Links zu den Proteinsequenzen, falls Sie sich die selbst ansehen wollen. Anmerkenswert: Die Sequenzdateien enthalten eine ganze Menge nützlicher Zitate. Es ist wichtig, dass die Lokalisierung in den Zellen sehr unterschiedlich sein kann: Einige sind im Zellkern, eines kann in Zellkern und Cytoplasma sein (SIRT1), eines ist meist im Cytoplasma, wurde aber auch im Zellkern gefunden (SIRT2), und drei scheinen ausschliesslich in den Mitochondrien zu sein. Ganz so strikt sollte man diese Zuordnungen jedoch nicht sehen, denn die Verteilung kann im Detail der Gewebe/Zellen komplizierter sein. Die Enzymaktivitäten sind auch interessant: Sie sind entweder Deacetylasen (DAC) oder Mono-ADP-Ribosyltransferases (ART) oder beides. Beide sind streng abhängig von NAD+. Sie sind in Fig. 1 zusammengefasst. Etwas erstaunlich: Die Enzymaktivitäten von SIRT7 in vitro sind anscheinend noch nicht aufgeklärt, obwohl es in vivo definitiv Funktionen hat. Es ist bemerkenswert, dass viele der Untersuchungen nur die DAC-Aktivitäten berücksichtigen, und in manchen Reviews werden die Proteine summarisch als Deacetylasen bezeichnet.
Enzymaktivitäten der menschlichen Sirtuine. Diese Proteine haben entweder Deacetylase (DAC) oder mono-ADP-ribosyl transferases (ART) Aktivitäten, oder beides. Beide Reaktionen sind streng abhängig von NAD+. Es ist nicht sicher, ob die ART-Aktivitäten enzymatisch oder nicht-enzymatisch sind: Mehr... Siehe Michan und Sinclair (2007) für eine Übersicht (Zitat am Ende dieser Seite).
Was ist so interessant an diesen Reaktionen, abgesehen von der ungewöhnlichen Biochemie? Das hat etwas zu tun mit der Tatsache, dass sie an wichtigen Regulations-Prozessen in den Organismen beteiligt sind. Die wichtigsten sind vermutlich die Funktionen, die mit Gesundheit und langem Leben zu tun haben. Wenigstens einer dieser Aspekte soll hier zusammengefasst werden, ohne Anspruch auf Vollständigkeit.
Die guten
Auswirkungen einer "Niedrig-Kalorien-Diät":
Sirtuine spielen dabei vermutlich eine entscheidende Rolle Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass die Mechanismen sehr alt, wohl-konserviert, und in verschiedenen Organismen ziemlich ähnlich sind. Andere Berichte kommen jedoch zu dem Schluss, dass die Effekte einer solchen Diät nicht universell sind, sondern artspezifisch (Mockett et al., 2006), und sie zitieren die Hausfliege (Musca domestica) als Beispiel dafür, dass eine Hungerdiät nicht lebensverlängernd wirken muss (Cooper et al., 2004). Eine neuere Studie untersuchte die Konsequenzen der Niedrig-Kalorien-Diät bei männlichen Mäusen, auf einer sehr breiten Basis, einer "microarray expression data analysis" (Estep et al., 2009). Die Ergebnisse zeigten, das eine solche Diät die Expression von mehr als 3000 Genen veränderte, in vielen Fällen sogar 10- bis 50-fach. Eine der generellen Schlussfolgerungen: Es sah so aus, als ob das Muster der Gen-Expression sich in Richtung dessen verschob, was für weibliche Mäuse typisch ist (die länger leben!). Ob man solche Resultate wohl mit Begeisterung auf den Menschen übertragen wird? Ein paar neuere Übersichtsartikel über "calorie restriction and aging" sind hier: Mehr... Eine Rolle für Sirtuine in der Niedrig-Kalorien-Diät wurde zuerst in Hefe gezeigt (Kaeberlein et al., 1999; Lin et al., 2000; Anderson et al., 2003). Vergleichbare Resultate wurden jedoch auch mit vielzelligen Organismen erhalten. Zum Beispiel, der Nematode Caenorhabditis elegans (ein Modell-Organismus für Entwicklungs-Studien: Wikipedia) mit einer Chromosomen-Dupikation mit einer zweiten Kopie von sir-2 (dem Sirtuin mit der grössten Ähnlichkeit mit dem Hefe sir2), lebte bis zu 50% länger als die normalen Würmer (Tissenbaum and Guarente, 2001; Wang and Tissenbaum, 2006). Ganz vergleichbare Ergebnisse erhielt man mit Drosophila (Rogina and Helfand, 2004), und es gibt starke Hinweise, dass dies auch für Säugetiere gilt (siehe z.B. Cohen et al., 2004; Bordone et al., 2007; Pfluger et al., 2008). Man sollte jedoch auch festhalten, dass nicht alle Wissenschaftler damit einverstanden sind, dass Sirtuin-Funktionen immer "gut" sind: Es gibt gute Hinweise darauf, dass Sirtuine nicht nur Effekte haben, die vor Altern schützen: Sie können es unter Umständen auch beschleunigen (eine Übersicht: Longo, 2009). Sehen Sie sich auch diese Seiten an: Sirtuin-Aktivatoren und Sirtuin-Inhibitoren.
Ich möchte hier einen Kommentar einfügen, aus einer Arbeit, welche Ende 2008 publiziert wurde (Kaeberlein, 2008, mit Erlaubnis des Autors) So what’s the ‘‘take-home message’’ from all this? Is more SirT1 good, or is less SirT1 good? The answer, as is often the case in biology, is that there’s no simple answer. Activating SirT1 is probably a good thing in some cells under some conditions and is probably a bad thing in other cells under other conditions. SirT1 activators may be good for diabetes but may cause cancer due to p53 inhibition, SirT1 inhibitors may protect against cancer but cause metabolic disease, and there is evidence supporting the idea that both activators and inhibitors of SirT1 can confer protection against neurodegeneration in different contexts. The one thing that seems clear is that sirtuin activators are unlikely to be a ‘‘magic bullet’’ for aging. A more realistic hope is that, as we continue to unravel the complexities of sirtuin biology, targeted activation or inhibition of SirT1—and perhaps other sirtuins as well—will prove therapeutically useful toward a subset of age-associated diseases. Such an achievement would be a huge step forward in the transition of aging-related science from the laboratory to the clinic, and we eagerly await the next chapter in the unfolding saga that is sirtuin biology. Sehen Sie sich auch einige Kommentare an, in den Seiten über Sirtuin-Aktivatoren (mehr...) und Sirtuin-Inhibitoren (mehr...)
Anmerkungen zu den ADP-Ribosylierungsaktivitäten (ART)
Diese Aktivitäten der Sirtuine scheinen ein wenig unklar. Zum Beispiel, das Hefe
Sirtuin Sir2, der Prototyp der Sirtuine: Die erste beschriebene Aktivität war
die der ART (Tanny
et al., 1999), lange bevor die biologisch relevante Deacetylase-Aktivität (DAC)
entdeckt wurde. Das gleiche passierte offensichtlich mit SIRT6 aus Säugetieren:
Es wurde zuerst als ART definiert, und zeigte keinerlei Aktivität mit den
Standard-Substraten der DAC
(Liszt
et al., 2005);
es ist gar nicht so lange her, dass man herausfand, dass es sehr wohl eine DAC
ist, aber nur mit einem ganz bestimmten Substrat (Lysin 9 in Histon H3)
(Michishita
et al., 2008;
Kawahara
et al., 2009).
Der kritische Fall ist SIRT4,
eines der drei mitochondrialen Sirtuine.
Haigis et
al. (2006) beschrieben, dass SIRT4 keine DAC-Aktivität hat, aber
NAD+
dazu verwendet, eine ADP-Ribosylierung der Glutamat-Dehydrogenase durchzuführen
(GDH, das Enzym desaminiert Glutamat zu Oxoglutarat), und die ADP-Ribosylierung
wurde auch von anderen gefunden
(Ahuja
et al., 2007).
Wie auch immer das endgültige Ergebnis sein wird: ADP-Ribosylierung von Proteinen kennt man schon lange, und sie spielt einige wichtige Rollen in Stoffwechsel: Mehr.... Es ist wichtig, zu wissen, ob die ART-Aktivitäten der Sirtuine wirklich enzymatisch sind und auch in vivo stattfinden, und wenn ja, ob sie physiologisch wichtig sind. Diese Information wird auch sehr wichtig sein, wenn man Sirtuin-Aktivitäten beeinflussen will, z.B. mit Sirtuin-Aktivatoren und Sirtuin-Inhibitoren.
Ein gemeinsames Intermediat kann die verschiedenen Aktivitäten der Sirtuine erklären. Dieses Intermediat ist ein Imidat (orange Box). Es kann in verschiedene Produkte prozessiert werden, in Abhängigkeit des angreifenden Nukleophils: a) Deacetylierung (schwarze Box): Dies ist die Haupreaktion in Gegenwart des "richtigen" acetylierten Substrats; unter diesen Bedingungen sind die Reaktionen b) und c) vernachlässigbar klein; b) ADP-Ribosylierung und c) Freisetzung von ADP-Ribose: Die Raten dieser Reaktionen sind immer klein, wenn man die absoluten Zahlen mit denen der Deacetylierung vergleicht. Sie können ein wenig höher werden, wenn die Deacetylierung aus irgendwelchen Gründen nicht optimal ist, z.B. wenn das "richtige" Substrat nicht vorhanden ist. Mit "nicht gut passenden" Substraten kann zwar das Intermediat gebildet, aber nicht korrekt prozessiert werden. Eine detailliertere interessante Diskussion finden Sie in dieser Publikation: Du et al. (2009) Das hier gezeigte Schema ist eine modifizierte, vereinfachte Version der Fig. 9 in dieser Publikation.
Die am Seitenanfang zitierten Übersichtsartikel
A few recent reviews or articles on calorie restriction and aging
The Editorial Board of Aging reviews research papers published in 2009, which they believe have or will have significant impact on aging research. Among many others, the topics include genes that accelerate aging or in contrast promote longevity in model organisms, DNA damage responses and telomeres, molecular mechanisms of life span extension by calorie restriction and pharmacological interventions into aging. The emerging message in 2009 is that aging is not random but determined by a genetically-regulated longevity network and can be decelerated both genetically and pharmacologically. Fontana, L., Partridge, L., Longo, V. D. When the food intake of organisms such as yeast and rodents is reduced (dietary restriction), they live longer than organisms fed a normal diet. A similar effect is seen when the activity of nutrient-sensing pathways is reduced by mutations or chemical inhibitors. In rodents, both dietary restriction and decreased nutrient-sensing pathway activity can lower the incidence of age-related loss of function and disease, including tumors and neurodegeneration. Dietary restriction also increases life span and protects against diabetes, cancer, and cardiovascular disease in rhesus monkeys, and in humans it causes changes that protect against these age-related pathologies. Tumors and diabetes are also uncommon in humans with mutations in the growth hormone receptor, and natural genetic variants in nutrient-sensing pathways are associated with increased human life span. Dietary restriction and reduced activity of nutrient-sensing pathways may thus slow aging by similar mechanisms, which have been conserved during evolution. We discuss these findings and their potential application to prevention of age-related disease and promotion of healthy aging in humans, and the challenge of possible negative side effects. Baur, J.
A., Chen, D., Chini, E. N., Chua, K., Cohen, H. Y., De Cabo, R., Deng, C.,
Dimmeler, S., Gius, D., Guarente, L. P., Helfand, S. L., Imai, S., Itoh, H.,
Kadowaki, T., Koya, D., Leeuwenburgh, C., McBurney, M., Nabeshima, Y., Neri,
C., Oberdoerffer, P., Pestell, R. G., Rogina, B., Sadoshima, J., Sartorelli,
V., Serrano, M., Sinclair, D. A., Steegborn, C., Tatar, M., Tissenbaum, H.
A., Tong, Q., Tsubota, K., Vaquero, A., Verdin, E., 2010. Dietary
restriction: standing up for sirtuins. Science 329, 1012-1013. Burtner, C. R., Murakami, C. J., Kennedy, B. K., Kaeberlein, M. The molecular mechanisms that cause organismal aging are a topic of intense scrutiny and debate. Dietary restriction extends the life span of many organisms, including yeast, and efforts are underway to understand the biochemical and genetic pathways that regulate this life span extension in model organisms. Here we describe the mechanism by which dietary restriction extends yeast chronological life span, defined as the length of time stationary yeast cells remain viable in a quiescent state. We find that aging under standard culture conditions is the result of a cell-extrinsic component that is linked to the pH of the culture medium. We identify acetic acid as a cell-extrinsic mediator of cell death during chronological aging, and demonstrate that dietary restriction, growth in a non-fermentable carbon source, or transferring cells to water increases chronological life span by reducing or eliminating extracellular acetic acid. Other life span extending environmental and genetic interventions, such as growth in high osmolarity media, deletion of SCH9 or RAS2, increase cellular resistance to acetic acid. We conclude that acetic acid induced mortality is the primary mechanism of chronological aging in yeast under standard conditions Colman, R. J., Anderson, R. M., Johnson, S. C., Kastman, E. K., Kosmatka, K. J., Beasley, T. M., Allison, D. B., Cruzen, C., Simmons, H. A., Kemnitz, J. W., Weindruch, R. Caloric restriction (CR), without malnutrition, delays aging and extends life span in diverse species; however, its effect on resistance to illness and mortality in primates has not been clearly established. We report findings of a 20-year longitudinal adult-onset CR study in rhesus monkeys aimed at filling this critical gap in aging research. In a population of rhesus macaques maintained at the Wisconsin National Primate Research Center, moderate CR lowered the incidence of aging-related deaths. At the time point reported, 50% of control fed animals survived as compared with 80% of the CR animals. Furthermore, CR delayed the onset of age-associated pathologies. Specifically, CR reduced the incidence of diabetes, cancer, cardiovascular disease, and brain atrophy. These data demonstrate that CR slows aging in a primate species. Estep, P. W., III, Warner, J. B., Bulyk, M. L. BACKGROUND: Calorie restriction (CR) is the only intervention known to extend lifespan in a wide range of organisms, including mammals. However, the mechanisms by which it regulates mammalian aging remain largely unknown, and the involvement of the TOR and sirtuin pathways (which regulate aging in simpler organisms) remain controversial. Additionally, females of most mammals appear to live longer than males within species; and, although it remains unclear whether this holds true for mice, the relationship between sex-biased and CR-induced gene expression remains largely unexplored. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: We generated microarray gene expression data from livers of male mice fed high calorie or CR diets, and we find that CR significantly changes the expression of over 3,000 genes, many between 10- and 50-fold. We compare our data to the GenAge database of known aging-related genes and to prior microarray expression data of genes expressed differently between male and female mice. CR generally feminizes gene expression and many of the most significantly changed individual genes are involved in aging, hormone signaling, and p53-associated regulation of the cell cycle and apoptosis. Among the genes showing the largest and most statistically significant CR-induced expression differences are Ddit4, a key regulator of the TOR pathway, and Nnmt, a regulator of lifespan linked to the sirtuin pathway. Using western analysis we confirmed post-translational inhibition of the TOR pathway. CONCLUSIONS: Our data show that CR induces widespread gene expression changes and acts through highly evolutionarily conserved pathways, from microorganisms to mammals, and that its life-extension effects might arise partly from a shift toward a gene expression profile more typical of females. Visits since November 7, 2009 File History:
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