文摘
Sirtuins蛋白是一个保守的家庭deacylases NAD-dependent蛋白质。最初提出的组蛋白去乙酰酶抑制剂,现在知道他们的行为对各种蛋白质包括转录因子和代谢酶,发挥关键作用的细胞内稳态的调节。七个亚型识别在哺乳动物(SIRT1-7),它们共享一个守恒的催化核心和不同的亚细胞定位和活动。氧化应激可以影响sirtuins蛋白在不同层次的活动:表达式,转译后的修改,蛋白质相互作用,和NAD的水平。轻度氧化应激诱导的表达sirtuins蛋白代偿机制,而严厉的或长时间氧化剂条件导致失调修改sirtuins蛋白更容易被蛋白酶体降解。已确定氧化转译后的修改在体外和在活的有机体内,特别是半胱氨酸氧化和酪氨酸硝化。此外,氧化应激可以改变的交互与其他蛋白质,像SIRT1的蛋白质抑制剂DBC1导致脱乙酰酶活动的净增加。同样,操纵细胞NAD含量通过药物抑制其他NAD-consuming酶导致SIRT1激活,防止与肥胖相关的疾病。然而,需要进一步的研究来确定氧化还原调控的分子机制的进一步设计足够的药理干预措施。
1。介绍
Sirtuins蛋白是守恒的酶家族,最初定义为组蛋白去乙酰酶抑制剂(第三类HDAC) [1]。他们不仅脱去乙酰基组蛋白还有其他蛋白质。此外,他们催化水解的赖氨酸改性酰基链较长的(deacylase活动)2]。与类I, II, IV HDAC利用锌催化,sirtuins蛋白使用一个复杂的机制根据已经披露的代数余子式NAD fine-regulated活动。
自从发现酵母Sir2(无声的信息监管机构2)30年前3),家庭的创始成员,一个密集的研究阐明了sirtuins蛋白的生物功能,特别是在早期发现连接的寿命(1,4]。出版物的数量增长指数搜索潜在的催化剂或抑制剂的对抗代谢紊乱,甚至癌症,衰老(5]。
在酿酒酵母,除了Sir2,四个sirtuins蛋白,Hst1-4。在秀丽隐杆线虫,四个同系物的酵母Sir2名叫sir2.1 - 2.4,而七假字被描述在哺乳动物中,SIRT1-7。哺乳动物系统发育分析组SIRT1, SIRT2 SIRT3子类我显示关闭同源性酵母Sir2, SIRT4,和SIRT5子类II和III,分别和SIRT6-SIRT7子类IV (6]。
七个哺乳动物的衬衫不同序列(虽然他们都共享一个守恒的催化核心),在亚细胞位置,酶活性和底物特异性。列表中描述表1绝不是全面自新的吗在活的有机体内基板,每天发现特异性。研究最多的人类同种型SIRT1,据报道,核蛋白质调节至关重要的生理过程,与慢性炎性疾病和代谢障碍如糖尿病、肥胖、老化,甚至是癌症7]。
本文关注的是氧化应激对sirtuins蛋白的结构和活动的影响和生物氧化还原调控的后果。理解角色和作用机理的上下文中的病理生理学炎症条件将有助于确定新的干预措施来管理重要的慢性疾病。
2。Sirtuins蛋白结构
晶体结构从古生菌的真核生物显示中央催化核心组成的245残留。的核心是由一个大域包含一个罗斯曼褶皱的典型NAD-dependent蛋白质和一个小域包含锌2 +丝带图案,隔开一个肽底物结合(图的裂口1)。NAD分子采用延长构象绑定两个域之间的树林与腺嘌呤基地面临的大域和烟酰胺组接近小域(图1)。SIRT1是最大的同种型和扩展N - c端非常灵活,非结构化,这提供了更多的网站活动的调制(转译后的修改,与蛋白质和配体)。
(一)
(b)
的锌2 +结合位点由三个反平行的β链包含两个Cys-X-X-Cys守恒的图案由15 - 20残留物,单一锌离子协调具有重要的结构性作用。它早就知道这些半胱氨酸残基的突变丙氨酸引起损失的活动(8]。尽管锌tetrathiolate相当暴露,只有高浓度的锌螯合剂能够破坏它活动的相应损失(9]。另一个报告恶性疟原虫Sir2获得有效治疗的不活跃的酶蛋白锌螯合剂在重建和恢复活动与外源性锌氯(10]。
锌离子位于小领域,远离NAD绑定口袋,不包括参与催化的可能性,在与其他类型的HDAC锌催化机制的一部分[11]。
3所示。酶活动的
deacylases Sirtuins蛋白被定义为蛋白质。催化反应在图2使用NAD代数余子式,产生deacylated蛋白质、烟碱(显示抑制产品),和acylated ADPR作为最终产品。
和同位素交换动力学研究表明,sirtuins蛋白首先结合乙酰化衬底,其次是NAD绑定形成三元复杂的羰基氧乙酰基酶攻击核糖C1′O-alkylamidate中间。晶体结构之间的二元复合物解决Sir2-like酶和NAD (9),或ADP-ribose [12),或乙酰化p53 [13]。此外,一个三元复杂的晶体结构是酵母Hst2之间的报道,乙酰化组蛋白肽和nonhydrolyzable NAD模拟(14]。晶体数据证实肽底物结合在一个狭窄的通道,位置acylated赖氨酸残留的烟酰胺环附近NAD(图1)。肽绑定,NAD网站必须发生构象变化促进亲核攻击核糖C1′裂开nicotinamide-ribosyl债券,催化通路的第一步。守恒的组氨酸残基(H363 hSIRT1)已被确定为关键的催化,首先作为一个通用的基氢连着3′′OH-ribose,然后,作为一般酸使质子化的赖氨酸残基的最后一步催化。
除了蛋白脱乙酰作用,早期认识到sirtuins蛋白还可以催化ADP核糖基化的蛋白质受体(或酶本身)通过一个类似的机制(图2)[14- - - - - -17]。
最近,人们已经发现,某些sirtuin蛋白亚型以往被视为穷人去乙酰酶抑制剂是实际上好deacylases;它们催化的水解赖氨酸与长羧酸酰胺derivatized,例如,琥珀酸或丙二酸酯。事实上,SIRT5函数作为desuccinylase或demalonylase [18),而SIRT6函数作为demyristoylase [2,19]。此外,SIRT6脱乙酰酶活动最近被证明是由free-fatty酸在体外,打开的可能性脂肪酸可能作为内生sirtuin活动的监管机构在活的有机体内(2]。
乙酰化是一个重要的转译后的修改甚至染色质之外。acetylome表明许多蛋白质乙酰化调节细胞功能的机制,它甚至可能是生活在细胞磷酸化(20.,21]。比较研究果蝇和人类有表明,乙酰化赖氨酸是高度保守的22,23]。一个acetylome多肽微阵列被描述,揭示新脱乙酰作用底物的候选sirtuin蛋白亚型(24]。
4所示。Sirtuins蛋白和氧化应激
正如上面提到的,越来越多的证据支持的角色sirtuins蛋白在细胞内稳态的规定,特别是代谢和炎症(25,26]。在代谢压力条件,如肥胖和代谢综合症,创建一个氧化应激环境,主要是由于慢性炎症状态。基于关键作用的代谢反应的调节(27,28),相关要求细胞的氧化还原状态的变化如何影响sirtuins蛋白的活性,这些改变生物的后果是什么。
氧化应激,视为了一代活性物种(ROS / RNS)或一般氧化还原细胞内稳态的破坏29日,30.),会影响sirtuins蛋白在不同层次的活动:(1)诱导或抑制SIRT基因的表达。(2)转译后的氧化修饰的衬衫。(3)改变SIRT-protein交互。(4)NAD含量的变化。
4.1。在氧化应激Sirtuin蛋白表达的变化
它已被观察到轻微的氧化应激条件下诱导SIRT1的表达,改变其活性,从而影响SIRT1的目标参与反应的细胞的氧化还原状态变化(31日- - - - - -33]。第一次重大SIRT1衬底发现p53,像SOD2的基因转录因子参与激活抗氧化(超氧化物歧化酶2,MnSOD)和GPx1(谷胱甘肽过氧化物酶)34]。另一个氧化还原转录因子脱去乙酰基,SIRT1(以及SIRT2和SIRT3)通过SOD2 FOXO3a导致抗氧化反应和过氧化氢酶表达(35- - - - - -40]。PGC1α已知的SIRT1衬底,据报道,调节线粒体抗氧化剂像SOD2的表达41- - - - - -43]。SIRT1可以脱去乙酰基p65 NFκB亚基递减其活性,从而促炎细胞因子的生产(44- - - - - -46]。此外,在增加产量在线粒体ROS,感应SIRT3观察(47]。据报道,SIRT3脱去乙酰基,从而激活SOD2降低线粒体的氧化应激(48]。在成年老鼠心脏,SIRT1显著调节(4倍)氧化应激反应(注射百草枯),同样,SIRT1水平三倍增加在老和小猴子的心(49]。同样,适中的超表达SIRT1推迟年龄相关性变化在转基因小鼠的心脏49]。低水平的H2O2促进脱乙酰作用肿瘤抑制蛋白PLM的海拉细胞通过SIRT1和SIRT5 [50]。
相反,暴露在高水平的H2O2或严厉的氧化应激导致desumoylation SIRT1的蛋白酶体降解增加,酶失活导致细胞凋亡(51]。人类单核细胞暴露于高剂量的H2O2(250μ米,24 h)导致显著降低SIRT1活动(测量的乙酰化水平p53)和较低的SIRT1基因和蛋白表达52]。人肺上皮细胞暴露于氧化剂(H2O2、aldehyde-acrolein和香烟烟雾提取物)提出了降低水平与降低SIRT1 SIRT1相伴的活动(53]。最近的工作对人类内皮细胞显示没有影响的低剂量的H2O2但剧烈SIRT1活动在暴露于100年降至50%μM H2O230分钟,SIRT1的自由硫醇含量减少(54]。
一个有趣的观点提出了通et al。55)积极sirtuins蛋白提供一个适当的水平-acetyl-ADP-ribose (OAADPR)(产品的反应催化sirtuins蛋白脱乙酰酶活动,图2),容易转化成ADP-ribose和两个函数作为细胞信号。增加ADPR / OAADPR水平保护细胞不受氧化应激通过两种机制:(1)抑制线粒体电子传递链的复杂我相伴降低生产的ROS和(2)抑制glyceraldehyde-3-phosphate脱氢酶,中央在糖酵解酶,将葡萄糖磷酸戊糖途径的NADPH随之而来的增加,主要解毒酶ROS的还原剂。
4.2。(铝)的转译后的修改
磷酸化是第一个天车SIRT1中找到。SIRT1是研究最多的哺乳动物的同种型虽然整个蛋白质的晶体结构是不可用的,我们依靠一个仿真模型(56]。除了中央催化结构核心,SIRT1一直C -和n端结构域是灵活的和无序,没有出现在其他的衬衫结构,认为酶调控的潜在的网站。早期的质谱(MS)分析检测到几个丝氨酸/苏氨酸磷酸化网站SIRT1 [N -和c端域的57]。已知一些激酶磷酸化SIRT1,许多受氧化应激。CdkI(也称为Cdc2)激酶参与细胞周期进展和受氧化应激(58],磷酸化SIRT1在其糖基域(T530和S540) (57]。突变的这两个网站SIRT1影响细胞周期进展(58]。SIRT1也是磷酸化酪蛋白激酶ⅱ(CKII)丝氨酸S154, S649, S651, S683 [59]。由氧化应激(CKII活动严格监管60),事实上,电离辐射激活CKII, SIRT1磷酸化和激活(59]。磷酸化的SIRT1在不同残留AMPK也已被证明能够调节其活动主要是通过影响绑定蛋白抑制剂DBC1 [61年,62年]。AMPK是一个关键传感器和细胞的氧化还原状态调节器及其生物活性是由氧化应激(63年),虽然氧化应激之间没有直接的联系和SIRT1涉及AMPK直到现在已被证明。最后,磷酸化SIRT1在不同c项残留物被证明改变其酶活性。SIRT1磷酸化(T530)触发一个构象变化,增加其脱乙酰酶活性(64年- - - - - -66年]。同时,PKA-dependent SIRT1的磷酸化(S434)刺激的活动67年]。Sumoylation SIRT1的c端域(K734)检测和显示增加活动(51]。磷酸化位点的c端SIRT2 (S368 S372)也报道调节酶功能(68年,69年]。对于SIRT6,磷酸化T294和S303在蛋白质组学分析,确定没有报告功能后果(70年,71年]。另一份报告显示,磷酸化的SIRT6在S338 AKT导致其在乳腺癌细胞退化(72年]。此外,突变的磷酸化网站使乳腺癌细胞更敏感的化疗药物(72年]。
氧化修饰的更深入研究。治疗的重组hSIRT1 nitrosoglutathione (GSNO)首次报道73年)修改C67(位于非催化c端域),S-glutathionylation基底脱乙酰酶活性没有影响但损失白藜芦醇的刺激在体外(尽管它必须提到活动测量使用众所周知的荧光的测定屈服的出土文物激活SIRT白藜芦醇(74年])。在这项工作73年微分烷基化),显示5个人类SIRT1的19个半胱氨酸对GSNO活性。这五个修改三个半胱氨酸溶剂暴露残留物(C67、C268 C623)显示在人类SIRT1的计算机生成的模型结构56]。然而,在同年2010年出版,治疗SIRT1 GSNO导致亚硝基化(不是glutathionylation)的酶脱乙酰酶活动的损失(75年]。残留修改(C387和C390从鼠标坐标直接同源,锌离子)是不同于以前提出(75年]。这些作者报道,完整无缺的HEK293细胞治疗与GSNO导致亚硝基化SIRT1 (SIRT1-SNO)通过transnitrosylation从GAPDH-SNO转移到细胞核75年]。亚硝基化核SIRT1 PGC1抑制脱乙酰作用α在HEK293细胞中。突变分析与鼠标SIRT1的质粒转染细胞识别C387和C390锌tetrathiolate S-nitrosylation的网站主题。令人惊讶的是,C363和C366也参与协调并不容易transnitrosylation锌。最近,C371和C374 hSIRT1(对应于C363和C366 mSIRT1)已被确认为半胱氨酸减少猿/ Ref-1刺激内皮SIRT1活动(尽管其他两个半胱氨酸参与锌离子协调没有测试)(54]。
暂时当HepG2细胞转染用鼠标SIRT1 WT CysNO浓度的增加或治疗H2O2,观察p53脱乙酰酶活性下降76年]。然而,当细胞转染与mSIRT1突变体C61S C318S,和/或C613S,脱乙酰酶活动最初是高于WT过度和不容易氧化剂(76年]。作者建议SIRT1的可逆氧化改性与这些恢复的半胱氨酸残基形成GSH-adducts glutaredoxin 1。在这种情况下,报道的半胱氨酸残基氧化改性不Zn-binding主题的一部分。
治疗人类上皮细胞与烷化剂NEM减少SIRT1的蛋白质含量和自由免疫沉淀反应SIRT1的半胱氨酸残基,尽管具体残留修改是不确定53]。
增加蛋白质羰基化SIRT3被发现在ethanol-consuming小鼠肝线粒体提取物(77年]。作者发现在体外共价修改由亲电复合4-hydroxynonenal rSIRT3 C280(关键锌结合半胱氨酸残基),导致抑制rSIRT3活动(77年]。
最近,映射细胞内蛋白质S-sulfenylation治疗外源性H2O2以及内生H2O2(A431细胞EGF治疗),发现SIRT6最高度和持续S-sulfenylated蛋白(78年]。的高度保守的残渣接近半胱氨酸C18氨基酸,被确认为Cys-SOH可能形成共价与HIF1复杂α通过二硫键,显示SIRT6-mediated HIF1氧化还原控制α(转录活动78年]。
尽管sirtuins蛋白没有关键的半胱氨酸残基参与催化的机理,半胱氨酸残基的修改会影响他们的活动,因为它改变了酶的结构或与其他蛋白质交互。的四个半胱氨酸锌tetrathiolate主题,高度保守,对于拥有正确折叠酶至关重要;因此,这些半胱氨酸突变丝氨酸,不足为奇的是,减少脱乙酰酶活性(54]。
另一个铝(酪氨酸硝化)SIRT6最近报道(79年]。治疗重组SIRT6的过氧亚硝基捐赠SIN-1透露硝化酶和减少活动。作者发现酪氨酸Y257氨基酸残基的改性和变异Y257F导致脱乙酰酶活性和敏感性的损失由SIN-1硝化。硝化SIRT6还发现在视网膜endotoxin-induced视网膜炎症模型(79年]。
4.3。监管Sirtuins蛋白的蛋白质相互作用在氧化应激
氧化应激调节不同sirtuins蛋白通过改变他们的活动绑定调控蛋白。从所有克利最广泛研究的监管是SIRT1蛋白质间交互作用。SIRT1的主要蛋白质监管者描述到目前为止DBC1(删除在乳腺癌1)(80年)和AROS (SIRT1的积极监管机构)81年),都参与了SIRT1-mediated氧化应激反应(81年,82年]。AROS的情况,表明其可拆卸的减少SIRT1-mediated细胞内氧化应激反应,虽然不清楚蛋白质起着积极的作用在这种反应或是绑定SIRT1的关键事件。氧化应激也改变了SIRT1的相互作用蛋白抑制剂DBC1。氧化应激促进磷酸化的DBC1 (Thr454)通过ATM / ATR-dependent机制,增加亲和力SIRT1,导致sirtuin蛋白抑制(82年]。有趣的是,在老鼠身上,肥胖和衰老83年,84年)促进SIRT1绑定DBC1 (80年),导致减少SIRT1的活动。最后,它展示了最近在氧化应激可以灭活SIRT1细胞质封存和本地化到小窝直接绑定caveolin-1 [85年]。
因此,许多不同的机制可能是操作调节氧化应激期间SIRT1的活动。
4.4。改变的细胞内NAD和Sirtuin监管在氧化应激水平
NAD可用性是关键的规定所有sirtuins蛋白(86年]。事实上,它已经表明,在老化NAD水平下降,肥胖和其他代谢疾病(87年),影响sirtuins蛋白在不同组织的活动。重要的是,干预措施,防止NAD组织预防代谢下降,衰老相关疾病(87年- - - - - -91年]。基因删除(90年)以及药物抑制CD38蛋白(92年),主要的NAD glycohydrolase在哺乳动物组织(92年),SIRT1激活(93年和防止肥胖和代谢综合征90年]。也发现类似的结果的其他主要NAD-consuming酶抑制组织像PARP-191年]。事实上,SIRT1 PARP-1活动可以相互影响,因为它也被报道,SIRT1可以脱去乙酰基PARP-1,降低其活动(94年]。此外,与NAD前体药物治疗,像烟酰胺单核苷酸(NMN能否)或烟酰胺核苷(NR),防止NAD下降和预防代谢综合症的许多方面,包括葡萄糖耐受不良(87年,88年]。总之,这些结果开放的可能性使用NAD疗法治疗代谢和与年龄相关的疾病。
也成熟,衰老和代谢疾病如肥胖导致组织氧化应激增加。此外,它已被证明,反向NAD下降与氧化应激在老化(95年)对线粒体氧化应激产生负面影响,导致矩阵(NAD损耗96年]。热量限制,有趣的是,一个干预提高健寿和预防代谢综合征,减少氧化应激导致NAD含量和改善线粒体功能增加了增加SIRT3-mediated SOD2活动(48]。
5。Sirtuins蛋白作为药物代谢和与年龄相关的疾病的目标
已经有相当多的争论药理sirtuin蛋白激活及其对代谢的影响,癌症和衰老。多酚的原始观察白藜芦醇和其它小分子(sirtuin蛋白激活化合物STACs)延长寿命酿酒酵母通过激活Sir2和白藜芦醇也可以激活人类SIRT1 [97年)将当场sirtuins蛋白作为理想药理治疗衰老和衰老相关疾病的目标。在早期,开始对白藜芦醇的角色进行一场激烈的辩论和其他STACs直接SIRT1活化剂,因为这种激活似乎依赖于一个特定的活动分析,不能通过其他方式复制在体外(98年]。从那时起,许多分子机制提出了SIRT1激活了白藜芦醇在活的有机体内,包括直接SIRT1激活(97年,99年),激活AMPK-SIRT1轴与NAD水平连接AMPK活化SIRT1激活(One hundred.),通过SIRT1激活AMPK-SIRT1轴磷酸化和离解DBC1 [61年],SIRT1激活通过磷酸二酯酶抑制[营水平增加101年]。
小说的发展,结构不同STACs Sirtris制药表明SIRT1激活这些新的分子(SRT1720、SRT1460 SRT2183)防止老鼠代谢疾病(99年),对于SRT1720后来表明它也增加健寿和小鼠的寿命102年,103年]。有趣的是,这场争论再次上升的特异性这些STACs SIRT1 [104年]。然而,最近的研究提供了新的证据表明,这些STACs,甚至更强大的新一代(STAC-5、STAC-9 STAC-10),确实是SIRT1激活物(105年,106年]。
虽然白藜芦醇和其他STACs可能的作用机制仍需进一步研究,很明显,他们对与年龄相关的疾病提供有益的影响在活的有机体内。白藜芦醇可防止高脂饮食诱导肥胖、2型糖尿病、心血管疾病和癌症(99年,101年,107年- - - - - -114年]。新开发的STACS[已经发现了类似的结果107年,107年,115年,116年]。有趣的是,白藜芦醇和新开发STACs减少氧化应激在体外和在活的有机体内,通过促进抗氧化防御或改善线粒体功能(103年,117年- - - - - -122年]。
STACS对人体的影响也被讨论。大部分的证据依赖研究志愿者收到了白藜芦醇在不同剂量和不同时间的。综述了证据,(153年]表明,白藜芦醇可能有一些有利影响人类,尽管其生物利用度很差。最近,I和II期临床试验发表新的STAC (SRT2104),表明它是由老年人耐受良好,降低了胆固醇、低密度脂蛋白和甘油三酯的水平,,打开STACs可能成为一个可用的治疗老年性疾病在人类154年,155年]。
最后,值得一提的是,SIRT6也可能是与年龄相关的疾病的药物治疗的目标,包括炎症、基因组的稳定性,和癌症。SIRT6是由脂肪酸(激活2可能为衰老相关疾病的治疗提供新的途径156年,157年]。
6。结论和观点
Sirtuins蛋白是NAD-dependent deacylases,不仅促进组蛋白脱乙酰作用,但也脱酰作用的其他蛋白质包括转录因子和代谢酶从而调节细胞周期,分化,新陈代谢,抗压力,衰老和衰老。有效的表达和活性的调节sirtuins蛋白是维持细胞内稳态的关键。虽然很明显,sirtuins蛋白被氧化应激,调节的分子机制并不清楚。活跃sirtuins蛋白保护细胞通过他们的产品从ROS-induced损害OAADPR / ADPR抑制线粒体ROS增加生产和NADPH水平从磷酸戊糖途径。轻度氧化应激诱发sirtuin蛋白表达作为补偿机制,而严厉的或长时间氧化剂条件导致失调修改sirtuins蛋白更容易被蛋白酶体降解。NAD / NADH比率的增加会导致氧化应激条件下NAD代数余子式的更高的可用性,因此sirtuin活动明显增加。氧化天车的已确定,在体外和在活的有机体内,抑制deacylase活动,尽管他们也能影响调节器的交互,如内源性抑制剂DBC1 SIRT1,导致SIRT1活动的净增长。这还需要进一步的研究来建立sirtuins蛋白的氧化还原调控机制。特别有趣的是研究氧化还原调制的SIRT3线粒体基质的细胞形成氧化剂。sirtuins蛋白可以被激活,通过调制NAD生物利用度在组织或药物小分子活化,使治疗代谢和与年龄相关的疾病的治疗的机会。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
Comision扇形de Investigacion Cientifica CSIC UdelaR;通讯社的记者Nacional de Investigacion e Innovacion ANII,乌拉圭;项目Desarrollo de las Ciencias Basicas PEDECIBA;和英诺华二世是承认。