Sirtuins: Enzymes with multidirectional catalytic activity

Sirtuina 1 jako NAD⁺-zależna deacetylaza, umiejscowiona w jądrze komórki, zwłaszcza w jąderku, wykazuje zdolność do deacetylacji białek histonowych H4 (reszta lizynowa w pozycji 16) oraz H3 (reszta lizynowa w pozycji 9), a także lizyny 26 histonu 1. W histonach, w których indukowano deacetylację z udziałem SIRT1, zaobserwowano wzrost stopnia ich deacetylacji. Zahamowanie aktywności tej deacetylazy w komórce prowadzi do wzrostu H4K16Ac, a analogiczny skutek zaobserwowano dla lizyny 9 histonu 3. Nie odnotowano natomiast zmian w stopniu acetylacji histonu H4K8. Wykazano, iż poprzez N-końcową sekwencję, SIRT1 wiąże białko histonowe H1 oraz zaobserwowano, że w próbkach zawierających białko histonowe 1 poddane lub nie działaniu SIRT1 i NAD^+, histony stanowiły substrat do reakcji naprawy przez wycinanie nukleotydu (NER, nucleotide excision repair). W przypadku białka wstępnie zmodyfikowanego przez SIRT1 proces ten zachodził dużo mniej intensywnie. Obniżenie intensywności powyższego procesu może wynikać z tego, iż SIRT1 wprawdzie katalizuje reakcję deacetylacji histonów, lecz reakcja ta nie zachodzi ze 100% skutecznością w stosunku do wszystkich reszt lizynowych tego białka. Tworzenie heterochromatyny za pośrednictwem SIRT1, które obejmuje deacetylację ogonów histonowych, rekrutację i deacetylację histonu H1 oraz rozprzestrzenianie się hipometylowanego H3-K79 z następowym wyciszeniem, może stanowić dobry model do badania tych procesów [99].

Białka Fox (forkhead box) to rodzina czynników transkrypcyjnych, które odgrywają ważną rolę nie tylko w regulowaniu ekspresji genów zaangażowanych we wzrost, proliferację, różnicowanie i długość życia komórek, ale także w kontroli ich metabolizmu i odpowiedzi na stres. Funkcja biologiczna białek Fox jest regulowana przez mechanizmy interakcji białko-białko oraz modyfikacje potranslacyjne, m.in. fosforylację, ubikwitynację, a także acetylację, jednak mechanizmy te nie są dokładnie poznane [106]. Rodzina białek Fox to liczna grupa około 100 czynników transkrypcyjnych, zróżnicowanych na 17 podgrup (oznaczonych symbolami od A do Q), których funkcja, w zależności od działających na nie czynników, polega na wyciszaniu bądź aktywowaniu genów. Podgrupę „O” czynnika transkrypcyjnego Fox (FoxO; czynnik transkrypcyjny O z rodziny forkhead), reprezentują cztery białka: FoxO1, FoxO3, FoxO6 i FoxO4, które są regulowane w wyniku potranslacyjnej modyfikacji, np. przez fosforylację i acetylację. Częścią wspólną ich budowy jest region „forkhead box” zbudowany z około 110 aa, którego funk-cją jest przyłączanie DNA w określonym regionie – domenie DBD (DNA Binding Domain). Pozostałymi, stałymi elementami struktury białek FoxO są: sekwencja kierująca do jądra (NLS, 2 nuclear localization sequence), sekwencja eksportu jądrowego (NES, nuclear export siquence) oraz C-końcowa domena katalityczna [69]. Sirtuiny katalizują reakcje deacetylacji białek z rodziny FoxO, co wpływa na ich aktywację, jak również na aktywację koaktywatora-1α receptora gamma aktywowanego przez proliferator peroksysomów (PGC1α, peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1α), przez co oddziałują na wiele przemian kontrolowanych przez te czynniki transkrypcyjne. W różnicującej się komórce czynniki FoxO występują głównie w cytoplazmie, jednak w wyniku uszkodzenia DNA lub działania stresu oksydacyjnego (OS, oxidative stress) mogą przedostawać się do jądra komórkowego. SIRT1 wiąże się z FoxO1 przez sekwencję LXXLL, która decyduje o jego aktywności transkrypcyjnej i aktywuje to białko w procesie deacetylacji. W przypadku zmienionej sekwencji aminokwasów, np. zamiany leucyny na alaninę (LXXAA), nie wykazano w komórkach zdolności wiązania czynnika FoxO1 przez SIRT1 [64]. Sirtuina 1 działa na FoxO1 poprzez deacetylację lizyny w pozycji 242, 245 oraz 262, a także inicjuje transport dojądrowy tego czynnika transkrypcyjnego oraz nadzoruje fosforylazozależne wyciszanie jądrowe kontrolowane przez czynniki wzrostu. W wyniku działania SIRT1 na FoxO1 stymulowana jest synteza adiponektyny w adipocytach oraz pobudzona zostaje aktywność genów odpowiedzialnych za glukoneogenezę w hepatocytach. SIRT1 jest odpowiedzialna również za zmiany lokalizacji czynnika FoxO3, który fizjologicznie występuje w cytoplazmie, gdyż w warunkach OS i w obecności czynników wzrostu, SIRT1 odpowiada za transport FoxO3 do jądra komórkowego [4]. Badania Bruneta i wsp. [4] wykazały, że w warunkach OS w komórce, w FoxO3 jest acetylowanych pięć reszt lizynowych oraz fosforylowanych osiem reszt serynowych bądź treoninowych, co prawdopodobnie odpowiada za zdolność do interakcji SIRT1 z tym białkiem. Po dotarciu do jądra, SIRT1 tworzy kompleks z deacetylowanym czynnikiem FoxO3 indukując zatrzymanie cyklu komórkowego (tzw. „cell cycle arrest”), co uodparnia komórki na działanie OS, jednocześnie hamując zdolność tego czynnika do inicjowania apoptozy komórki i umożliwiając tym samym usunięcie wolnych rodników tlenowych oraz naprawę DNA. Badania in vitro przeprowadzone przez Van der Horsta i wsp. [98] m.in. na linii komórek pochodzących z nerki płodu ludzkiego (HEK293T; human embryonic kidney), wykazały zdolność nikotynamidu, jako inhibitora SIRT1, do hamowania aktywności czynnika FoxO4. W komórkach o zahamowanej aktywności SIRT1 odnotowano spadek ekspresji czynników zależnych od aktywności transkrypcyjnej FoxO4-p27kip1 oraz manganozależnej dysmutazy ponadtlenkowej (MnSOD, manganese superoxide dismutase). Potwierdzono, że w wyniku działania acetylotransferazy (CBP, acetyltransferase CREB-binding protein) na czynnik transkrypcyjny z rodziny forkhead, dochodzi do wzrostu stopnia jego acetylacji, co powoduje zahamowanie aktywności enzymu. Proces ten może zostać zahamowany przez działanie SIRT1, co potwierdzono w badaniach przeprowadzonych zarówno in vitro jak i in vivo.

Działanie SIRT1 na białko p53, wiąże się z regulacją acetylacji reszt lizyny znajdujących się na C-końcu tego białka, wzmacniającą zdolności wiążące czynnika transkrypcyjnego [43, 51]. Langley i wsp. [43] oraz Luo i wsp. [51] wykazali, iż SIRT1 wiąże i deacetyluje białko p53, będące składnikiem ssaczych jądrowych białek promielocytowych (PML, promyelocytic leukemia protein) i może hamować transaktywację odbywającą się za pośrednictwem p53. SIRT1 jest rekrutowana do jąder komórek ssaków w wyniku nadekspresji PML lub onkogennych Ras (Ha-rasV12), co opóźnia przedwczesne starzenie się komórek zachodzące za pośrednictwem PML. Autorzy wskazali, że deacetylujące działanie SIRT1 może ujemnie wpływać na regulację funk-cji białka p53 polegającej na modulowaniu procesu starzenia się komórek [43, 51]. W innych badaniach wykazano, że na proces deacetylacji zależnej od SIRT1 nie ma wpływu inhibitor trichostatyna A (TSA, trichostatin A), natomiast deacetylacja ulega zahamowaniu na skutek działania na komórki nikotynamidu [20, 51]. Kyrylenko i wsp. [41] zaobserwowali, że w komórkach neuronalnych w hodowli in vitro, modyfikacja stopnia acetylacji histonów przez niektóre inhibitory HDAC klasy I i II, wywołuje zróżnicowane zmiany w ekspresji mRNA SIRT. Dla przykładu, TSA zwiększa aktywność SIRT2, SIRT4 i SIRT7, natomiast hamuje aktywność SIRT1, SIRT5 i SIRT6 [41]. Poprzez deacetylację białka p53, SIRT1 ogranicza jego zdolność transkrypcyjną oraz powoduje zmniejszenie intensywności apoptozy indukowanej tym czynnikiem, zachodzącej w odpowiedzi na uszkodzenie DNA oraz OS wywołany m.in. działaniem na komórki nadtlenku wodoru [20, 51]. Vaziri i wsp. [101] zaobserwowali, iż w komórkach ludzkich acetylowane reszty lizyny białka p53, umiejscowione w pozycji K382 C-końca, ulegają deacetylacji w wyniku działania SIRT1, co zwiększa odporność komórki na stres wywoływany działaniem takich czynników jak np. promieniowanie jonizujące. Autorzy wskazują SIRT1 jako istotny czynnik w regulacji funkcji białka p53 poprzez deacetylację.

Białko wiążące element regulacyjny sterolu (SREBP, sterol response element binding protein) to białko regulowane przez dwa geny SREBF1 (17p11.2 [20]) oraz SREBF2 (22q13.2 [20]), kodujące jego dwie izoformy, odpowiednio: białka SREBP1 i SREBP2. Białko SREBP1 wpływa na ekspresję genów związanych z syntezą kwasów tłuszczowych, natomiast SREBP2 uczestniczy w regulacji homeostazy lipidów poprzez kontrolę genów odpowiedzialnych za syntezę cholesterolu [25, 70]. Podczas wzrostu stężenia cholesterolu w komórce, prekursory tych białek wiążą się z białkiem aktywującym hydrolizę SREBP-SCAP (SREBP-cleavage activating protein). Proces ten odbywa się na powierzchni błon retikulum endoplazmatycznego, a w jego wyniku dochodzi do aktywacji białek SREBP1 i SREBP2.

Po unormowaniu stężenia cholesterolu, wiązanie między tymi dwoma cząsteczkami ulega rozerwaniu i białko SREBP ponownie jest transportowane do jądra komórkowego [13]. W badaniach z wykorzystaniem komórek pochodzących z wątroby myszy o zahamowanej aktywności SIRT1 (na poziomie shRNA) zaobserwowano zwiększenie ekspresji genów związanych z syntezą lipidów, docelowych dla SREBP, natomiast nie odnotowano żadnego bezpośredniego wpływu na samo białko, co sugeruje, że zaburzenie jego aktywności jest związane z modyfikacją potranskrypcyjną. Taką samą zależność odnotowano w komórkach poddanych działaniu inhibitorów SIRT1. Natomiast zwiększona aktywność deacetylazy powodowała obniżenie ekspresji genów docelowych SREBP. Czynnikiem odpowiedzialnym za acetylację lizyny w pozycji 324 oraz 333 w domenie wiążącej DNA czynnika SREBP1a, jest acetylotransferaza CBP/p300, a w wyniku tej reakcji dochodzi do stabilizacji cząsteczki SREBP1a. Aktywność katalityczna SIRT1 prowadzi do destabilizacji SREBP1, który jest wątrobowym czynnikiem transkrypcyjnym związanym z lipogenezą i syntezą cholesterolu, co powoduje kumulację lipidów w komórce [101]. Inni badacze podkreślają, że zmniejszenie stopnia acetylacji SREBP1c przez celowane hamowanie aktywności SIRT1 z zastosowaniem inhibitorów, może być użyteczne w leczeniu zaburzeń metabolicznych, zwłaszcza w otyłości i cukrzycy typu 2 [75].

Czynnik TAFI68 jest to składowa kompleksu preinicjacyjnego złożonego z białka wiążącego się z białkową sekwencją TATA (TBP, tata-box binding protein) i białka TAF (TATA-binding protein associated factor), która ulega reakcji acetylacji katalizowanej przez czynnik PCAF (p300/CREB-binding protein (CBP)-associated factor), co powoduje zwiększone powinowactwo TAFI68 do promotora rDNA. Natomiast reakcja deacetylacji czynnika TAFI68 wpływa hamująco na transkrypcję przeprowadzaną przez polimerazę I RNA. W komórkach, w których obecny jest TAFI68, zawierających aktywne enzymy z rodziny Sir, zwłaszcza SIRT1, zaobserwowano, że podczas niedoboru NAD+ stopień acetylacji tego czynnika nie ulega zmianie, natomiast podczas zwiększonej podaży NAD⁺ odnotowano wzrost intensywności przebiegu reakcji deacetylacji. Wskazuje to na zdolność SIRT1 do katalizowania reakcji deacetylacji TAFI68, przez co skutecznie może regulować transkrypcję rDNA w odpowiedzi na czynniki zewnątrzkomórkowe [63].

Fosfogliceromutaza 1 (PGAM1, phosphoglycerate mutase 1) jest to enzym regulujący proces glikolizy na etapie przekształcenia kwasu 3-fosfoglicerynowego (3-PGA, 3-phosphoglyceric acid) do kwasu 2-fosfoglicerynowego (2-PGA, 2-phosphoglicericacid). Wykazano, że w enzymie tym acetylacji ulegają reszty lizynowe umiejscowione w jego C-końcu w pozycjach 251, 253 oraz 254. W badaniach na linii komórkowej HEK293 (komórki nerek ludzkich embrionów), poddanych działaniu inhibitora SIRT1 - nikotynamidu, zaobserwowano zwiększony stopień acetylacji PGAM1 oraz wzrost aktywności enzymu. Zależności tej nie zaobserwowano po zastosowania trichostatyny A. Wykazano ponadto, iż podczas zmniejszonej podaży glukozy do komórki, aktywność SIRT1 znacząco wzrasta, a jej zdolność do deacetylacji PGAM1 hamuje aktywność tego enzymu, natomiast wysokie stężenie glukozy stymuluje jego acetylację. W komórkach o zahamowanej aktywności SIRT1 zaobserwowano prawie 50% wzrost ekspresji PGAM1 i analogicznie wzmożoną aktywność deacetylazy, co powodowało spadek jego aktywności. W wyniku działania sirtuiny 1 na PGAM1 obniża się tempo i wydajność glikolizy. Zmian takich nie zaobserwowano w przypadku aktywności sirtuiny-2 oraz sirtuiny-3 [23].

Białko rozprzęgające 2 (UCP2, uncoupling protein 2) jest homologiem termogeniny, występuje m.in. w błonie mitochondriów komórek tkanki tłuszczowej, trzustki, jelit, śledziony oraz płuc. Jego funkcja polega na wytworzeniu gradientu protonów przechodzących z przestrzeni między błonami mitochondrium do jego macierzy. Zwiększona ekspresja SIRT1 w komórkach β trzustki korzystnie reguluje wydzielanie insuliny w tych komórkach oraz tłumi ekspresję genu UCP2 (11q13.4 [20]) przez bezpośrednie wiązanie z promotorem UCP2. U myszy z zahamowaną aktywnością SIRT1 dochodziło do wzrostu stężenia białka UCP2 oraz obserwowano niższe stężenie insuliny i glukozy w porównaniu do grupy kontrolnej, co świadczy o większej wrażliwości na wydzielany hormon. Ponadto po podaniu zwierzętom glukozy, po okresie głodzenia, obserwowano szybszy metabolizm glukozy, co potwierdza powyższą zależność. Autorzy wskazują, iż poprzez wiązanie SIRT1 z promotorem genu UCP2 w komórkach β trzustki, zostaje zahamowana jego transkrypcja, co wpływa stymulująco na zależne od glukozy wydzielanie insuliny. Stwierdzono też, że wiązanie to jest hamowane w obecności nikotynamidu [3]. Ramsey i wsp. [76] zaobserwowali u myszy transgenicznych z nadekspresją SIRT1 w komórkach β trzustki, związane z wiekiem obniżenie stymulowanego glukozą wydzielania insuliny oraz potwierdzili, iż proces ten jest regulowany przez UCP2 zależne od SIRT1.

Poprzez deacetylację jądrowego czynnika transkrypcyjnego NF kappa B (NF-κB, transcription nuclear factor κB), SIRT1 hamuje jego działanie prozapalne w stosunku do makrofagów, co wydłuża życie komórki. Po poddaniu komórek działaniu aktywatora SIRT1 – resweratrolu, zaobserwowano zmniejszenie aktywności NF-κB, natomiast inhibitor SIRT1 - nikotynamid, spowodował jego wzrost. SIRT1 przez deacetylację reszty lizynowej podjednostki p65/RelA umiejscowionej w pozycji 310, hamuje aktywność NF-κB, zmniejszając natężenie procesu zapalnego. Ponadto wykazano, iż oddziaływanie SIRT1 na NF-κB aktywuje dodatkowo apoptozę indukowaną przez czynnik martwicy guza alfa (TNFα, tumor necrosis factor α) i zwiększa wrażliwość komórek na ten proces [111]. Yang i wsp. [110] w badaniach in vitro na linii komórkowej monocytów-makrofagów (MonoMac6) oraz w badaniach in vivo w komórkach zapalnych płuc szczurów eksponowanych na ekstrakt z dymu tytoniowego, wykazali regulatorową rolę SIRT1 w procesie uwalniania cytokin prozapalnych poprzez interakcję i zwiększenie acetylacji podjednostki RelA/p65 NF-κB. Autorzy zasugerowali, iż w ten sposób SIRT1 uczestniczy w procesie przewlekłego zapalenia i starzenia się płuc.

Wykazano, iż SIRT1 może wpływać na białko kodowane przez gen PPARGC1A (4p15.2 [20]) zwane koaktywatorem-1α receptora γ aktywowanego przez proliferator peroksysomów (PGC1α, peroxisome proliferator-activated receptor gamma-coactivator-1α), pełniące funkcję kofaktora receptora jądrowego PPARγ. Białko PGC1α należy do niewielkiej rodziny czynników transkrypcyjnych, w skład której wchodzą ponadto: koaktywator-1β receptora γ aktywowanego przez proliferator peroksysomów (PGC1β, proxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-β) i koaktywator związany z PGC1 (PRC, PGC1-related coactivator). Sekwencja aa LXXLL, znajdująca się na N-końcu PGC1α, oddziałuje z wieloma receptorami jądrowymi, np. PPARs, czynnikiem jądrowym hepatocytu 4α(HNF4α, hepatocyte nuclear factor 4 alpha), receptorem glikokortykoidowym (GR, glucocorticoid receptor) oraz receptorem α związanym z estrogenem (ERRα, estrogen-related receptor alpha) [79]. Rodgers i wsp. [80], badając mechanizmy homeostazy energetycznej u ssaków wykazali, iż SIRT1 kontroluje geny szlaków glukoneogenezy i glikolitycznego. W komórkach wątroby SIRT1, w obecności NAD⁺, oddziałuje z białkiem PGC1α, a następnie katalizuje reakcje odszczepienia grup acetylowych z reszt lizynowych znajdujących się w pozycji 13, przez co aktywuje jego zdolności transkrypcyjne. Zastosowanie inhibitora SIRT1, nikotynamidu, zwiększyło stopień acetylacji PGC1α. W komórkach o zahamowanej aktywności SIRT1, zmniejszeniu uległa synteza glukozy zależna od koaktywatora PGC1α. Ponadto wykazano, że przez aktywację tego koaktywatora w wątrobie, zwiększona zostaje glukoneogeneza i wzrasta ekspresja genów związanych z utlenianiem kwasów tłuszczowych. W komórkach wątroby o zahamowanej aktywności SIRT1 stwierdzono zwiększenie stężenia wolnych kwasów tłuszczowych, a także obniżenie stężenia cholesterolu w surowicy krwi [81].

Receptor γ aktywowany przez proliferatory peroksysomów (PPARγ, peroxisome proliferator-activated receptor gamma) należy do rodziny receptorów regulatorowych, jest receptorem jądrowym występującym głównie w żółtej tkance tłuszczowej, w której występują również PPARα i PPARβ. Wykazano, że SIRT1 oddziałuje z korepresorem-1 receptora jądrowego (Ncor, nuclear receptor co-repressor 1) oraz z czynnikiem wyciszającym receptory kwasu retinowego i hormony tarczycy (SMRT, silencing mediator of retinoid and thyroid hormone receptors), co obniża zdolność wiązania PPARγ z tymi związkami. W wyniku tych oddziaływań dochodzi do hamowania ekspresji genów, czego skutkiem jest zmniejszenie intensywności adipogenezy, utleniania kwasów tłuszczowych oraz zwiększenie lipolizy w żółtej tkance tłuszczowej [73, 92]. W komórkach pochodzących od myszy poddanych działaniu aktywatora SIRT1, resweratrolu, odnotowano zmniejszenie nagromadzenia kwasów tłuszczowych. Zależności takiej nie zaobserwowano w komórkach o zahamowanej aktywności tej deacetylazy. Ponadto w komórkach myszy o zwiększonej aktywności SIRT1, u których zastosowano restrykcję kaloryczną, odnotowano nasilenie adipogenezy i wzrost wydzielania do krwi wolnych kwasów tłuszczowych, co wskazuje na molekularny mechanizm działania SIRT1, łączący ograniczenie kalorii z przedłużeniem życia u ssaków [73].

Reasumując, sirtuina-1 jako najlepiej poznana deacetylaza, odgrywa główną rolę w procesach naprawczych i starzeniu się komórki, stanowiąc jednocześnie skuteczną obronę przed stresem oksydacyjnym. Najwięcej dostępnych informacji dotyczy roli jaką SIRT1 odgrywa w modulowaniu aktywności czynników transkrypcji z rodziny białek Fox, a także białka p53 i NF-κB, jednak podkreślana jest także jej rola w modyfikacjach epigenetycznych chromatyny. Jest znanym regulatorem głównych procesów metabolicznych, w których uczestniczą liczne białka komórkowe, a szczególne znaczenie ma wpływ SITR1 na szlak działania receptorów γ aktywowanych przez proliferatory peroksysomów.

Sirtuina 2 katalizuje reakcję deacetylacji reszty lizynowej białka histonowego, w pierwszej kolejności H4 znajdującej się w pozycji 16, następnie H3 w pozycji 6 oraz lizyny 8 histonu 4. Znaczenie tej reakcji zostało potwierdzone dla histonu H4K16 w badaniach in vivo, natomiast stopień acetylacji pozostałych dwóch histonów nie uległ zmianie mimo spadku stężenia SIRT2. W wyniku tego procesu dochodzi do kondensacji chromatyny jądrowej [10]. Powyższe badania potwierdziły zależność między stopniem aktywności SIRT2 a fazą cyklu komórkowego. Vaquero i wsp. [100] ponadto wykazali, że największe stężenie H4K16Ac występuje w fazie S podziału komórkowego, a najmniejsze podczas przejścia między fazami G2/M, a w komórkach myszy o zahamowanej aktywności SIRT2 odnotowano zwiększenie stopnia acetylacji H4K16 podczas fazy S mitozy.

Spośród wszystkich białek z klasy III sirtuin, in vivo w adipocytach i w hodowli linii komórek tłuszczowych 3T3-L1 pochodzących od myszy, mRNA SIRT2 występuje częściej niż mRNA innych sirtuin, a SIRT2 wpływa hamująco na różnicowanie adipocytów. Regulacja deacetylacji FoxO1 prowadzi do zmian w fosforylacji tego czynnika, jego zwiększonej ekspresji w lokalizacji jądrowej i hamowania adipogenezy. W komórkach o zahamowanej aktywności SIRT2 odnotowano zwiększony stopień acetylacji czynnika FoxO1 [32]. W wyniku deacetylacji, FoxO1 zwiększa zdolność wiązania z PPARγ, którego aktywność transkrypcyjna jest hamowana przez czynnik z rodziny forkhead. W komórkach poddanych działaniu nikotynamidu stwierdzono spadek zdolności wiązania się czynnika FoxO1 z PPARγ. Ze względu na to, że enzym ten jest najważniejszy dla procesu regulacji różnicowania komórek tłuszczowych, reakcja katalizowana przez SIRT2, poprzez aktywację FoxO1, pośrednio hamuje adipogenezę, natomiast zwiększenie ekspresji SIRT2 w adipocytach hamuje ich różnicowanie [32, 105].

Sirtuina 2 wiąże się także z białkiem FoxO3a, zmniejszając stopień jego acetylacji, przez co wzmacnia jego aktywność transkrypcyjną, co zwiększa ekspresję genów docelowych: dysmutazy ponadtlenkowej (SOD-2, superoxide dismutase 2), inhibitora 1B kinazy cyklinozależnej (p27Kip1, cyclin-dependent kinase inhibitor 1B) oraz aktywatorowego białka proapoptotycznego z podrodziny BH3-only (Bim, Bcl-2 interacting mediator of cell death), natomiast w komórkach o zahamowanej ekspresji SIRT2 odnotowano spadek aktywności tych genów. Zwiększona aktywność deacetylazy działa na FoxO3a, powodując wzrost intensywności wiązania tego czynnika z p27Kip1, wykazując pośredni wpływ SIRT2 na regulację zdolności FoxO3a do wiązania DNA. Zaobserwowano, że OS spowodowany poddaniem komórek działaniu H₂O₂, wzmaga ekspresję białka SIRT2. Ponadto zaobserwowano, iż wzrost ekspresji deacetylazy wywołuje wzrost aktywności SOD, co prowadzi do spadku stężenia wolnych rodników w komórce, a także aktywuje ekspresję genu Bcl2l11 (2q13 [20]) kodującego białko Bim, o działaniu proapoptycznym. Wskazuje to, iż w warunkach OS, odziaływanie SIRT2 z białkiem Bim umożliwia komórce wejście na drogę apoptozy. Wszystkie powyższe zależności, wykazane w badaniach zarówno in vitro (komórki linii NIH3T3, HEK293 oraz 293T) jak i in vivo (myszy szczepu C57BL/6), potwierdzają, że SIRT2 poprzez reakcję deacetylacji czynnika FoxO3a, reguluje jego zdolność do wiązania DNA i zmniejsza OS w komórce [104, 105]. Wykazano również, że w komórkach bogatych w SIRT2 wzrasta intensywność procesu degradacji czynnika FoxO3a i odwrotnie: w komórkach o zahamowanej ekspresji deacetylazy stabilność FoxO3a wzrasta. Ponadto odnotowano, iż zwiększony stopień acetylacji FoxO3a powoduje wzrost jego oddziaływania z podjednostką ligazy ubikwitynowej Skp2 i degradację w proteosomach, co może mieć znaczenie w rozwoju procesów nowotworowych. Zaobserwowano, że podwyższenie ekspresji SIRT1 i Skp2 w komórkach nowotworowych gruczołu krokowego PC3 i DU145, jest związane z obniżeniem stężenia białka FoxO3 w tych komórkach [103].

North i wsp. [68] udowodnili, że główna lokalizacja SIRT2 w cytoplazmie jest związana z obecnością mikrotubulin zbudowanych z α-oraz β-tubuliny, które pełnią w komórce funkcję cytoszkieletu. Docelowym substratem SIRT2 w cytoplazmie jest lizyna 40 α-tubuliny, co zmniejsza stopień acetylacji tego aminokwasu. Potwierdzono to zarówno w badaniach in vitro (linia komórek 293T i HeLa) jak i in vivo, w których dodatkowo wykazano, że jest to jedyna sirtuina zdolna do deacetylacji α-tubuliny. Poddanie komórek działaniu inhibitora sirtuin - nikotynamidu, skutkowało spadkiem intensywności przeprowadzanej przez SIRT2 reakcji deacetylacji, czego nie zaobserwowano po zastosowaniu TSA. Obniżenie ekspresji genu kodującego SIRT2 spowodowało zwiększenie stopnia acetylacji α-tubuliny. Odkrycia te potwierdzili Li i wsp. [47] w badaniach na komórkach pochodzących od szczurów, w których wykazano, że wśród białek cytoplazmatycznych oligodendrocytów OLN-93, α-tubulina była głównym substratem deacetulującego działania SIRT2. W komórkach z wyciszeniem siRNA SIRT2 zaobserwowano zwiększenie acetylacji α-tubuliny, ekspresję w komórce zasadowego białka mieliny oraz prekursora oligodendrocytów, natomiast nadekspresja SIRT2 miała przeciwstawne działanie [47].

Karboksykinaza 1 fosfoenolopirogronianu (PEPCK1, phosphoenolpyruvate carboxykinase 1) jest enzymem katalizującym reakcję odwrotną do reakcji katalizowanej przez kinazę pirogronianową. W wyniku działania PEPCK1, z fosfoenolopirogronianu i CO₂ powstaje szczawiooctan. Karboksykinaza ta odgrywa istotną rolę w procesach glukoneogenezy oraz w ostatnim etapie glikolizy [31, 112]. W komórkach poddanych działaniu inhibitorów deacetylaz - nikotynamidu oraz TSA - odnotowano spadek stężenia PEPCK1 oraz wzrost intensywności przeprowadzanej ubikwintynacji tego enzymu. Ponadto zaobserwowano, iż w warunkach dużego stężenia glukozy w komórce, PEPCK1 także ulega acetylacji katalizowanej przez acetylotransferazę z rodziny p300, która zmienia umiejscowienie z jądrowej na cytoplazmatyczną, a to wpływa na wzrost jej zdolności do wiązania z ligazą ubikwitynową E3 UBR5 (E3 ubiquitin-protein ligase UBR5), prowadząc do jej degradacji [31]. Karboksylaza fosfoenolopirogronianowa obecna w komórkach człowieka ulega reakcji acetylacji w pozycjach reszt lizynowych 70, 71 oraz 594 [114]. Wykazano, iż działanie SIRT2 w komórkach zmniejsza stopień acetylacji PEPCK1, lecz zależność ta nie została stwierdzona w przypadku SIRT1. Wykazano również, że w wyniku zmniejszenia stopnia acetylacji PEPCK1 zmniejsza się także zdolność jego wiązania z UBR5, w wyniku czego wzrasta stabilność tej cząsteczki. W komórkach o zahamowanej aktywności SIRT2 dochodzi również do obniżonej syntezy glukozy, czego następstwem jest wzrost intensywności glukoneogenezy [31]. Zhang i wsp. [112] w badaniach in vitro (linia komórek HEK293T) oraz in vivo (izolowane mysie hepatocyty) wykazali, iż inny z inhibitorów SIRT2 – sirtinol, istotnie obniżał stężenie białka PEPCK1 w komórce, czemu, w zależności od dawki, towarzyszyła hiperacetylacja PEPCK1, jak również obniżona synteza glukozy. Takiej zależności nie zaobserwowano w komórkach z nokautem genu SIRT2.

Podsumowując można stwierdzić, że sirtuina 2 odgrywa ważną rolę w procesie przemian tłuszczowych, uczestnicząc w tworzeniu adipocytów, a dzięki aktywacji białka Bim może wprowadzać komórki na szlak apoptozy. Jej oddziaływanie na PEPCK1 czyni z niej ważny regulator procesu glukoneogenezy. Podkreślany jest również jej wpływ na białka mieliny, a zwłaszcza na strukturę i funkcję α-tubuliny.

SIRT3 w warunkach fizjologicznego wzrostu komórek ma prawdopodobnie największą zdolność przemieszczania się między kompartmentami komórkowymi i może zmieniać lokalizację na jądrową, gdzie katalizuje reakcje deacetylacji białek histonowych. W obecności NAD⁺ enzym ten może uczestniczyć w reakcji deacetylacji histonów H3K9Ac oraz H4K16Ac, co potwierdzono w badaniach przeprowadzonych zarówno in vitro jak i in vivo. Takie właściwości ma zarówno natywna postać SIRT3, o pełnej długości (44 kDa), jak i skrócona (28 kDa). Natomiast podczas działania na komórkę czynników stresogennych (np. chemioterapeutyku etopozydu czy promieniowania UV) i długotrwałej nadekspresji SIRT3, deacetylaza ta zostaje przetransportowana z jądra komórkowego do mitochondrium [85, 87].

Badania przeprowadzone na linii komórkowej HCT116 z nadekspresją SIRT3 typu dzikiego lub postaci nieaktywnej katalitycznie wykazały, że SIRT3 oddziałuje z czynnikiem FoxO3a w mitochondrium, co prowadzi do jego aktywacji. W komórkach wykazujących aktywność SIRT3 zaobserwowano zwiększoną intensywność wiązania czynnika FoxO3a do miejsc promotorowych manganozależnej dysmutazy ponadtlenkowej (MnSOD2) oraz białka SCO2 (synthesis of cytochrome c oxidase), w porównaniu do próby kontrolnej o zmniejszonej ekspresji deacetylazy. Może to świadczyć o zdolności SIRT3 do wzmacniania intensywności wiązania DNA przez czynnik FoxO3a. Ponadto zaobserwowano, iż w komórkach o zmniejszonej aktywności SIRT3 wzrasta stężenie anionu ponadtlenkowego oraz utlenionego glutationu [28]. Rangarajan i wsp. [77] badając komórki mikrogleju wyizolowane z mózgów szczurów, będących głównym źródłem ROS w ośrodkowym układzie nerwowym, wykazali, iż SIRT3 redukuje wytwarzanie ROS w komórkach przez deacetylowanie białka Foxo3a działającego jako czynnik transkrypcyjny, który transaktywuje geny enzymów antyoksydacyjnych - CAT i MnSOD, a nadekspresja SIRT3 powoduje wzrost aktywności przeciwutleniaczy. Omówiona wyżej kaskada reakcji jest związana ze wzrostem ekspresji i translokacji jądrowej białka Foxo3a [77].

Sirtuina 3 w warunkach stresu oksydacyjnego może ulec przemieszczeniu z mitochondrium do jądra komórkowego. Enzym ten może występować w dwóch izoformach: dłuższej o masie cząsteczkowej 44 kDA oraz krótszej o masie cząsteczkowej 28 kDa, powstałej w wyniku delecji 142 N-końcowych aminokwasów. Obie postaci tej deacetylazy wykazują aktywność katalityczną [87]. SIRT3 jest zdolna do oddziaływania z białkiem Ku70 i blokowania jego acetylacji indukowanej OS oraz działaniem czynników uszkadzających DNA (tzw. stres genotoksyczny). Poprzez reakcję deacetylacji enzym ten zwiększa zdolność do wiązania czynnika Ku70 z białkiem proapoptotycznym z rodziny Bcl-2 (Bax, Bcl-2-assosiated protein X), co chroni komórki przed ich uszkodzeniem przez białka szlaku Bax. Natomiast acetylowana postać Ku70 nie jest zdolna do wiązania białka Bax, jest transportowana do mitochondrium, gdzie inicjuje proces apoptozy komórki. Badania przeprowadzane na komórkach wyizolowanych z serca myszy wykazały, że w warunkach stresu komórkowego wzrasta stężenie długiej formy SIRT3, czego nie zaobserwowano w przypadku SIRT3 o mniejszej masie cząsteczkowej. W komórkach o zahamowanej aktywności SIRT3 (transfekowanych siRNA), wykazano ich większą podatność na śmierć komórkową. W warunkach OS indukowanego czynnikami zewnętrznymi, takimi jak MNNG (N-metyl-N’-nitro-N-nitrozoguanidyny) czy H₂O₂, zaobserwowano, że komórki o zwiększonej ekspresji SIRT3 miały mniejszy stopień zaawansowania procesu prowadzącego do śmierci komórkowej w porównaniu z komórkami o zahamowanej aktywności SIRT3. Ponadto wykazano, że ekspresja SIRT3 w mitochondrium, w warunkach stresu komórkowego ulega zwiększeniu. W mitochondrium wykazano obecność krótkiej formy SIRT3, natomiast dłuższa izoforma była umiejscowiona zarówno w mitochondrium, cytoplazmie jak i w jądrze komórkowym. Mimo że w badaniach in vitro udowodniono zdolność wiązania białka Ku70 przez 28-kDa SIRT3, w komórkach proces ten nie zachodzi, gdyż deacetylaza ta jest obecna jedynie w mitochondrium, w którym białko Ku70 nie występuje. Reakcja acetylacji katalizowana przez PCAF jest odwracana przez SIRT3 [93], co potwierdzili Luo i wsp. [52] u pacjentów z glejakiem mózgu oraz w badaniach in vitro na liniach komórkowych (komórki glejaka U87 i U251). Autorzy wytypowali SIRT3 jako niezależny czynnik prognostyczny choroby (pacjenci z wyższą ekspresją SIRT3 wykazywali znacznie krótszy całkowity czas przeżycia) oraz wykazali, iż nadekspresja SIRT3 w obu liniach komórkowych wpływała na zwiększenie żywotności komórek, natomiast obniżenie ekspresji enzymu osłabiało ich wzrost. Jako ścieżkę sygnalizacyjną powyższych zależności wskazano deacetylację białka Ku70 przez SIRT3 i wpływ tej reakcji na stabilizację oddziaływania Ku70-Bax.

Dehydrogenaza glutaminianowa (GDH, glutamate dehydrogenase) jest enzymem występującym w mitochondrium, którego funkcją jest katalizowanie reakcji przekształcania L-glutaminianu w α-ketoglutaran, z wytworzeniem produktu ubocznego – jonu amonowego. W komórkach pochodzących od myszy z nokautem genu SIRT3, wykazano zwiększony stopień acetylacji białek mitochondrialnych, m.in. GDH, która miała acetylowaną lizynę zlokalizowaną w pozycji 527 (K527). Inkubacja SIRT3 z GDH zmniejsza stopień acetylacji tej dehydrogenazy, co potwierdza, iż jest ona substratem SIRT3. Zaobserwowano również, że powyższa reakcja jest hamowana przez inhibitor sirtuin – nikotynamid. Nie wykazano natomiast wpływu tych zmian na stan metaboliczny i ogólny stan zdrowia myszy, od których pochodziły komórki o zmniejszonej ekspresji SIRT3 [50].

Dehydrogenaza bursztynianowa (SDH, succinate dehydrogenase) jest enzymem uczestniczącym w cyklu Krebsa, zlokalizowanym w błonie mitochondrium, który katalizuje reakcje odwodornienia bursztynianu, w wyniku czego powstaje produkt reakcji - fumaran. Kompleks dehydrogenazy bursztynianowej składa się z czterech podjednostek: SDHA, SDHB, SDHC oraz SDHD. Wykazano, iż SDHA, której funkcją jest m.in. wiązanie dinukleotydu flawinoadeninowego (FAD, flavin adenine dinucleotide), jest potencjalnym substratem do działania SIRT3. W komórkach o zahamowanej aktywności SIRT3, pochodzących od myszy z nokautem genu SIRT3, zaobserwowano wzrost stopnia acetylacji dwóch białek - podjednostki SDHA oraz GDH. Acetylacja podjednostki A dehydrogenazy bursztynianowej dotyczy reszt lizyny zlokalizowanych w pozycjach K179, K485, K498 oraz K538, czego skutkiem jest zahamowanie aktywności SDH w komórkach o zmniejszonej ekspresji SIRT3. W wyniku oddziaływania na komórki białaczkowe linii K562 inhibitora SIRT3 - nikotynamidu oraz aktywatora tej deacetylazy – kemferolu, odnotowano zarówno obniżoną aktywność podjednostki SDHA, wynikającą ze wzrostu stopnia jej acetylacji, jak również zwiększenie aktywności tego białka, co wskazuje, że za regulację ekspresji tej podjednostki SDH odpowiada SIRT3. Z powyższego wynika, że SIRT3 zwiększając aktywność SDH reguluje cykl Krebsa oraz fosforylację oksydacyjną, co prowadzi do wzmożonego wytwarzania ATP [8]. Finley i wsp. [16] także wykazali, że SIRT3 przez oddziaływanie przede wszystkim na podjednostkę SDHA, ale również na podjednostkę SDHB, reguluje aktywność SDH zarówno w wyizolowanych komórkach, jak i w mysiej brunatnej tkance tłuszczowej.

Funkcja glikozylazy 8-oksoguaniny (OGG1, 8-oxoguanine glycosylase) polega na usuwaniu z uszkodzonej nici DNA 8-oksoguaniny (8-oxoG) powstającej w wyniku działania wolnych rodników tlenowych. Enzym ten ulega stabilizacji na skutek deacetylacji przeprowadzanej przez SIRT3. Aktywność OGG1 jest zależna od stopnia jej acetylacji, przeprowadzanej przez białko p300, która prowadzi do jego degradacji. W komórkach, w których zwiększono aktywność SIRT3, odnotowano zmniejszenie stopnia acetylacji OGG1 w porównaniu do grupy kontrolnej o niezmienionej ekspresji SIRT3. Wykazano także, że stężenie tej glikozylazy było niższe w komórkach o zmniejszonej aktywności deacetylazy i wyższe w komórkach o wzmożonej aktywności SIRT3, w porównaniu do próby kontrolnej, co świadczy o wpływie tej reakcji na stabilizację cząsteczki OGG1. W wyniku działania na komórki promieniowania jonizującego nadmiernie odkłada się 8-oxoG, które dodatkowo wzrasta podczas zahamowanej ekspresji SIRT3, a to powoduje uszkodzenia mtDNA. Brak aktywności deacetylazy prowadzi do wzrostu intensywności przebiegu procesu apoptozy spowodowanego degradacją OGG1 i związaną z tym zmniejszoną zdolnością do naprawy mtDNA [6].

Sirtuina 3 ze względu na mitochondrialne umiejscowienie odgrywa ważną rolę w ochronie komórek, zwłaszcza DNA, przed działaniem czynników uszkadzających. Podkreślany jest również jej udział w modulacji intensywności procesu apoptozy. Wzrost aktywności SIRT3 w warunkach stresu oksydacyjnego, jak również jej zdolność do ograniczania powstawania ROS powoduje, że SIRT3 jest ważnym czynnikiem protekcyjnym komórek. Odgrywa także rolę w regulacji metabolizmu komórkowego, zwłaszcza przez wpływ na dehydrogenazę bursztynianową i glutaminianową.

Udowodniono, że GDH może pobudzać metabolizm glutaminianu i glutaminy, z wytworzeniem ATP, co sprzyja wydzielaniu insuliny. Haigis i wsp. [22] w mysich komórkach β trzustki wykazali mitochodrialną lokalizację SIRT4, która poprzez zależną od NAD⁺ ADP-rybozylację GDH, hamuje aktywność enzymatyczną tej dehydrogenazy, z równoczesnym spadkiem wydzielania insuliny, co może być łagodzone przez stosowanie restrykcji kalorycznej w diecie. Badacze potwierdzili również występowanie tego enzymu w mitochondrium fibroblastów ludzkich oraz komórek mysich. Mimo iż nie stwierdzono w tych komórkach deacetylacyjnej aktywności SIRT4, wykazano jej zdolność do katalizowania reakcji ADP-rybolyzacji w wyniku interakcji z GDH, co zostało dodatkowo potwierdzone przez zahamowanie tej reakcji za pomocą inhibitorów swoistych dla sirtuin. W komórkach guza insulinowego o zmniejszonej ekspresji SIRT4 zaobserwowano wzrost aktywności GDH w porównaniu do komórek kontrolnych, bez zauważalnego zwiększenia stężenia tego enzymu [22].

Dekarboksylaza malonylo-CoA (MCD, malonyl-CoA decarboxylase) jest enzymem katalizującym reakcję konwersji malonylo-CoA w acetylo-CoA. MCD występuje w dwóch izoformach: o masie cząsteczkowej 54,7 i 50,7 kDa. Laurent i wsp. [45] wykazali, że mitochondrialna SIRT4 pełni funkcję regulatora homeostazy lipidów. SIRT4 deacetyluje i hamuje aktywność MCD, a przez to hamuje zarówno wytwarzanie malonylo-CoA, który uczestniczy w lipogenezie, jak również utlenianie tłuszczy. W komórkach o zwiększonej ekspresji SIRT4 autorzy zaobserwowali wzmożoną syntezę oraz magazynowanie lipidów i triglicerydów. Odwrotne działanie zaobserwowano w komórkach o zahamowanej ekspresji tej deacetylazy (myszy z nokautem genu SIRT4), a dodatkowo wykazano wzrost intensywności reakcji utleniania kwasów tłuszczowych. Zależności takiej nie zaobserwowano w przypadku SIRT3 i SIRT5. W cząsteczce dekarboksylazy malonylo-CoA acetylacji ulegają reszty lizynowe umiejscowione w pozycjach K58, K167, K210, K316, K388, K444 oraz K471, nie zaobserwowano natomiast reakcji ADP-rybolyzacji, co może sugerować, że SIRT4 powoduje deacetylację tego enzymu. Ponadto w komórkach poddawanych działaniu nikotynamidu oraz w komórkach o zahamowanej ekspresji SIRT4, odnotowano wzrost acetylacji MCD. Wskazuje to, iż SIRT4 jest ważnym czynnikiem modulujący gospodarkę lipidową, który w wyniku oddziaływania z MCD hamuje reakcję utleniania kwasów tłuszczowych w mięśniach szkieletowych oraz stymuluje syntezę lipidów w żółtej tkance tłuszczowej [45].

Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (PDH, pyruvate dehydrogenase) składa się z trzech białkowych podjednostek: E1, E2 oraz E3. Jego funkcją jest katalizowanie reakcji dekarboksylacji pirogronianu, polegającej na przekształcaniu pirogronianu w acetylo-CoA [55]. Mathias i wsp. [54, 55] zaobserwowali, że SIRT4 jest zdolna do hamowania aktywności podjednostki E2 (transacetylaza dihydrolipoilowa) poprzez hydrolizę jej lipoamidowego kofaktora oraz wykazali jej działanie jako lipoamidazy (ale nie deacetylazy), która reguluje działanie kompleksu PDH. Efektywność działania kompleksu PDH wpływa na połączenie reakcji glikolizy z cyklem Krebsa, polegającej na przekształceniu pirogronianu w acetylo-CoA. Wykazano występowanie interakcji SIRT4 z trzema kompleksami enzymatycznymi: wspomniane wcześniej oddziaływanie z PDH, a także reakcja z kompleksem dehydrogenazy 2-oksoglutaranu (OGDH, 2-oxoglutarate dehydrogenase) oraz z kompleksem dehydrogenazy alfa-ketokwasów o rozgałęzionych łańcuchach (BCKDH, branched-chain α-ketoacid dehydrogenase complex) [54, 55]. Ponadto udowodniono, że SIRT4 wykazuje większą, zależną od NAD⁺, zdolność do przenoszenia grup biotynylowych i liponianowych z reszt lizynowych, niż grup acetylowych. Podjednostka E3 zawiera dwie reszty lizynowe zlokalizowane w pozycjach K132 oraz K259, z przyłączonymi grupami liponianowymi. W komórkach o wzmożonej ekspresji SIRT4 zauważono zwiększony stopień liponizacji podjednostki E3, która hamuje aktywność kompleksu PDH. Powyższe zależności zaobserwowane zarówno w badaniach na liniach komórkowych (ludzkie fibroblasty MRC5 i embrionalne ludzkie komórki nerek HEK293) jak i w komórkach wątroby myszy, potwierdzają, że SIRT4 wykazuje aktywność zależnej od NAD⁺ lipoamidazy PDH, w wyniku czego hamuje aktywność tego enzymu i zaburza przebieg procesu glikolizy [54, 55].

Receptor α aktywowany przez proliferatory peroksysomów (PPARα) jest jądrowym receptorem steroidowym, występującym w komórkach brunatnej tkanki tłuszczowej, którego funkcją jest regulacja metabolizmu lipidów. Laurent i wsp. [44] zaobserwowali, że stężenie SIRT4 w wątrobie spada podczas głodzenia, hepatocyty modyfikowanych gene-tycznie myszy SIRT4 (KO), z wyłączonym genem SIRT4, wykazują zwiększoną ekspresję genów związanych z katabolizmem kwasów tłuszczowych, docelowych dla receptora PPARα. W związku z tym hepatocyty myszy SIRT4 (KO) mają wyższe tempo utleniania kwasów tłuszczowych niż hepatocyty osobników typu dzikiego, a nadekspresja SIRT4 zmniejsza tempo utleniania kwasów tłuszczowych. Wzmożone utlenianie kwasów tłuszczowych obserwowane w hepatocytach SIRT4 (KO) wymaga funkcjonalnego wsparcia przez SIRT1, co dowodzi wyraźnej wzajemnej interakcji między sirtuinami mitochondrialnymi i jądrowymi. Zaobserwowano, iż w komórkach wątrobowych myszy, w których jest obecna SIRT1 i SIRT4 dochodzi do aktywacji PPARα przez SIRT1, lecz w wyniku nadmiernej ekspresji SIRT4 proces ten zostaje zahamowany, co wskazuje, iż SIRT4 powoduje zaburzenia w oddziaływaniu SIRT1 z PPARα, w wyniku czego dochodzi do zahamowania utleniania kwasów tłuszczowych oraz obniżenia ekspresji genów odpowiedzialnych za metabolizm tłuszczy. Laurent i wsp. [44] wskazują SIRT4 jako nowy, istotny składnik sygnalizacji mitochondrialnej w wątrobie i podkreślają jej działanie jako ważnego regulatora metabolizmu lipidów.

Reasumując, sirtuina 4 jest ważnym czynnikiem regulującym przemiany metaboliczne. Dzięki zdolności do modulowania aktywności GDH i PDH odgrywa ważną rolę w procesach przemian glukozy w organizmie. Odgrywa również ważną rolę w regulacji procesów metabolizmu lipidów w wątrobie, zwłaszcza przez regulację ekspresji receptora α aktywowanego przez proliferatory peroksysomów.

Dehydrogenaza bursztynianowa (SDH, succinate dehydrogenase) to białkowy kompleks, który bierze udział w cyklu kwasu cytrynowego oraz transporcie elektronów w łańcuchu oddechowym. Podjednostki enzymu SDHA oraz SDHB mają miejsca, które w wyniku obniżonej ekspresji SIRT5 ulegają reakcji bursztynylacji. W wyniku oddziaływania z SIRT5 zostaje zahamowana zdolność kompleksu SDH do katalizowania reakcji utleniania bursztynianu do fumaranu, z jednoczesną redukcją ubichinonu. Zahamowana aktywność SDH sprzyja gromadzeniu się reaktywnych form tlenu i bursztynianu w komórce, prowadząc do zaburzeń w metabolizmie wewnątrzkomórkowym oraz w wydolności oddechowej komórki, co ujawnia się zaburzeniem stosunku FAD/FADH₂ oraz zwiększonym wytwarzaniem reaktywnych form tlenu (zwłaszcza anionu ponadtlenkowego). Nagromadzenie bursztynianu w cytozolu komórki pośrednio wpływa również na modulowanie aktywności czynnika transkrypcyjnego indukowanego hipoksją (HIF-1), co może prowadzić do indukcji procesu nowotworowego i angiogenezy [71, 88].

Wykazano istnienie 6 białek zawierających malonylowane reszty lizynowe, które podlegają regulacji przez SIRT5. Spośród nich największy stopień modyfikacji lizyny w przebiegu reakcji malonylacji wykazała aldolaza B, katalizująca przemianę fruktozo-1,6-difosforanu w aldehyd 3-fosfoglicerynowy (G3P, glyceraldehyde 3-phosphate) i fosforan dihydroksyacetonu (DHAP, dihydroxyacetone phosphate) oraz dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego (GAPDH, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase), która przekształca aldehyd 3-fosfoglicerynowy w 1,3-bisfosfoglicerynian. W hepatocytach myszy z nokautem genu SIRT5, zaobserwowano zaburzenia w cyklu glikolitycznym, spowodowane zmniejszonym stężeniem glukozy ulegającej utlenieniu, w porównaniu do myszy typu dzikiego z grupy kontrolnej. W cząsteczce GAPDH największy stopień malonylacji wykazano dla reszty lizyny znajdującej się w pozycji 184, co jest istotne w procesie modulowania aktywności tego enzymu, która w wyniku takiej modyfikacji ulega zahamowaniu. SIRT 5 przez demalonylację GAPDH zapobiega hamowaniu aktywności tej dehydrogenazy [67].

Glutaminaza (GLS, glutaminase) jest enzymem katalizującym reakcję deaminacji glutaminy, która polega na przekształceniu tego aminokwasu w glutaminian przez przyłączenie cząsteczki wody i odłączenie amoniaku. Polletta i wsp. [74] wykazali, że w komórkach myszy o zmniejszonej ekspresji SIRT5, aktywność GLS była zwiększona, w przeciwieństwie do komórek o zwiększonej ekspresji deacetylazy - obserwowano zahamowanie aktywności GLS. Poprzez debursztynylację GLS, SIRT5 obniża syntezę i magazynowanie amoniaku, co bezpośrednio wpływa na ograniczenie zależnego od amoniaku procesu autofagii w komórkach. Ponadto udowodniono, iż w wyniku wyciszania ekspresji SIRT5 zwiększa się selektywna degradacja mitochondrium, analogicznie do autofagii, natomiast w komórkach o zwiększonej ekspresji SIRT5 degradacja tego organellum jest zmniejszona. Wykazano także wpływ SIRT5 na inne procesy zachodzące w mitochondrium. W komórkach o zwiększonej ekspresji SIRT5 zaobserwowano m.in. zwiększone wytwarzanie kwasu mlekowego, natomiast w komórkach, u których zahamowano aktywność sirtuiny, jego wytwarzanie zmniejszało się [74].

Karbomoilofosforanowa syntetaza I (CPS1, carbamoyl phosphate synthetase I) jest enzymem pełniącym kluczową rolę w początkowym etapie cyklu mocznikowego, katalizującym reakcję między jonami HCO₃⁻ oraz NH₄⁺ podczas syntezy karbamoilofosforanu, zachodzącą w matriks mitochondrialnym [60, 65]. Umożliwia to kontrolowanie przebiegu procesu detoksykacji organizmu przez monitorowanie stężenia amoniaku powstającego podczas glukoneogenezy, w której wykorzystywane są aminokwasy (np. podczas długotrwałego głodzenia) [14]. Nagakawa i wsp. [65] zaobserwowali, że SIRT5 deacetyluje CPS1 i aktywuje ją, nie wykazano natomiast wpływu SIRT5 na dalsze etapy cyklu mocznikowego, które zachodzą w cytoplazmie komórki. Udowodniono również, że w komórkach o zmniejszonej ekspresji SIRT5 reszty lizynowe (w pozycjach 44, 287 i 1291) enzymu CPS1 ulegają zwiększonej bursztynylacji, a przeciwstawne działanie podwyższonych stężeń SIRT5 zostało potwierdzone w badaniach przeprowadzonych in vivo na myszach [11]. Badania przeprowadzone na myszach przez Rardina i wsp. [78] wykazały, iż reszty lizynowe obecne w CPS1 ulegają modyfikacji przez reakcję glutarylacji w 33 miejscach docelowych, która powoduje zahamowanie aktywności syntetazy. Inni autorzy w badaniach in vitro oraz in vivo wykazali także zdolność SIRT5 do katalizowania reakcji deglutarylacji [94]. Przedstawione wyniki badań wykazują jednoznacznie, że SIRT5 reguluje cykl mocznikowy oraz przemiany amoniaku w komórkach przez istotne modulowanie aktywności CPS1 [78, 94].

Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (PDC) to białkowy kompleks katalizujący reakcje przemiany pirogronianu w acetylo-CoA w procesie dekarboksylacji pirogronianu w cyklu Krebsa. W badaniach na komórkach pochodzących od myszy wykazano, że SIRT5 oddziałuje na PDC hamując jego aktywność, co potwierdzono również w badaniach przeprowadzonych na linii pierwotnych ludzkich komórek zarodkowych nerki (HEK, human embryonic kidney). SIRT5 jako enzym o lokalizacji mitochondrialnej, odgrywa istotną rolę w reakcji sukcynylacji lizyny białek cytozolowych i jądrowych, wpływając przez to na metabolizm komórki. Ponadto, SIRT5 hamuje aktywność biochemiczną i oddychanie komórkowe przez oddziaływanie z dwoma kompleksami białkowymi, tj. z omówionym wyżej kompleksem dehydrogenazy bursztynianowej oraz kompleksem dehydrogenazy pirogronianowej, modulując w ten sposób przebieg glikolizy [71].

Oksydaza moczanowa (UOX, urate oxidase) jest enzymem katalizującym reakcję przekształcania kwasu moczowego w alantoinę w cyklu mocznikowym. W komórkach wątroby transgenicznych myszy z nadekspresją SIRT5 zaobserwowano obniżony stopień acetylacji reszt lizynowych UOX oraz jej zwiększoną aktywność prawie o 50%, w porównaniu do aktywności u myszy typu dzikiego. U myszy z obniżoną aktywnością SIRT5 wystąpiła hiperurikemia i nefropatia, co doprowadziło do śmierci zwierząt. Autorzy konkludują, że SIRT5 aktywuje UOX przez jej deacetylację w mitochondriach komórek wątroby myszy, natomiast nie w cytozolu [66].

Syntaza 2 3-hydroksy-3-metyloglutarylo-CoA(HMGCS2, 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase 2) to enzym kontrolujący przemianę acetylo-CoA oraz acetoacetylo-CoA w 3-hydroksy-3-metyloglutarylo-CoA (HMG-CoA, hydroxymethylglutaryl-CoA). W wyniku zahamowania aktywności SIRT5, HMGCS2 ulega nadmiernej bursztynylacji w 12 z 15 docelowych reszt lizynowych, zwłaszcza w pozycjach 83, 310, 350, 354 i 358. Bursztynylacja i debursztynylacja kontrolowana przez SIRT5, wpływa na możliwość przyłączenia grupy fosforanowej acetylo-CoA do miejsca wiążącego w HMGCS2, poprzez modyfikację domeny wiążącej substraty tego enzymu, odpowiednio ją hamując lub aktywując. Opisane zależności między debursztynylacją i aktywacją HMGCS2 przez SIRT5, wpływają także na zwiększenie ketogenezy w komórkach wątroby [78].

Na podstawie tych informacji można stwierdzić, że sirtuna 5 biorąc czynny udział w procesach metabolicznych, zwłaszcza przemianach amoniaku oraz cyklu mocznikowym, odgrywa ważną rolę w komórkach w stanie głodzenia. Niedobór SIRT5 poważnie zaburza przemianę glukozy w wątrobie. Podobnie jak SIRT4, SIRT5, przez modulację aktywności dehydrogenazy bursztynianowej, wpływa na metabolizm energetyczny i oddechowy komórek. W przeciwieństwie do wcześniej opisanych sirtuin, jej działanie opiera się przede wszystkim na reakcjach demalonylacji, deglutarylacji czy debursztynylacji.

Sirtuina 6 przeprowadza reakcję deacetylacji reszty lizyny umiejscowionej w pozycji 9 histonu 3, wpływając na obszary telomeryczne chromatyny i długość życia komórek [96]. W ludzkich fibroblastach (komórki linii WI-89) o zahamowanej przez shRNA aktywności SIRT6, zaobserwowano około 10-krotne skrócenie okresu replikacyjnego oraz przyśpieszone starzenie komórek. Mechanizm procesu polegał na zaburzeniach struktury miejsc telomerowych chromatyny, których połączenie może prowadzić do powstania chromosomów dicentrycznych. Zaobserwowano, iż zaburzeniom tym zapobiega SIRT6, która podczas fazy S podziału komórki obecna jest w końcowych fragmentach chromatyny [62]. Badania nad potencjalnymi histonowymi substratami SIRT6, wykazały, iż jest zdolna do deacetylacji reszty lizynowej występującej w pozycji 56 w histonie 3. Proces acetylacji histonu związany jest z odpowiedzią komórki na uszkodzenie DNA oraz z utrzymaniem stabilności genetycznej. Początkowo uważano, że jedynymi sirtuinami odpowiedzialnymi za deacetylację H3K56 są SIRT1 i SIRT2, lecz w późniejszych badaniach wykazano, że SIRT6 również ma taką właściwość. W komórkach pochodzących z mózgu i grasicy myszy o zahamowanej aktywności SIRT6 zaobserwowano znaczący wzrost acetylacji H3K56 oraz występowanie nieprawidłowych struktur telomerów [62, 109]. Ponadto wykazano, iż podobnie jak w przypadku H3K9, procesy acetylacji i deacetylacji H3K56 zachodzą w miejscach telomerowych chromatyny, a intensywność z jaką są przeprowadzane zależy od faz cyklu komórkowego. Skutkiem nadmiernej acetylacji jest zaburzenie w strukturze chromatyny i zwiększenie wrażliwości komórki na uszkodzenia DNA [62].

Czynnik indukowany hipoksją 1α odpowiada za regulację genów odpowiedzialnych za metabolizm glukozy. W badaniach przeprowadzonych na komórkach myszy z niedoborem SIRT6, zaobserwowano zwiększony wychwyt dokomórkowy glukozy i wczesne wystąpienie śmiertelnej hipoglikemii. Ponadto zaobserwowano wzmożoną ekspresję błonowego transportera glukozy (GLUT1, glucose transporter 1) [116]. Wykazano, że SIRT6 działa jako deacetylaza histonowa H3K9, kontrolująca ekspresję wielu genów glikolitycznych, jednak brak było zależności między ekspresją SIRT6 i zwiększeniem intensywności procesu glikolizy, co miało związek ze wzrostem stężenia mleczanu i zmniejszoną intensywnością procesów oddychania mitochondrialnego. Stwierdzono również zwiększoną ekspresję genów regulujących metabolizm glukozy, takich jak np. dehydrogenaza mleczanowa (LDH, lactate dehydrogenase), fosfofruktokinaza (PFK1, phosphofructokinase-1) czy izomeraza triozofosforanowa (TIM, triosephosphate isomerase). Wskazywanym mechanizmem działania w tych procesach jest przeprowadzana przez SIRT6 deacetylacja reszty lizyny w pozycji 9 histonu 3, znajdującego się w miejscach promotorowych genów regulujących metabolizm glukozy, a to hamuje ich ekspresję [116, 117]. Zhong i wsp. [117] wykazali, iż SIRT6 reguluje transkrypcję zależną od HIF1α, co wiąże się z jej aktywnością katalityczną. W komórkach myszy z wyciszoną ekspresją deacetylazy, zaobserwowano wzrost aktywności i stabilności HIF1α, co potwierdza zależność stopnia aktywności HIF1α od ekspresji SIRT6 [117].

Wytwarzanie glukozy w komórkach wątroby jest kontrolowane m.in. przez czynnik PGC-1α, który jest głównym regulatorem metabolizmu energetycznego komórki oraz czynnikiem regulującym ekspresję enzymów odpowiadających za glukoneogenezę. Zawiera 13 reszt lizynowych, które tworzą potencjalne miejsca przyłączenia grup acetylowych. W wyniku działania acetylotransferazy GCN5 na czynnik PGC-1α dochodzi do reakcji acetylacji, która hamuje jego aktywność [95]. Badania przeprowadzone przez Dominy i wsp. [9] na komórkach wątroby myszy szczepu Lepr(db/db), będących zwierzęcym modelem otyłości i cukrzycy wykazały, iż większa aktywność SIRT6 zwiększa stopień acetylacji PGC-1α. Jest to jedyna sirtuina mająca taki wpływ na PGC-1α. Komórki o sztucznie wyciszonej ekspresji deacetylazy miały zmniejszony stopień acetylacji PGC-1α. Mechanizm tej reakcji jest zależny od aktywności katalitycznej SIRT6 i opiera się na jej oddziaływaniu z acetylotransferazą histonową GCN5, przez zmianę w budowie chemicznej PGC-1α, która polega na deacetylacji lizyny znajdującej się w pozycji 549 oraz powstaniu dwóch reszt aminokwasowych będących miejscami docelowymi reakcji fosforylacji (S307 i T735). Powoduje to wzrost aktywności transkrypcyjnej PGC-1α, potwierdzony w badaniach przeprowadzonych in vitro na komórkach wątroby pochodzących od myszy szczepu Lepr(db/db) [9]. Wykazano także, że deacetylowana reszta lizynowa ma znacznie większy wpływ na aktywność GCN5 niż dwie fosforylowane reszty aminokwasowe. W komórkach o zwiększonej ekspresji SIRT6 zaobserwowano zmniejszenie aktywności karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej oraz glukozo-6-fosfatazy, które są aktywowane przez PGC-1α. Ponadto zaobserwowano hamowanie ekspresji PGC-1α oraz obniżenie stężenia glukozy we krwi badanych zwierząt. Autorzy konkludują, że aktywacja wątrobowej SIRT6 może być w przyszłości dobrym celem terapeutycznym w cukrzycy i insulinooporności [9].

W komórkach linii kostniakomięsaka U2OS, o zmniejszonej aktywności SIRT6, zaobserwowano obniżenie intensywności naprawy rekombinacyjnej jednej ze ścieżek w przypadku uszkodzeń obu nici DNA. Nie zaobserwowano natomiast wpływu braku ekspresji SIRT6 na stężenie białek związanych z resekcją końcowych fragmentów DNA lub rekrutacji tych białek do miejsca naprawy DNA, co wskazuje, że SIRT6 oddziałuje bezpośrednio z czynnikami odpowiedzialnymi za wycinanie końcowych fragmentów DNA. Wykazano obecność w komórce acetylowanego białka CtIP (C-terminal-binding protein interacting protein), które przez oddziaływanie z SIRT6 ulegało deacetylacji, a uszkodzenia DNA zwiększały jego stopień acetylacji. Deacetylacja białka CtIP wpływa na wzrost intensywności naprawy DNA poprzez wycięcie jego końcowych fragmentów, co jest kluczowym etapem w naprawie pęknięcia dwuniciowego DNA. Natomiast nieacetylowalna, zmutowana postać CtIP, łagodzi skutek wyczerpania SIRT6 podczas naprawy DNA. Obserwacje wskazują na ważną rolę CtIP jako substratu dzięki któremu SIRT6 uczestniczy w naprawie DNA [36].

W odpowiedzi na uszkodzenie podwójnej nici DNA, sirtuina 6 wykazuje zdolność do oddziaływania z DNA-zależną kinazą białkową (DNA-PK, DNA-dependent protein kinase), w wyniku czego dochodzi do stabilizacji DNA [58]. W komórkach myszy z nokautem genu SIRT6 wykazano niestabilność genomową i nadwrażliwość DNA na uszkodzenia. Zaobserwowano, że SIRT6 tworzy duży kompleks makromolekularny, w skład którego wchodzą: DNA-PK, Ku80 i Ku70, oraz oddziałuje z czynnikiem naprawy uszkodzeń DNA występującym w obu niciach, tworząc tzw. holoenzym DNA-PK oddziałujący z SIRT6 poprzez podjednostkę katalityczną. Wykazano zdolność oddziaływania deacetylazy z nukleosomem, inicjowanego przez działanie na komórkę czynników powodujących uszkodzenia DNA. W odpowiedzi na powstałe uszkodzenia, w obu niciach DNA (DSB, DNA double-strand break) SIRT6 łączy się dynamicznie z chromatyną, co jest niezbędne do obniżenia stopnia acetylacji lizyny 9 histonu H3 [58]. Ponadto odnotowano zmniejszoną rekrutację DNA-PK w miejscu DSB i wzrost kumulacji zdegradowanego materiału gene-tycznego, jedynie podczas oddziaływania tej kinazy na chromatynę, natomiast nie odnotowano wpływu braku aktywności SIRT6 na DNA-PK, gdy DNA nie było związane z chromatyną [58].

Polimeraza 1 poli-(ADP-rybozy) (PARP1, poly(ADP-ribose) polymerase-1) wykazuje aktywność polimerazową względem poli-(ADP-rybozy) i jest aktywowana przez SIRT6. SIRT6 wiąże się z PARP1, a to stymuluje jej aktywność, katalizując reakcję ADP-rybolyzacji reszty lizynowej w pozycji 521 PARP1. PARP1 wiąże się z miejscem uszkodzenia DNA, a dzięki zmianie w jej strukturze, następuje autoaktywacja polimerazy i naprawa uszkodzeń DNA. Następnie PARP1 oddziałuje z histonami i kompleksami (SIRT6-PARP1) remodelującymi chromatynę, czego rezultatem jest rekrutacja czynników naprawczych w miejsce uszkodzenia. W wyniku tej reakcji dochodzi do indukcji naprawy uszkodzeń obu nici DNA przez mechanizm łączenia niehomologicznych końców oraz naprawę rekombinacyjną, co jest szczególnie widoczne w warunkach OS. Gdy na komórkę o zwiększonej ekspresji SIRT6 nie oddziałuje OS intensywność naprawy DNA wzrasta nieznacznie [53].

Podsumowując, sirtuina 6, podobnie jak SIRT1, jest najlepiej poznanym i opisanym białkiem o aktywności enzymatycznej z rodziny deacetylaz histonów, zależnej od NAD+. SIRT6 wpływa na stabilizację DNA w komórce, a przy jej niedoborze nić DNA jest bardziej podatna na uszkodzenia. Zwraca się również uwagę na jej istotną rolę w naprawie uszkodzeń DNA przez oddziaływanie na białko CtIP. Dzięki zdolności deacetylacji lizyny, SIRT6 wpływa pośrednio na czas przeżycia komórki. Nie bez znaczenia pozostaje również jej rola w metabolizmie glukozy, przez wpływ na czynnik PGC-1α oraz w procesach oddechowych komórki, zwłaszcza przez modulowanie aktywności czynnika HIF1α.

Sirtuina 7 wykazuje selektywną zdolność deacetylacji reszty lizyny w pozycji 18 w miejscu promotorowym białka histonowego H3. Hamuje to aktywność transkrypcyjną oraz stabilizuje komórki nowotworowe. Mimo iż SIRT7 pełni istotną rolę w stabilizacji transformowanych komórek, to nie wpływa jednoznacznie na proces transformacji [2]. Wykazano zwiększoną aktywność SIRT7 w komórkach nowotworowych. Liczba genów docelowych SIRT7 jest częściowo zdefiniowana przez jej interakcję z czynnikiem ELK4-ETS (cancer-associated E26 transformed specific (ETS) transcription factor ELK4) i obejmuje liczne geny związane z supresją nowotworu [2]. Ponadto wykazano zależność między aktywnością enzymatyczną białka Dicer, rybonukleazy III, która prowadzi do powstawania siRNA, a ekspresją SIRT7, co ma bezpośredni wpływ na stopień acetylacji białka H3K18 [113]. Udowodniono, iż podczas uszkodzenia DNA (np. przez doksorubicynę, cisplatynę, promieniowanie jonizujące) enzym ten oddziałuje w cytoplazmie z SIRT7 tworząc swoisty kompleks. Zwiększona ekspresja białka Dicer w komórkach powoduje degradację deacetylazy w miejscach związanych z chromatyną, zwiększając acetylację reszty lizyny histonu 3 [113]. SIRT7 jest również zdolna do NAD⁺-zależnej debursztynylacji histonów. Jest ona rekrutowana w miejsca pęknięć dwuniciowego DNA, zależnie od polimerazy 1 poli[ADP-rybozy], przeprowadzając reakcję debursztynylacji reszty lizynowej w pozycji 122 histonu 3. Wywołuje to kondensację chromatyny i umożliwia przeprowadzenie procesów naprawczych zależnych od DSB [46]. Ponadto zaobserwowano zdolność SIRT7 do oddziaływania z różnymi białkami związanymi z naprawą DNA, np. Ku70, Ku80, PARP1, co potwierdza hipotezę o udziale deacetylazy w naprawie uszkodzeń DNA. Wykazano, iż część zasobów SIRT7 w jądrze zostaje natychmiast zrekrutowanych do miejsca uszkodzenia DNA, co sugeruje, iż SIRT7 odgrywa znaczącą rolę we wczesnych etapach naprawczych [46]. Wykazano, że katalizowana w jądrze reakcja debursztynylacji jest istotnym czynnikiem wpływającym na skuteczność procesów naprawczych DNA, polegających na scalaniu niehomologicznych końców DNA oraz rekombinację homologiczną. W komórkach o zmniejszonej ekspresji SIRT7 zaobserwowano zwiększoną predyspozycję komórek do wchodzenia na szlak apoptozy, niż w komórkach o niezmienionej aktywności tej deacetylazy [46].

Czynniki indukowane hipoksją 1α i 2α (HIF1α, hypoxia-inducible factor 1α; HIF2α, hypoxia-inducible factor 2α) są to białka należące do rodziny czynników transkrypcyjnych indukowanych hipoksją. HIF1 jest heterodimerem składającym się z podjednostek HIF1α oraz HIF1β. Analogicznie, HIF2 to heterodimer składający się z podjednostek HIF2α oraz HIF2β. Obydwa czynniki regulują homeostazę tlenową w komórkach [89]. Czynnik HIF1α ulega degradacji poprzez szlak ubikwintynowy zależny od pVHL (białko kodowane przez gen VHL (3p25.3 [20])). Oddziaływanie HIF1α i pVHL jest możliwe wtedy jeśli dojdzie do hydroksylacji reszty proliny czynnika indukowanego hipoksją. W warunkach niskiego stężenia tlenu w komórce hydroksylacja proliny jest hamowana [57]. SIRT7 negatywnie wpływa na stężenie czynników HIF1α i HIF2α. Wykazano, że w komórkach o zmniejszonej aktywności SIRT7 stężenia tych białek, jak również ich aktywność transkrypcyjna znacznie wzrosły, natomiast aktywność katalityczna SIRT7 nie miała wpływu na zdolność do hamowania aktywności białek z rodziny HIF [27]. Liszt i wsp. [49] potwierdzili, iż obniżenie aktywności SIRT7 hamuje proliferację komórek i indukuje ich apoptozę. Autorzy wskazują, że SIRT7 pozytywnie reguluje transkrypcję polimerazy I RNA (RNA Pol I) i jest konieczna do utrzymania żywotności komórek u ssaków [49].

Białko Myc jest czynnikiem transkrypcyjnym, który kontroluje ekspresję genów, odpowiadając m.in. za proliferację i różnicowanie komórek, niestabilność genetyczną, czy kontrolę i regulację biogenezy rybosomów [90]. Sirtuina 7 jest aktywowana w razie stresu siateczki śródplazmatycznej (ERstress, endoplasmic reticulum stress), spowodowanego nadmiernym odkładaniem się na jej powierzchni niesfał-dowanych białek. Reakcją komórki na ten stan jest zahamowanie translacji, uwolnienie białek opiekuńczych oraz próba ponownego fałdowania białek, które mogą zakończyć się powodzeniem bądź wprowadzeniem komórki na szlak apoptozy. W komórkach o zwiększonej ekspresji SIRT7 (np. indukowanej lekami), odnotowano zmniejszenie intensywności ERstress oraz zmniejszenie stopnia apoptozy zależnej od ERstress, czego nie obserwowano w komórkach o zahamowanej aktywności katalitycznej tej deacetylazy [90]. SIRT7 oddziałuje z czynnikiem Myc, który kieruje ją i stabilizuje w miejscu promotorowym białek rybosomalnych. Następuje hamowanie ekspresji genów tych białek, translacji oraz wtórnie do zmniejszenia ERstress [90]. Badania na komórkach wątroby myszy ze stłuszczeniem wątroby wykazały, iż zwiększony ERstress powoduje stan zapalny i dochodzi do niealkoholowego stłuszczenia wątroby oraz wzrostu syntezy lipidów. Wyniki powyższych badań wskazują na wpływ SIRT7 na utrzymanie homeostazy metabolizmu wątrobowego i zapobieganie tym procesom chorobowym [90].

Podjednostka β1 białka wiążącego GA (GABPβ1, GA-binding protein β1 subunit) jest to czynnik transkrypcyjny należący do rodziny białek GABP, zwany inaczej Nrf2 - jądrowy czynnik transkrypcyjny (Nrf2, nuclear factor erythroid 2-related factor 2), składającej się z GABPα, GABPβ1 oraz GABPβ2, jednak spośród nich to GABPβ1 wykazuje największą zależność od SIRT7 [83]. W komórkach o sztucznie zwiększonej aktywności SIRT7, fibroblastach z mutacją w 75 kDa podjednostce oksydoreduktazy NADH-ubichinon (NDUFS1, NADH-ubiquinone oxidoreductase 75 kDa subunit, mitochondrial), odnotowano wzrost acetylacji GABPβ1. Sugeruje się, iż oddziaływanie SIRT7 na czynnik GABPβ1 korzystnie wpływa na ekspresję kodowanych przez jądrowe DNA białek mitochondrialnych [83]. Potwierdzeniem tego było przeprowadzenie reakcji acetylacji zależnej od p300, która okazała się całkowicie odwracalna w obecności tej deacetylazy. SIRT7 katalizuje usunięcie grup acetylowych z reszt lizyny w cząsteczce GABPβ1 w pozycjach 69, 340 oraz 369, co zaburza równowagę mitochondrialną, objawiającą się m.in. zwiększonym stężeniem kwasu mlekowego w komórce. Jest to spowodowane zaburzeniem tworzenia aktywnej transkrypcyjnie postaci heterotetradimeru GABPα/GABPβ [83]. Ponadto wykazano, że SIRT7 i GABPβ1 oddziałują na wiele wspólnych promotorów genów mitochondrialnych kodowanych przez nDNA, a to potwierdza ich wzajemne oddziaływanie na siebie [83].

Czynnik PAF53 (polymerase associated factor 53) jest to podjednostka polimerazy I RNA. Jej reszta lizynowa, znajdująca się w pozycji 373, ulega acetylacji przez CBP. Reakcja deacetylacji przeprowadzana przez SIRT7, wywołuje oddziaływanie acetylotransferazy CBP z RNA Pol I, zwiększając wiązanie rybosomalnego DNA (rRNA) oraz wzmożoną syntezę pre-rRNA. Stres komórkowy, wywołany np. niedostateczną podażą glukozy do komórek, powoduje przemieszczenie się SIRT7 z jąderka do nukleoplazmy, a to nasila acetylację reszt lizynowych PAF53 i zaburza transkrypcję przeprowadzaną przez RNA Pol I [5].

W badaniach przeprowadzonych na komórkach wątroby myszy z nokautem genu SIRT7 zaobserwowano oddziaływanie tej deacetylazy ze składowymi kompleksu ligazy ubikwitynowej - CUL4B/DDB1/DCAF1 E3. Wykazano, że SIRT7 wiąże się bezpośrednio z białkiem DDB1 (DNA damage-binding protein 1), natomiast nie wiąże się z białkiem TR4 (testicular receptor 4), które jest składową „sierocego” receptora jądrowego (TR4/TAK1, nuclear orphan receptor) odpowiedzialnego za metabolizm lipidów w komórce, doprowadzając do ubikwitynacji oraz degradacji białka DDB1 [37]. Wykazano, iż SIRT7 łączy się ze składowymi kompleksu ligazy ubikwitynowej przy braku TR4, a reakcja nie jest zależna od aktywności katalitycznej deacetylazy. W komórkach o zwiększonej ekspresji SIRT7 zaobserwowano, że enzym ten oddziałuje z kompleksem DCAF1/DDB1/CUL4B, przez co hamuje proces degradacji białka TR4. Zwiększa to syntezę i gromadzenie triglicerydów oraz wchłanianie kwasów tłuszczowych. SIRT7 katalizuje reakcje deacetylacji lizyny w pozycji 1121 czynnika DDB1, a w komórkach, w których doszło do tej reakcji, zdolność SIRT7 do oddziaływania z DCAF1 była mniejsza, a to powodowało zahamowanie aktywności kompleksu ligazy ubikwitynowej, wskazując, iż w reakcji tej substratem SIRT7 jest składowa DDB1 kompleksu ligazy ubikwitynowej [37]. Karim i wsp. [37] zaobserwowali także, że acetylacja DDB1 inicjuje wiązanie tego białka z CUL4, a jąderkowa SIRT7 została uznana za główną deacetylazę, która ujemnie reguluje oddziaływanie DDB1-CUL4. Autorzy ponadto wykazali, iż po zastosowaniu inhibitorów (np. aktynomycyny, 5-fluorouracylu) lub wyciszeniu genów polimerazy I RNA, SIRT7 transportowana jest z jąderka do nukleoplazmy i inicjuje deacetylację DDB1, co osłabia połączenia DDB1-CUL4 i obniża aktywność ligazy CRL4. Powoduje to nagromadzenie lub aktywację substratów CRL4 (w tym LATS1 i p73), przyczyniająć się do apoptozy komórek indukowanej przez zastosowane inhibitory SIRT7 i wskazywane jest jako nowy sposób regulacji kompleksów ligazy ubikwitynowej [37].

Badania nad oddziaływaniem SIRT7 z różnymi białkami związanymi z syntezą rybosomów wykazały dużą zależność między deacetylazą a kinazą treoninowo-serynową (mTOR, mammalian target of rapamycin kinase) i czynnikiem transkrypcyjnym C polimerazy III (TFIIIC2, transcription factor for polymerase III C) [97]. Wykazano także, iż wpływ SIRT7 na te czynniki jest niezależny od jej aktywności katalitycznej. W komórkach z wyciszoną ekspresją SIRT7 (za pośrednictwem siRNA) wykazano wzrost aktywności izoformy II B białka związanego z mikrotubulami (LC3B-II, microtubule-associated protein light chain 3), który jest wskaźnikiem intensywności procesu autofagii. Ponadto białko to jest hamowane w wyniku działania kinazy mTOR, co potwierdza związek aktywności SIRT7 ze szlakiem kinazy mTOR [97]. Zaobserwowano, iż SIRT7 oddziałuje z czynnikami transkrypcyjnymi GTF3C1 (general transcription factor IIIC subunit 1) i GTF3C3 (general transcription factor IIIC subunit 3), które są członkami rodziny TFIIIC2, pełniącymi istotną rolę w transkrypcji genów 5S rRNA oraz tRNA, przeprowadzanej przez polimerazę III. W komórkach z eksperymentalnie obniżoną aktywnością SIRT7, wykazano zmniejszoną syntezę białek, tRNA oraz rRNA, potwierdzając wpływ deacetylazy na biogenezę rybosomów [97].

Można zatem stwierdzić, że sirtuina 7 wpływa na zdolność transkrypcyjną, a obniżenie jej aktywności w komórce wiąże się z ograniczeniem zdolności proliferacyjnych, z jednoczesnym wzrostem apoptozy. SIRT7 oddziałując na białka histonowe wspomaga procesy naprawcze w komórce. Zwraca również uwagę jej regulacyjny wpływ na syntezę rybosomów, a także modulowanie metabolizmu lipidów przez wpływ na proces ubikwitynacji. SIRT7 odgrywa również rolę w procesie oddychania komórkowego, zwłaszcza poprzez oddziaływanie na czynniki indukowane hipoksją 1α i 2α.