Sirtuiny to metaboliczne enzymy czujnikowe, które jako kofaktor wykorzystują zredukowaną postać dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD+). Sirtuiny odgrywają ważną rolę w procesie starzenia.

Nowe badanie przedstawia wgląd w to, w jaki sposób enzym, który pomaga w regulacji starzenia i innych procesów metabolicznych, uzyskuje dostęp do naszego materiału genetycznego w celu modyfikacji ekspresji genów w komórce.

Zespół kierowany przez naukowców z Penn State stworzył obrazy enzymu sirtuiny związanego z nukleosomem, ciasno upakowanym kompleksem DNA i białek zwanych histonami. Pokazuje to, w jaki sposób enzym porusza się po kompleksie nukleosomów, aby uzyskać dostęp do DNA i białek histonowych, oraz wyjaśnia, jak działa u ludzi i innych zwierząt.

Sirtuiny to enzym występujący u zwierząt, od bakterii po ludzi, który odgrywa kluczową rolę w procesie starzenia, wykrywaniu uszkodzeń DNA i tłumieniu guzów w różnych nowotworach złośliwych. Firmy farmaceutyczne badają ich potencjał do zastosowań biomedycznych ze względu na ich różnorodne funkcje. Wiele uwagi poświęcono potencjałowi niektórych sirtuin do zmniejszania ekspresji genów poprzez usuwanie flagi chemicznej z białek histonowych.

Song Tan, Verne M. Willaman, profesor biologii molekularnej w Penn State, powiedział: „W naszych komórkach DNA nie jest nagie, jak widzimy to w podręcznikach; jest nawinięty wokół białek zwanych histonami w dużym kompleksie zwanym nukleosomem. To opakowanie może również dostarczać sygnałów do włączania lub wyłączania genów: dodanie flagi chemicznej „acetylu” do materiału opakowaniowego histonów włącza gen, podczas gdy usunięcie flagi acetylu wyłącza gen. Sirtuiny mogą wyciszyć aktywność genów poprzez usunięcie flagi acetylowej z histonów upakowanych w nukleosomach. Zrozumienie, w jaki sposób sirtuiny wchodzą w interakcję z nukleosomem w celu usunięcia tej flagi, może pomóc w przyszłych wysiłkach na rzecz odkrywania leków”.

Poprzednie badania koncentrowały się na tym, jak sirtuiny oddziałują z małymi segmentami histonów w izolacji. Jednak nukleosom jest sto razy większy niż standardowe peptydy histonowe stosowane w tych eksperymentach, a zatem znacznie trudniejszy do kontrolowania.

Jean-Paul Armache, asystent biochemii i profesor biologii molekularnej w Penn State, powiedział: „Zwizualizowaliśmy enzym sirtuiny o nazwie SIRT6 na jego fizjologicznie istotnym substracie, całym nukleosomie. Odkryliśmy, że SIRT6 oddziałuje z wieloma częściami nukleosomu, nie tylko z histonem, w którym ma zostać zmodyfikowana flaga acetylowa”.

Naukowcy zidentyfikowali, w jaki sposób SIRT6 ustawia się na nukleosomie, aby usunąć grupę acetylową z pozycji K9 na histonie H3 za pomocą mikroskopii krioelektronowej z instrumentami w Penn State Cryo-Electron Microscopy Facility, National Cancer Institute i Pacific Northwest Cryo – Centrum EM.

Naukowcy odkryli, że SIRT6 łączy się z nukleosomem poprzez „kotwicę argininową”. Laboratorium Tan opisał ten rodzaj wiązania w 2014 roku. Jest on wykorzystywany przez szereg białek, które celują w szczególnie kwaśną plamę na powierzchni nukleosomu. W tym scenariuszu rozszerzona pętla struktury SIRT6 zagnieżdża się w zagłębieniu w kwaśnej łacie, podobnie jak rura spoczywająca w rowie.

Powiedział, „Kotwica argininy jest powszechnym paradygmatem określającym, ile białek chromatyny oddziałuje z nukleosomem. Kiedy zmutowaliśmy kotwicę argininową SIRT6, aktywność w pozycji K9 została poważnie naruszona, wspierając krytyczną rolę kotwicy argininowej SIRT6. Co zaskakujące, ta mutacja wpłynęła również na aktywność enzymatyczną SIRT6 w innej pozycji, K56, znajdującej się znacznie dalej”.

SIRT6 może przyłączać się do nukleosomu na dwa różne sposoby, aby uzyskać dostęp do dwóch różnych lokalizacji histonów, lub może wiązać się z dostępem do K9 w sposób, który zapewnia również dostęp do K56.

Armache powiedział, „SIRT6 wiąże się z częściowo rozpakowanym nukleosomem, z DNA przesuniętym z końca nukleosomu. Odsłania to pozycję K56 i możliwe jest, że SIRT6 mógłby zasadniczo pochylić się, aby osiągnąć tę pozycję. Chcemy zweryfikować tę hipotezę w przyszłości. Mamy również nadzieję zbadać, w jaki sposób SIRT6 działa wraz z innymi enzymami i lepiej zrozumieć jego rolę w odpowiedzi na uszkodzenia DNA”.

National Institutes of Health w Stanach Zjednoczonych i Departament Zdrowia Pensylwanii sfinansowały to badanie z pieniędzy Tobacco CURE.

Odniesienie do czasopisma:

Chio, US, Rechiche, et al. Struktura Cryo-EM ludzkiego kompleksu 6-nukleosomów sirtuiny. Postępy nauki. DOI:10.1126/sciadv.adf7586