Sirt1 ed il suo ruolo fisiologico

Delle sette classi di Sirtuine individuate e studiate nei mammiferi, Sirt1 è stata l'isoforma più caratterizzata, in quanto il gene Sir2 scoperto nel lievito corrisponde, nei mammiferi, al gene Sirt1 (Sir2 homolog 1), che codifica per la proteina Sirt1. Essa si trova nel nucleo cellulare, ma può traslocare nel citoplasma laddove vi siano delle particolari condizioni fisiologiche o stimoli: ciò avviene attraverso il segnale di esportazione nucleare (NES), mentre il successivo trasporto dal citoplasma al nucleo avviene con il segnale di localizzazione nucleare (NLS) (Hwang et al., 2013).

Sirt1 è formata da 747 aminoacidi, presenta un core catalitico comune a tutte le Sirtuine ed entrambe le estensioni dei domini N- e C-terminali, che servono come delle piattaforme per l’interazione con proteine e substrati. Sirt1 è coinvolta nella regolazione di molti processi fisiologici: la resistenza allo stress ossidativo, l'infiammazione, la senescenza cellulare, l'apoptosi ed il ritmo circadiano; essa regola anche la produzione di insulina e di glucosio, il metabolismo lipidico e la sopravvivenza cellulare, e svolge un’azione protettiva nei confronti dei neuroni dall'insorgenza di patologie neurodegenerative quali Parkinson e Alzheimer (Mimura et al., 2013).

L’espressione di Sirt1, come già visto per tutte le Sirtuine, varia in base alle condizioni fisiologiche ed energetiche della cellula: in particolare, la sua attività viene indotta durante un basso stato energetico (alti livelli di NAD+_{) e}

viene repressa in condizioni di elevato stato energetico (bassi livelli di NAD+_).

Per questo motivo, condizioni di digiuno o di diete a scarso contenuto calorico saranno accompagnate da un aumento dell’espressione di Sirt1, mentre diete ad alto contenuto calorico ridurranno la sua espressione (Houtkooper et al., 2012).

Se si verificano dei danni al doppio filamento di DNA, Sirt1 viene attivata allo scopo di aumentare la stabilità del DNA e di proteggere la cellula: ciò viene fatto secondo un particolare meccanismo (Figura 13).

Il danno al DNA induce la produzione di una proteina chinasi serina/treonina specifica, chiamata atassia telangiectasia mutata (ATM), che attiva la proteina p53 con l'obiettivo di rallentare il ciclo cellulare e guadagnare tempo per la riparazione del DNA. La proteina p53 si attiva ogni volta che le cellule subiscono un'alterazione, fermando la divisione cellulare e consentendo la riparazione del DNA. Il ciclo cellulare viene interrotto in fase G1, impedendo

che la cellula entri in fase S: tale pausa nella progressione del ciclo cellulare viene definita “checkpoint del ciclo cellulare”. Tuttavia, se il danno al DNA è irreparabile, la proteina p53 diventa “super-attiva” e le cellule muoiono per apoptosi. Nei tumori si ha un'alta frequenza di mutazioni su p53, che la rendono responsabile della proliferazione cellulare incontrollata (Ozawa et al., 2010).

La proteina ATM attiva anche i fattori di trascrizione E2fs, che sono responsabili dell'attivazione finale di Sirt1 e dei successivi effetti a valle.

L'attività di Sirt1 ha un duplice effetto sulla stabilità del DNA: da un lato essa attiva la proteina Ku70, che è implicata nella riparazione del danno al DNA; dall'altro, essa inibisce l'attivazione eccessiva della proteina p53 e la conseguente apoptosi cellulare che ne deriverebbe. La deacetilazione di p53 effettuata da Sirt1 fornisce una protezione dall'apoptosi (Ozawa et al., 2010). Sirt1 e p53 regolano a vicenda le proprie attività: la proteina p53 è coinvolta nel controllo del ciclo cellulare e possiede nella regione C-terminale vari potenziali siti di acetilazione, sui quali Sirt1 esplica la sua attività catalitica (Luo et al., 2001). Nei topi con deficit di Sirt1, i livelli di acetilazione di p53 erano significativamente sovraregolati dopo esposizione a radiazioni ionizzanti, indicando così che Sirt1 ha un ruolo essenziale nell'aumentare la resistenza allo stress delle cellule. L'aumento dell'acetilazione di p53 è stato anche associato al progredire della senescenza (Yamamoto et al., 2007).

L'attivazione di E2fs, il fattore di trascrizione di Sirt1, induce la stessa Sirt1 a bloccare il meccanismo di apoptosi che viene indotto da p53: qualora vi sia un'assenza dei fattori di trascrizione E2fs, si ha un'iperacetilazione di p53 e un aumento del fenomeno di apoptosi, in quanto l'espressione di Sirt1 viene assai ridotta (Chen et al., 2009).

Nel meccanismo di riparazione del DNA, Sirt1 può anche deacetilare il fattore di trascrizione FOXO per indurre la sintesi di fattori anti-apoptotici. I geni FOXO regolano la differenziazione cellulare ed il metabolismo; nel nucleo, Sirt1 e FOXO3 deacetilato formano un complesso che induce l'arresto del ciclo cellulare e la resistenza allo stress ossidativo, ed inibisce la capacità di FOXO3 di indurre l'apoptosi. (Yamamoto et al., 2007). Il meccanismo di protezione delle cellule dallo stress ossidativo e dall'invecchiamento avviene quindi mediante la regolazione di fattori quali FOXO e p53, nonché tutte le altre molecole coinvolte nel danno e nella riparazione del DNA (Chong et al., 2012).

Tra i ruoli fisiologici che interessano Sirt1, è sicuramente degna di nota la sua influenza e regolazione sul ritmo circadiano.

I ritmi circadiani sono dei ritmi caratterizzati da un periodo di circa 24 ore: tra questi vi sono il ritmo sonno-veglia, il ritmo di secrezione del cortisolo e di altre sostanze biologiche, il ritmo di variazione della temperatura corporea e di altri parametri circolatori. Questo sistema circadiano endogeno è una sorta di "orologio interno" all'organismo che si mantiene sincronizzato con il ciclo naturale del giorno e della notte grazie all'azione di stimoli naturali come la luce solare, la temperatura ambientale e stimoli di natura sociale. I ritmi circadiani si trovano nella maggior parte degli eucarioti e in alcuni procarioti, ed influenzano la maggior parte delle attività; anche la produzione di metaboliti come il glucosio, e di ormoni correlati con il metabolismo come l’insulina, segue un ritmo circadiano (Nakahata et al., 2008).

Nei mammiferi, l'orologio circadiano è collocato nel nucleo soprachiasmatico (SCN) situato nell'ipotalamo, che riceve le informazioni sull'illuminazione attraverso gli occhi. Dal punto di vista molecolare, l'espressione genica circadiana è regolata da due fattori di trascrizione: CLOCK (Circadian Locomotor Output Cycle Kaput) e BMAL1 (Brain and muscle Arnt-like protein), che si associano formando un eterodimero, si legano a specifiche regioni promotrici E-box in geni target chiamati CCG (Clock Controlled Genes), e sono in grado di attivare, a cascata, migliaia di altri geni e contribuire al ritmo circadiano (Zhou et al., 2014).

Uno dei geni che viene regolato dall'eterodimero CLOCK-BMAL1 è il gene NAMPT, che codifica per la nicotinammide fosforibosiltransferasi, una proteina limitante nella sintesi del cofattore NAD+_{. La regolazione di NAMPT}

influenza i livelli cellulari di NAD+_{: ciò modula i processi ossidoriduttivi nella}

produzione di energia, ed anche l’attività degli enzimi la cui funzione è dipendente da questo cofattore, tra cui proprio Sirt1.

Essa ha un ruolo chiave nella regolazione dei ritmi circadiani, poichè deacetila le due componenti CLOCK-BMAL1 nel fegato, e ne amplifica l’espressione nel SCN. La perdita della funzione di Sirt1 si verifica in genere come conseguenza dell’invecchiamento e ciò provoca l'abbassamento dei livelli dei componenti circadiani e il deterioramento del controllo circadiano centrale (Chang e Guarente, 2013).

Nei topi normali, la funzione circadiana decade con l'invecchiamento e l'aumento di Sirt1 nel cervello potrebbe impedire questo decadimento; al contrario, la perdita di funzione di Sirt1 altera il controllo circadiano nei topi giovani, imitando ciò che accade nel normale invecchiamento. Poiché Sirt1 stessa diminuisce con l'invecchiamento nei topi normali, i risultati suggeriscono che i farmaci che aumentano l'attività di Sirt1 negli esseri umani, potrebbero avere benefici diffusi per la salute. I componenti dell'orologio circadiano e Sirt1 lavorano quindi in modo sinergico per regolare l'espressione genica: sarebbe interessante approfondire come ciò accade, per poter porre le basi nello studio di svariate patologie, tra cui la depressione derivante dall'alterazione del ritmo sonno-veglia (Chang e Guarente, 2013).

Malattia Ruolo fisiologico di Sirt1

1) Malattie metaboliche

associate all'obesità •_• Aumenta la secrezione di insulina _{Promuove il metabolismo dei grassi} • Riduce i livelli di lipidi

• Protegge dall'aterosclerosi

2) Cancro • È coinvolta nel silenziamento dei geni oncosoppressori

• Inibisce l'attività trascrizionale di p53 • Influenza la riparazione del danno al DNA • Influenza la soppressione tumorale

• Mantiene la stabilità genomica

3) Tessuto adiposo • Riduce l'accumulo di lipidi negli adipociti • Aumenta la sensibilità all'insulina

• Promuove la lipolisi 4) Invecchiamento

cellulare • Sopprime la replicazione di rDNA extracromosomici nel lievito • Mantiene la stabilità dei telomeri 5) Senescenza cellulare • Salva i fibroblasti embrionali di topo

• Deacetila e diminuisce l'attività trascrizionale della proteina p53 pro-apoptotica

6) Invecchiamento e

stress cardiaco •_• Protegge dallo stress ossidativo _{Promuove l'arresto del ciclo cellulare e la morte} cellulare indotta da FoxO1 e FoxO3

7) Malattie

neurodegenerative •_• Ritarda la degenerazione assonale_{Protegge contro la malattia di Alzheimer, la} malattia di Huntington e la sclerosi laterale amiotrofica

8) Segnalazione infiammatoria in risposta allo stress ambientale

• Protegge contro l'infiammazione cronica

• Limita la durata della vita replicativa in risposta allo stress genotossico cronico

9) Effetti sullo sviluppo • Promuove efficienza ormonale • Modula la repressione trascrizionale 10) Effetti sulla

placenta • Promuove la sopravvivenza delle placente cellulariaumentando la resistenza al deficit di ossigeno