Sirtuine: Die Schaltzentralen der Langlebigkeit
Selent Information Regulator (SIR)-Proteine spielen eine entscheidende Rolle in der Regulation der Genexpression. Sie sind maßgeblich an der Organisation des Heterochromatins an verschiedenen Standorten beteiligt, darunter Telomere[1], rDNA[2] und inaktive Lokus-Standorte, einschließlich versteckter Paarungslokusse in Hefe.[3][4] Die SIR-Genfamilie kodiert sowohl für katalytische als auch nicht-katalytische Proteine, die an der De-Acetylierung von Histonschwänzen beteiligt sind und dadurch zur Kondensation des Chromatins um ein Gerüst aus SIR-Proteinen beitragen.[5] Es ist bemerkenswert, dass einige Mitglieder der SIR-Familie von Hefe bis zum Menschen evolutionär konserviert sind.
Historischer Hintergrund
SIR-Proteine wurden in verschiedenen genetischen Bildschirmen identifiziert und trugen in der Vergangenheit unterschiedliche Namen wie SIR[3] (silent information regulator), MAR[6] (mating-type regulator), STE[7] (sterile), CMT[8] (change of mating type) oder SSP[9] (sterile suppressor), je nach dem, welcher Bildschirm zu ihrer Entdeckung führte. Schließlich wurde der Name "SIR" aufgrund seiner präzisen Beschreibung der Proteinfunktion am längsten beibehalten[citation needed].
Eine der ersten Hefe-Bildschirme zur Identifizierung von SIR-Genen wurde von Anita Hopper und Benjamin Hall durchgeführt, die nach Mutationen suchten, die die Sporulation in einer normalerweise wenig sporulierenden heterothallischen α/α (ho/ho MATα/MATα)-Hefe ermöglichten. Ihr Screening führte zur Identifizierung einer Mutation in einem neuartigen Gen, das nicht mit HO in Verbindung stand und dazu führte, dass das α/α-Diploid die Sporulation aktivieren konnte, als wäre es ein α/a-Diploid. Sie schlossen daraus, dass die Mutation eine Änderung des Paarungstyps durch einen HO-unabhängigen Mechanismus verursachte[8]. Später wurde festgestellt, dass die von Hopper & Hall identifizierte CMT-Mutation nicht den Paarungstyp am MAT-Locus veränderte, sondern vielmehr die Expression von stillen Paarungstypgenen ermöglichte, die in Wildtyp-Hefe normalerweise zum Schweigen gebracht werden. In ihrer Arbeit zur Aufklärung des Mechanismus der CMT-Mutation würdigten Haber und Hall den Beitrag von Amar Klar, der auf einer Tagung des Cold Spring Harbor Laboratory MAR-Mutantenstämme vorstellte, die ähnliche Eigenschaften wie die CMT-Mutanten aufwiesen, was Haber und Hall dazu veranlasste, die Hypothese zu prüfen, dass die CMT-Mutanten durch die Freilegung stiller Informationen wirken könnten[10].
Im selben Jahr, in dem Haber & Hall zeigten, dass die CMT-Mutation die Sporulation durch die Aufhebung der Unterdrückung von stillen Paarungstyp-Loci wiederherstellte, führten zwei andere Gruppen Bildschirme durch, um Gene zu identifizieren, die die Regulation von stillen Paarungstyp-Kassetten beeinflussten:[6] Die erste Studie von Amar Klar, Seymour Fogel und Kathy Macleod identifizierte eine Mutation in einem spontanen a/a-Diploid, die dazu führte, dass die Produkte der Sporulation Haploide mit einem scheinbar diploiden Phänotyp waren, der durch die Fähigkeit zur Paarung bestimmt wurde. Die Autoren schlossen daraus, dass die Mutation die Freilegung der damals neu abgeschätzten stillen Paarungstyp-Loci HMa und HMα verursachte, was einem a/a-Diploiden die Sporulation ermöglichte und dazu führte, dass haploide Nachkommen, die das mutierte Allel erbten, sich wie a/α-Diploide verhielten, obwohl sie haploid waren. Die Autoren nannten die Mutation aufgrund ihrer offensichtlichen Rolle bei der Regulation des Paarungstyps MAR und konnten die Mutation auf Chromosom IV kartieren, wobei sie feststellten, dass sie 27,3 cM von einem häufig verwendeten trp1-Marker entfernt lag[6].
Einige Monate später führten Jasper Rine und Ira Herskowitz einen weiteren Bildschirm durch, um Gene zu identifizieren, die die Paarungsfähigkeit von Hefe beeinflussten, und identifizierten schließlich die Genfamilie, die sie SIR nannten, ein Name, der auch heute noch verwendet wird.[3] Im Gegensatz zum Screening von Klar et al., das Mutationen anhand ihrer Paarungsunfähigkeit identifizierte, verfolgten Rine & Herskowitz einen gezielteren Ansatz zur Identifizierung von Faktoren, die die Unterdrückung der Paarungsfähigkeit vermitteln. Rine & Herskowitz gingen davon aus, dass eine haploide Hefezelle mit einer rezessiven Mutation in matα1 komplementiert werden könnte, wenn die stille Kopie von MATα unterdrückt würde. Ausgehend von einem haploiden ho matα1-Stamm durchliefen Rine & Herskowitz mutagenesebedingte Mutationen und identifizierten fünf Mutanten, die einen MATα-Phänotyp in matα-Zellen wiederherstellten, ohne mit dem MAT-Locus assoziiert zu sein und ohne Genkonversion zwischen dem HMα-Locus und matα zu verursachen[3].
Schließlich wurden alle Mutationen, die aus dem ursprünglichen Screening von Hopper & Hall sowie dem späteren Screening von Rine & Herskowitz und dem Screening von Klar et al. hervorgingen, charakterisiert und kartiert, und es stellte sich heraus, dass die verursachenden Gene die gleichen waren[11]. Tatsächlich wurden die Gene, die heute als SIR1-4 bezeichnet werden, ursprünglich als MAR, CMT oder STE bezeichnet, je nach dem, welcher Bildschirm die Mutationen identifizierte.
Obwohl Klar, Hartwell und Hopper Mutationen in SIR-Genen identifizierten und den Genen verschiedene Namen gaben, bevor Rine sein Screening durchführte, wurde der Name SIR schließlich gewählt, da Rine schließlich den umfassendsten Satz funktional verwandter Gene (SIR1-4) identifizierte und weil die Arbeit von Rine und Herskowitz die Funktion der SIR-Familiengene am genauesten beschrieb[11]. Später wurde gezeigt, dass SIR-Proteine sowohl in Hefe als auch in höheren Organismen eine wichtige Rolle bei der Transkriptionsregulierung vieler Chromatindomänen spielen.
Molekularer Mechanismus
In der Hefe Saccharomyces cerevisiae sind SIR-Proteine an Standorten stiller Paarungstypgene, an den Telomeren und am rDNA-Locus lokalisiert. An den Standorten stiller Paarungstypgene und an den Telomeren sind die SIR-Proteine an der Unterdrückung der Genexpression innerhalb ihres jeweiligen Standortbereichs beteiligt. Am rDNA-Locus sind SIR-Proteine wahrscheinlich hauptsächlich für die Hemmung der Rekombination zwischen rDNA-Wiederholungen und weniger für die Unterdrückung der Genexpression von Bedeutung[12].
Transkriptionelle Unterdrückung in Hefezellen
Für die transkriptionelle Unterdrückung sind SIR2, 3 und 4 in stöchiometrischen Mengen erforderlich, um bestimmte chromosomale Regionen zu inaktivieren. SIR-Proteine binden in Hefe an die Schwänze von Nukleosomen und bilden eine multimerische Einheit aus SIR2, 3 und 4, die das Chromatin komprimiert und wahrscheinlich die Promotoren in dem inaktiven Bereich physisch abschirmt, wodurch die Wechselwirkung mit der Transkriptionsmaschinerie verhindert wird. Die Bildung von SIR-unterdrücktem Heterochromatin ist ein komplexer Prozess, der je nach dem Standort im Genom unterschiedliche Untergruppen von Proteinen und regulatorischen Proteinen umfasst. An den stillen Paarungstyp-Loci und an Hefetelomeren interagieren die Transkriptionsfaktoren Abf1 (ARS-Bindungsfaktor) und Rap1 (Repressor-Aktivator-Protein) mit spezifischen Nukleotidsequenzen in den Silencern, die heterochromatische Regionen flankieren. Rap1 enthält eine Domäne, die an Sir3 bindet und Sir3 zu den Silencern rekrutiert. Sobald Sir3 an den Silencern angelangt ist, rekrutiert es Sir4-Sir2-Dimere an die Chromatin-Nukleationsstelle. Sir2 deacetyliert dann die Schwänze von Histon H3 und H4, und das so freigesetzte Sir3 bindet an die nun deacetylierten Lysinreste H4K16,79 und rekrutiert weitere Sir4-Sir2-Dimere, um die weitere Ausbreitung der Heterochromatin-Domäne zu fördern.
Sobald sich die Heterochromatin-Domäne über einen genomischen Standort erstreckt, verhindern SIR2, 3 und 4 effektiv die Genexpression aus dem besetzten Bereich. Dieser Prozess basiert wahrscheinlich auf der physischen Blockade der DNA durch SIR-Proteine. Es wurde kürzlich gezeigt, dass bestimmte Promotoren in der Lage sind, die Genexpression innerhalb von Bereichen zu regulieren, die sonst durch SIR-Proteine unterdrückt werden, was zu einer erheblichen Steigerung der Genexpression führt, ohne dass nachweisbare Veränderungen der Histonmodifikationen vorliegen.