Molekulare Mechanismen der physiologischen Regulation von Sirtuin 1 und Modulation dieser Mechanismen mit Wirkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Clemens Steegborn
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277644855

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die reversible Acylierung von Proteinen an Lysin-Seitenketten ist eine verbreitete regulatorische Proteinmodifikation. Sirtuine sind Protein-Lysin-Deacetylasen mit einem einzigartigen, NAD+- abhängigen Mechanismus, der sie zu metabolischen Sensoren macht. Die sieben Sirtuinisoformen der Säuger regulieren z.B. Energiemetabolismus und Stressantworten und tragen zu Alterungsprozessen und alternsassoziierten Erkrankungen bei. Sirt1 ist eine nukleäre Isoform, die Histone, Transkriptionsfaktoren und DNA-Reparaturproteine deacetyliert und z.B. zu Leberfunktion und Hirnentwicklung beiträgt. Sirt1 wird als Wirkstofftarget für Krebs und inflammatorische, metabolische und neurodegenerative Erkrankungen verwendet. Allerdings sind physiologische Regulation und Funktion von Sirt1 komplex und nur teilweise verstanden, und es gibt kaum potente und spezifische Wirkstoffe zur Sirt1-Modulation. Wir haben molekulare Details physiologischer Sirt1-Regulationsmechanismen und pharmakologischer Sirt1-Modulatoren untersucht. Dazu haben wir die Sirt1 Inhibition durch die Proteine Dbc1 (deleted in breast cancer 1; inklusive der Inhibition der Poly(ADP-Ribose)-Polymerase 1), Tat (trans-activator of transcription) und HIC1 (hypermethylated in cancer 1) sowie die Sirt1 Aktivierung durch das Protein AROS (active regulator of Sirt1) und die Interaktion mit 14- 3-3 Adapterproteinen analysiert, und analog die Inhibition und Aktivierung mit Kleinmolekülen. Als ersten Schritt haben wir die rekombinante Herstellung von Sirt1, den Regulatorproteinen sowie spezifisch acetylierter Substratproteine etabliert. Diese Materialien haben es uns ermöglicht, die Wirkung von pharmakologischen Modulatoren gegen Sirt1 zu testen und mit echten Substratproteinen zu überprüfen sowie die regulatorischen Komplexe von Sirt1 zu rekonstituieren und zu charakterisieren. Wir konnten kristallographisch Strukturen von zwei Sirt1-Zuständen (mit und ohne Peptidligand) sowie der Sirt1-bindenden Regionen von Dbc1 und HIC1 lösen. Durch Aktivitäts-, Binde- und Cross-linking-Experimente konnten wir die Affinitäten und Co-Ligand- Abhängigkeiten der Interaktionen sowie beteiligte Domänen und Oberflächen identifizieren. Unsere Ergebnisse zeigten, dass Tat an die katalytische Domäne von Sirt1, aber auch von Sirt2 und Sirt3 bindet. Daher haben wir die Strukturen von Sirt3-Komplexen mit Tat-Fragmenten proteinkristallographisch gelöst und analysiert: Tat nutzt seine intrinsische, elongierte Konformation und eine Ladungs-komplementarität für eine substratähnliche, starke Interaktion. Wir konnten zudem Strukturen von Dbc1 und HIC1 lösen, die uns wichtige Einsichten in den Aufbau von Dbc1 lieferten und ermöglichten, unter Verwendung der biochemische Daten Modelle für die Sirt1- Interaktion und -Regulation zu erstellen. Diese Arbeiten haben detaillierte Information zur Interaktion von Sirt1 mit seinen Regulatoren geliefert und unser Verständnis der physiologischen Regulation und Funktion von Sirt1 verbessert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 1,4-Dihydropyridines Active on the SIRT1/AMPK Pathway Ameliorate Skin Repair and Mitochondrial Function and Exhibit Inhibition of Proliferation in Cancer Cells. Journal of Medicinal Chemistry, 59(4), 1471-1491.
  Valente, Sergio; Mellini, Paolo; Spallotta, Francesco; Carafa, Vincenzo; Nebbioso, Angela; Polletta, Lucia; Carnevale, Ilaria; Saladini, Serena; Trisciuoglio, Daniela; Gabellini, Chiara; Tardugno, Maria; Zwergel, Clemens; Cencioni, Chiara; Atlante, Sandra; Moniot, Sébastien; Steegborn, Clemens; Budriesi, Roberta; Tafani, Marco; Del Bufalo, Donatella ... & Mai, Antonello
  
• Recombinant Preparation, Biochemical Analysis, and Structure Determination of Sirtuin Family Histone/Protein Deacylases. Methods in Enzymology, 183-208.
  Suenkel, B. & Steegborn, C.
  
• Structural Basis of Sirtuin 6 Activation by Synthetic Small Molecules. Angewandte Chemie, 129(4), 1027-1031.
  You, Weijie; Rotili, Dante; Li, Tie‐Mei; Kambach, Christian; Meleshin, Marat; Schutkowski, Mike; Chua, Katrin F.; Mai, Antonello & Steegborn, Clemens
  
• A conserved NAD+binding pocket that regulates protein-protein interactions during aging. Science, 355(6331), 1312-1317.
  Li, Jun; Bonkowski, Michael S.; Moniot, Sébastien; Zhang, Dapeng; Hubbard, Basil P.; Ling, Alvin J. Y.; Rajman, Luis A.; Qin, Bo; Lou, Zhenkun; Gorbunova, Vera; Aravind, L.; Steegborn, Clemens & Sinclair, David A.
  
• Sirtuin activators and inhibitors: Promises, achievements, and challenges. Pharmacology & Therapeutics, 188, 140-154.
  Dai, Han; Sinclair, David A.; Ellis, James L. & Steegborn, Clemens
  
• Structural basis for the activation and inhibition of Sirtuin 6 by quercetin and its derivatives. Scientific Reports, 9(1).
  You, Weijie; Zheng, Wei; Weiss, Sandra; Chua, Katrin F. & Steegborn, Clemens
  
• Molecular Mechanism of Sirtuin 1 Modulation by the AROS Protein. International Journal of Molecular Sciences, 23(21), 12764.
  Weiss, Sandra; Adolph, Ramona S.; Schweimer, Kristian; DiFonzo, Andrea; Meleshin, Marat; Schutkowski, Mike & Steegborn, Clemens
  
• Molecular Mechanism of Sirtuin 1 Inhibition by Human Immunodeficiency Virus 1 Tat Protein. Life, 13(4), 949.
  Adolph, Ramona S.; Beck, Eileen; Schweimer, Kristian; Di Fonzo, Andrea; Weyand, Michael; Rösch, Paul; Wöhrl, Birgitta M. & Steegborn, Clemens